一種堆棧光電二極體及其製備方法
2023-04-23 01:31:01 2
專利名稱：一種堆棧光電二極體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體設計及製造技術領域，特別涉及一種堆棧光電二極體及其製備方法。
背景技術：
堆棧光電二極體是由兩個結深不同的PN結組成，主要作為環境光傳感器的感光元件，用於檢測周圍環境光的亮度。目前，環境光傳感器的感光元件多為兩種光電二極體組合的形式，即兩種光電二極體共同作用來實現環境光檢測，例如公開號為CN201255663Y的中國專利所披露的智能可見光傳感器，其包括多個光電二極體對組成的陣列，每個光電二極體對中兩個光電二極體具有不同的響應光譜特性，通過後續的電路對兩二極體輸出的光電流進行處理，使得處理後的輸出電流信號與光譜的關係與人眼的感光特性一致。這種利用兩種光電二極體組合實現環境光檢測的方式，一方面增加了晶片感光區域的面積，使得整顆晶片的面積增大，也增加了晶片的成本；另一方面增加了晶片的功耗，使晶片性能降低。
發明內容
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種堆棧光電二極體及其製備方法。為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第一個方面，本發明提供了一種堆棧光電二極體，其包括:半導體襯底，所述半導體襯底為輕摻雜；第一摻雜區和第二摻雜區，所述第一摻雜區和第二摻雜區形成在所述半導體襯底內，所述第一摻雜區為重摻雜，其摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相同，所述第二摻雜區為輕摻雜，其摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相反，在所述半導體襯底的內緣和所述第二摻雜區的外緣處形成有場氧區；第三摻雜區和第四摻雜區，所述第三摻雜區和第四摻雜區形成在所述第二摻雜區內，所述第三摻雜區和第四摻雜區均為重摻雜，所述第三摻雜區的摻雜類型與所述第二摻雜區的摻雜類型相同，所述第四摻雜區的摻雜類型與所述第二摻雜區的摻雜類型相反；至少一層金屬層，所述金屬層形成在所述半導體襯底之上，所述金屬層分別與所述第一摻雜區、第三摻雜區和第四摻雜區相連。本發明不需要像現有技術那樣採用分立的兩種光電二極體共同作用來實現環境光檢測，而是在同一襯底上將兩個二極體集成製備成一個堆棧光電二極體，僅米用一個堆棧光電二極體來實現環境光檢測功能，減小了晶片面積，降低了功耗，同時還降低了成本。在本發明的優選實施例中，堆棧光電二極體還具有感光窗口，所述感光窗口貫通所述鈍化層並暴露一部分第四摻雜區。從而使更多的光線照射到感光面上，達到提高堆棧光電二極體靈敏度的目的。在本發明的另一優選實施例中，感光窗口之上覆蓋有抗反射層。該抗反射層既可以將晶片與外界環境隔離，又可以在一定程度上修正堆棧光電二極體的感光光譜。
為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第二個方面，本發明提供了一種堆棧光電二極體的製備方法，其包括如下步驟:S1:提供襯底，所述襯底為輕摻雜的半導體材料；S2:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成輕摻雜的第二摻雜區，所述第二摻雜區的摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相反；S3:氧化、澱積、刻蝕形成場氧區，所述場氧區位於所述半導體襯底的內緣和所述第二摻雜區的外緣；S4:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成重摻雜的第一摻雜區和第四摻雜區，所述第一摻雜區和第四摻雜區的摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相同；S5:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成重摻雜的第三摻雜區，所述第三摻雜區的摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相反；S6:形成金屬層，所述金屬層至少為一層，所述金屬層形成在所述半導體襯底之上，所述金屬層分別與所述第一摻雜區、第三摻雜區和第四摻雜區相連。在本發明的優選實施例中，在步驟S6之後具有以下步驟:S7:生長鈍化層，所述鈍化層形成在所述金屬層之上並覆蓋整個半導體區；S8:光刻，刻蝕所述鈍化層形成引線孔，所述引線孔貫通所述鈍化層並暴露一部分金屬層。在本發明的另一優選實施例中，在所述步驟S7和S8之間具有以下步驟:光刻，刻蝕鈍化層形成感光窗口，所述感光窗口貫通所述鈍化層並暴露一部分第四摻雜區。