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一种堆栈光电 二极管及其制备方法

阅读：353发布：2024-01-02

专利汇可以提供一种堆栈光电二极管及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种堆栈光电二极管及其制备方法，该堆栈光电二极管包括：半导体材料、第一掺杂区、第二掺杂区、第三掺杂区、第四掺杂区、场氧区、金属层、钝化层、感光窗口和抗反射层。本发明仅采用一个堆栈光电二极管来实现环境光检测功能，减小了芯片面积，降低了功耗，同时还降低了成本。本发明的感光窗口使更多的光线照射到感光面上，达到提高堆栈光电二极管灵敏度的目的，其上的抗反射层既可以将芯片与外界环境隔离，又可以在一定程度上修正堆栈光电二极管的感光光谱。本发明的制备方法在硅衬底上制作堆栈光电二极管作为环境光传感器的感光元件，节约了芯片面积，降低了功耗，降低了成本。，下面是一种堆栈光电二极管及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种堆栈光电二极管，其特征在于，包括：
半导体衬底，所述半导体衬底为轻掺杂；
第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区和第二掺杂区形成在所述半导体衬底内，所述第一掺杂区为重掺杂，其掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相同，所述第二掺杂区为轻掺杂，其掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相反，在所述半导体衬底的内缘和所述第二掺杂区的外缘处形成有场氧区；
第三掺杂区和第四掺杂区，所述第三掺杂区和第四掺杂区形成在所述第二掺杂区内，所述第三掺杂区和第四掺杂区均为重掺杂，所述第三掺杂区的掺杂类型与所述第二掺杂区的掺杂类型相同，所述第四掺杂区的掺杂类型与所述第二掺杂区的掺杂类型相反；
至少一层金属层，所述金属层形成在所述半导体衬底之上，所述金属层分别与所述第一掺杂区、第三掺杂区和第四掺杂区相连。
2.如权利要求1所述的堆栈光电二极管，其特征在于，所述堆栈光电二极管还具有钝化层，所述钝化层形成在所述金属层之上并覆盖整个半导体区，其上具有贯通至所述金属层的引线孔。
3.如权利要求2所述的堆栈光电二极管，其特征在于，所述堆栈光电二极管还具有感光窗口，所述感光窗口贯通所述钝化层并暴露一部分第四掺杂区。
4.如权利要求3所述的堆栈光电二极管，其特征在于，所述感光窗口上覆盖有抗反射层。
5.如权利要求4所述的堆栈光电二极管，其特征在于，所述抗反射层的材料为二氧化硅或氮化硅。
6.如权利要求1所述的堆栈光电二极管，其特征在于，所述场氧区的材料为二氧化硅。
7.如权利要求1所述的堆栈光电二极管，其特征在于，当所述金属层多于两层时，相邻两层金属层之间具有隔离层。
8.如权利要求1所述的堆栈光电二极管，其特征在于，所述半导体衬底为P型，所述第一掺杂区和所述第四掺杂区为P型掺杂，且所述第二掺杂区和所述第三掺杂区为N型掺杂。
9.一种堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供衬底，所述衬底为轻掺杂的半导体材料；
S2：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成轻掺杂的第二掺杂区，所述第二掺杂区的掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相反；
S3：氧化、淀积、刻蚀形成场氧区，所述场氧区位于所述半导体衬底的内缘和所述第二掺杂区的外缘；
S4：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成重掺杂的第一掺杂区和第四掺杂区，所述第一掺杂区和第四掺杂区的掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相同；
S5：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成重掺杂的第三掺杂区，所述第三掺杂区的掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相反；
S6：形成金属层，所述金属层至少为一层，所述金属层形成在所述半导体衬底之上，所述金属层分别与所述第一掺杂区、第三掺杂区和第四掺杂区相连。
10.如权利要求9所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S6之后具有以下步骤：
S7：生长钝化层，所述钝化层形成在所述金属层之上并覆盖整个半导体区；
S8：光刻，刻蚀所述钝化层形成引线孔，所述引线孔贯通所述钝化层并暴露一部分金属层。
11.如权利要求10所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S7和S8之间具有以下步骤：光刻，刻蚀钝化层形成感光窗口，所述感光窗口贯通所述钝化层并暴露一部分第四掺杂区。
12.如权利要求11所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，在形成所述感光窗口后，在所述感光窗口上淀积形成抗反射层。
13.如权利要求12所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，所述抗反射层的材料为二氧化硅或氮化硅。
14.如权利要求9所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，当所述金属层多于两层时，在相邻两层金属层之间生长有隔离层。
15.如权利要求9所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，所述第一掺杂区和第四掺杂区一体形成。
16.如权利要求9所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，所述第一掺杂区和第四掺杂区通过光刻，离子注入，扩散，退火的步骤先后形成。
17.如权利要求9所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，所述场氧的材料为二氧化硅。
18.如权利要求9所述的堆栈光电二极管的制备方法，其特征在于，所述半导体衬底为P型，所述第一掺杂区和所述第四掺杂区为P型掺杂，且所述第二掺杂区和所述第三掺杂区为N型掺杂。