從而使更多的光線照射到感光面上，達到提高堆棧光電二極體靈敏度的目的。在本發明的另一優選實施例中，在形成所述感光窗口後，在所述感光窗口上澱積形成抗反射層。該抗反射層既可以將晶片與外界環境隔離，又可以在一定程度上修正堆棧光電二極體的感光光譜。本發明的製備方法在矽襯底上製作堆棧光電二極體作為環境光傳感器的感光元件，節約了晶片面積，降低了功耗，降低了成本。本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:圖1是本發明堆棧光電二極體一實施例的示意剖面圖；圖2是本發明堆棧光電二極體光譜響應曲線；圖3是本發明堆棧光電二極體PN結輸出的電流關係；圖4是本發明堆棧光電二極體輸出的類人眼曲線與人眼感光曲線的對比圖；圖5至圖13是本發明堆棧光電二極體的製作流程圖。附圖標記:I半導體襯底；2第一摻雜區；3第二摻雜區；4第三摻雜區；
5第四摻雜區；6場氧區；7金屬層；8鈍化層；9感光窗口 ；10抗反射層；11引線孔；12隔離層。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」 「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。圖1是本發明堆棧光電二極體的示意剖面圖，圖中僅僅是示意的給出了各區域的尺寸，具體的尺寸可以根據器件參數的要求進行設計。從圖1中可見，該堆棧光電二極體包括半導體襯底I，該半導體襯底I為輕摻雜，該半導體襯底I的材料可以是製備堆棧光電二極體的任何半導體材料，具體可以是但不限於矽、鍺、砷化鎵。在半導體襯底I內形成有第一摻雜區2和第二摻雜區3，該第一摻雜區2為重摻雜，其摻雜類型與半導體襯底I的摻雜類型相同，第二摻雜區3為輕摻雜，其摻雜類型與半導體襯底I的摻雜類型相反，在半導體襯底I的內緣和第二摻雜區3的外緣處形成有場氧區6，該場氧區6的材料可以為但不限於二氧化矽。在第二摻雜區3內形成有第三摻雜區4和第四摻雜區5，該第三摻雜區4和第四摻雜區5均為重摻雜，第三摻雜區4的摻雜類型與第二摻雜區3的摻雜類型相同，第四摻雜區5的摻雜類型與第二摻雜區3的摻雜類型相反。在半導體襯底I之上形成有金屬層
7,該金屬層7與第一摻雜區2、第三摻雜區4和第四摻雜區5相連。金屬層7至少為一層，其層數可以根據器件要求進行設計，在本實施方式中，金屬層為3層，相鄰兩層金屬層之間具有二氧化矽隔離層12。在金屬層之上形成有鈍化層8並覆蓋整個半導體區，鈍化層8上具有貫通至金屬層的引線孔11。在本發明的一個實施例中，半導體襯底I為P型，第一摻雜區2和第四摻雜區5為P型摻雜，且第二摻雜區3和第三摻雜區4為N型摻雜。從圖1中所示的結構可見，本發明堆棧光電二極體由兩個共陰極二極體組成，其中由作為襯底的半導體材料I和第二摻雜區3形成一個二極體，記作PD_nwell ;由第二摻雜區3和第四摻雜區5形成另一個二極體，記作PD_p+。由於PD_nwell的結深較深，波長較長的紅光在此處的吸收效率較高，其陽極輸出光譜曲線如圖2中點狀虛線所示；而PD_p+的結深較淺，波長較短的藍光和綠光在此處的吸收效率很高，其陰極輸出光譜曲線如圖2中段狀虛線所示。由如圖3運算關係，便可得到一條與人眼感光特性相似的光譜曲線，如圖2中實線所示。採用堆棧光電二極體作為感光元件得到的光譜曲線與人眼感光曲線的對比如圖4所示。在本實施方式中，為了提供堆棧光電二極體的靈敏度，本發明堆棧光電二極體還具有感光窗口 9，該感光窗口 9貫通鈍化層8直至半導體材料並暴露出一部分第四摻雜區5，即將堆棧光電二極體感光面上的鈍化層8去除，使更多的光線照射到感光面上，從而達到提高堆棧光電二極體靈敏度的目的。同時，在感光窗口 9上還覆蓋有抗反射層10，該抗反射層10的材料可以為但不限於二氧化矽或氮化矽。該抗反射層的設計既可以將晶片與外界環境隔離，又可以在一定程度上修正堆棧光電二極體的感光光譜。為形成圖1中所示的結構，本發明提供了一種堆棧光電二極體的製備方法，其包括如下步驟:S1:提供襯底1，該襯底為輕摻雜的半導體材料；S2:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成輕摻雜的第二摻雜區3，該第二摻雜區3的摻雜類型與半導體襯底I的摻雜類型相反；S3:氧化、澱積、刻蝕形成場氧區6，該場氧區6位於半導體襯底I的內緣和第二摻雜區3的外緣；S4:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成重摻雜的第一摻雜區2和第四摻雜區5，該第一摻雜區2和第四摻雜區5的摻雜類型與半導體襯底I的摻雜類型相同；S5:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成重摻雜的第三摻雜區4，該第三摻雜區4的摻雜類型與半導體襯底I的摻雜類型相反；S6:形成金屬層7，該金屬層7至少為一層，所述金屬層7形成在半導體襯底I之上，該金屬層7分別與第一摻雜區2、第三摻雜區4和第四摻雜區5相連。當金屬層7多於兩層時，相鄰兩層金屬層之間具有隔離層12。在本實施方式中，在步驟S6之後還可以具有以下步驟:S7:生長鈍化層8，該鈍化層8形成在金屬層7之上並覆蓋整個半導體區；S8:光刻，刻蝕鈍化層8形成引線孔11，該引線孔11貫通鈍化層8直至暴露一部分金屬層7。在本實施方式中，在步驟S7和S8之間還可以具有以下步驟:光刻，刻蝕鈍化層8形成感光窗口 9，感光窗口 9貫通鈍化層8並暴露一部分第四摻雜區5，在形成感光窗口 9後，在感光窗口 9上澱積形成抗反射層10。該抗反射層10的材料可以為但不限於二氧化矽或氮化矽。在本實施方式中，第一摻雜區2和第四摻雜區5—體形成。在本發明另外的實施方式中，第一摻雜區2和第四摻雜區5通過光刻，離子注入，擴散，退火的步驟先後形成。按照圖5至圖13的步驟能夠製備圖1中所示的堆棧光電二極體，圖中所示是在P型半導體材料上製作堆棧光電二極體，對於η型半導體材料上製備的器件，按照相反的摻雜類型摻雜即可。如圖5所示，首先提供一個P型半導體襯底1，然後在該半導體襯底I內通過塗膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕、去膠的光刻步驟製作出第二摻雜區3的圖形，再經離子注入、退火形成第二摻雜區3，該第二摻雜區3為輕摻雜，其摻雜類型與半導體襯底I的摻雜類型相反，如圖6所示。然後如圖7所示，通過氧化、澱積、刻蝕在半導體襯底I的內緣和第二摻雜區3的外緣處形成場氧區6，該場氧區6的材料可以為但不限於二氧化矽。然後，通過光刻製作出第一摻雜區2和第四摻雜區5的圖形，再經離子注入、退火形成第一摻雜區2和第四摻雜區5，該第一摻雜區2和第四摻雜區5為重摻雜，其摻雜類型與半導體襯底I的摻雜類型相同，如圖8所示。接著如圖9所示，通過光刻製作出第三摻雜區4圖形，再經離子注入、退火形成第三摻雜區4,該第三摻雜區4為重摻雜,其摻雜類型與半導體襯底I的摻雜類型相反。需要說明的是，以上僅僅是給出了形成圖9所示結構的一種方法，以上的工藝步驟經過適當的調換，也可以得到圖9所示的結構。比如可以先形成第三摻雜區4，然後再形成第一摻雜區2和第四摻雜區5，並且第一摻雜區2和第四摻雜區5可以一體形成，也可分別單獨形成。如圖10所示，通過金屬蒸鍍、刻蝕、通過孔形成金屬層7，本實施方式中，金屬層7為三層，相鄰兩層金屬層之間具有隔離層。然後在金屬層上生長鈍化層8。然後如圖11所示，刻蝕掉覆蓋在堆棧二極體感光面上的鈍化層8形成感光窗口 9，然後在感光窗口 9上形成一定厚度的抗反射層10，該抗反射層10的材料可以為但不限於二氧化矽或氮化矽，生長方式可以為但不限於化學氣相澱積的方法，如圖12所示。最後，如圖13所示，光刻，刻蝕金屬層上的鈍化層8,使電極露出晶片表面。本發明利用現有的CMOS工藝，在矽襯底上製作堆棧二極體結構作為環境光傳感器的感光元件，不需要像現有技術那樣採用分立的兩種光電二極體共同作用來實現環境光檢測，節約了晶片面積，降低了成本。在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種堆棧光電二極體,其特徵在於,包括: 半導體襯底，所述半導體襯底為輕摻雜； 第一摻雜區和第二摻雜區，所述第一摻雜區和第二摻雜區形成在所述半導體襯底內，所述第一摻雜區為重摻雜，其摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相同，所述第二摻雜區為輕摻雜，其摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相反，在所述半導體襯底的內緣和所述第二摻雜區的外緣處形成有場氧區； 第三摻雜區和第四摻雜區，所述第三摻雜區和第四摻雜區形成在所述第二摻雜區內，所述第三摻雜區和第四摻雜區均為重摻雜，所述第三摻雜區的摻雜類型與所述第二摻雜區的摻雜類型相同，所述第四摻雜區的摻雜類型與所述第二摻雜區的摻雜類型相反； 至少一層金屬層，所述金屬層形成在所述半導體襯底之上，所述金屬層分別與所述第一摻雜區、第三摻雜區和第四摻雜區相連。
2.如權利要求1所述的堆棧光電二極體，其特徵在於，所述堆棧光電二極體還具有鈍化層，所述鈍化層形成在所述金屬層之上並覆蓋整個半導體區，其上具有貫通至所述金屬層的引線孔。
3.如權利要求2所述的堆棧光電二極體，其特徵在於，所述堆棧光電二極體還具有感光窗口，所述感光窗口貫通所述鈍化層並暴露一部分第四摻雜區。
4.如權利要求3所述的堆棧光電二極體，其特徵在於，所述感光窗口上覆蓋有抗反射層。
5.如權利要求4 所述的堆棧光電二極體，其特徵在於，所述抗反射層的材料為二氧化矽或氮化矽。
6.如權利要求1所述的堆棧光電二極體，其特徵在於，所述場氧區的材料為二氧化矽。
7.如權利要求1所述的堆棧光電二極體，其特徵在於，當所述金屬層多於兩層時，相鄰兩層金屬層之間具有隔離層。
8.如權利要求1所述的堆棧光電二極體，其特徵在於，所述半導體襯底為P型，所述第一摻雜區和所述第四摻雜區為P型摻雜，且所述第二摻雜區和所述第三摻雜區為N型摻雜。
9.一種堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: S1:提供襯底，所述襯底為輕摻雜的半導體材料； S2:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成輕摻雜的第二摻雜區，所述第二摻雜區的摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相反； S3:氧化、澱積、刻蝕形成場氧區，所述場氧區位於所述半導體襯底的內緣和所述第二摻雜區的外緣； 54:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成重摻雜的第一摻雜區和第四摻雜區，所述第一摻雜區和第四摻雜區的摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相同； 55:光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火形成重摻雜的第三摻雜區，所述第三摻雜區的摻雜類型與所述半導體襯底的摻雜類型相反； 56:形成金屬層，所述金屬層至少為一層，所述金屬層形成在所述半導體襯底之上，所述金屬層分別與所述第一摻雜區、第三摻雜區和第四摻雜區相連。
10.如權利要求9所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，在所述步驟S6之後具有以下步驟: 57:生長鈍化層，所述鈍化層形成在所述金屬層之上並覆蓋整個半導體區； 58:光刻，刻蝕所述鈍化層形成引線孔，所述引線孔貫通所述鈍化層並暴露一部分金屬層。
11.如權利要求10所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，在所述步驟S7和S8之間具有以下步驟:光刻，刻蝕鈍化層形成感光窗口，所述感光窗口貫通所述鈍化層並暴露一部分第四摻雜區。
12.如權利要求11所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，在形成所述感光窗口後，在所述感光窗口上澱積形成抗反射層。
13.如權利要求12所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，所述抗反射層的材料為二氧化矽或氮化矽。
14.如權利要求9所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，當所述金屬層多於兩層時，在相鄰兩層金屬層之間生長有隔離層。
15.如權利要求9所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，所述第一摻雜區和第四摻雜區一體形成。
16.如權利要求9所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，所述第一摻雜區和第四摻雜區通過光刻，離子注入，擴散，退火的步驟先後形成。
17.如權利要求9所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，所述場氧的材料為二氧化矽。
18.如權利要求9所述的堆棧光電二極體的製備方法，其特徵在於，所述半導體襯底為P型，所述第一摻雜區和所述第四摻雜區為P型摻雜，且所述第二摻雜區和所述第三摻雜區為N型摻雜。
全文摘要
本發明提出了一種堆棧光電二極體及其製備方法，該堆棧光電二極體包括半導體材料、第一摻雜區、第二摻雜區、第三摻雜區、第四摻雜區、場氧區、金屬層、鈍化層、感光窗口和抗反射層。本發明僅採用一個堆棧光電二極體來實現環境光檢測功能，減小了晶片面積，降低了功耗，同時還降低了成本。本發明的感光窗口使更多的光線照射到感光面上，達到提高堆棧光電二極體靈敏度的目的，其上的抗反射層既可以將晶片與外界環境隔離，又可以在一定程度上修正堆棧光電二極體的感光光譜。本發明的製備方法在矽襯底上製作堆棧光電二極體作為環境光傳感器的感光元件，節約了晶片面積，降低了功耗，降低了成本。
文檔編號H01L31/18GK103178070SQ201110442409
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者邵光雲, 汪立, 傅璟軍, 胡文閣 申請人:比亞迪股份有限公司