说明书全文

一种堆栈光电二极管及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体设计及制造技术领域，特别涉及一种堆栈光电二极管及其制备方法。

背景技术

[0002] 堆栈光电二极管是由两个结深不同的PN结组成，主要作为环境光传感器的感光元件，用于检测周围环境光的亮度。

[0003] 目前，环境光传感器的感光元件多为两种光电二极管组合的形式，即两种光电二极管共同作用来实现环境光检测，例如公开号为CN201255663Y的中国专利所披露的智能可见光传感器，其包括多个光电二极管对组成的阵列，每个光电二极管对中两个光电二极管具有不同的响应光谱特性，通过后续的电路对两二极管输出的光电流进行处理，使得处理后的输出电流信号与光谱的关系与人眼的感光特性一致。这种利用两种光电二极管组合实现环境光检测的方式，一方面增加了芯片感光区域的面积，使得整颗芯片的面积增大，也增加了芯片的成本；另一方面增加了芯片的功耗，使芯片性能降低。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种堆栈光电二极管及其制备方法。

[0005] 为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种堆栈光电二极管，其包括：半导体衬底，所述半导体衬底为轻掺杂；第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区和第二掺杂区形成在所述半导体衬底内，所述第一掺杂区为重掺杂，其掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相同，所述第二掺杂区为轻掺杂，其掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相反，在所述半导体衬底的内缘和所述第二掺杂区的外缘处形成有场氧区；第三掺杂区和第四掺杂区，所述第三掺杂区和第四掺杂区形成在所述第二掺杂区内，所述第三掺杂区和第四掺杂区均为重掺杂，所述第三掺杂区的掺杂类型与所述第二掺杂区的掺杂类型相同，所述第四掺杂区的掺杂类型与所述第二掺杂区的掺杂类型相反；至少一层金属层，所述金属层形成在所述半导体衬底之上，所述金属层分别与所述第一掺杂区、第三掺杂区和第四掺杂区相连。

[0006] 本发明不需要像现有技术那样采用分立的两种光电二极管共同作用来实现环境光检测，而是在同一衬底上将两个二极管集成制备成一个堆栈光电二极管，仅采用一个堆栈光电二极管来实现环境光检测功能，减小了芯片面积，降低了功耗，同时还降低了成本。

[0007] 在本发明的优选实施例中，堆栈光电二极管还具有感光窗口，所述感光窗口贯通所述钝化层并暴露一部分第四掺杂区。从而使更多的光线照射到感光面上，达到提高堆栈光电二极管灵敏度的目的。

[0008] 在本发明的另一优选实施例中，感光窗口之上覆盖有抗反射层。该抗反射层既可以将芯片与外界环境隔离，又可以在一定程度上修正堆栈光电二极管的感光光谱。

[0009] 为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种堆栈光电二极管的制备方法，其包括如下步骤：

[0010] S1：提供衬底，所述衬底为轻掺杂的半导体材料；

[0011] S2：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成轻掺杂的第二掺杂区，所述第二掺杂区的掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相反；

[0012] S3：氧化、淀积、刻蚀形成场氧区，所述场氧区位于所述半导体衬底的内缘和所述第二掺杂区的外缘；

[0013] S4：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成重掺杂的第一掺杂区和第四掺杂区，所述第一掺杂区和第四掺杂区的掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相同；

[0014] S5：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成重掺杂的第三掺杂区，所述第三掺杂区的掺杂类型与所述半导体衬底的掺杂类型相反；

[0015] S6：形成金属层，所述金属层至少为一层，所述金属层形成在所述半导体衬底之上，所述金属层分别与所述第一掺杂区、第三掺杂区和第四掺杂区相连。

[0016] 在本发明的优选实施例中，在步骤S6之后具有以下步骤：

[0017] S7：生长钝化层，所述钝化层形成在所述金属层之上并覆盖整个半导体区；

[0018] S8：光刻，刻蚀所述钝化层形成引线孔，所述引线孔贯通所述钝化层并暴露一部分金属层。

[0019] 在本发明的另一优选实施例中，在所述步骤S7和S8之间具有以下步骤：光刻，刻蚀钝化层形成感光窗口，所述感光窗口贯通所述钝化层并暴露一部分第四掺杂区。从而使更多的光线照射到感光面上，达到提高堆栈光电二极管灵敏度的目的。

[0020] 在本发明的另一优选实施例中，在形成所述感光窗口后，在所述感光窗口上淀积形成抗反射层。该抗反射层既可以将芯片与外界环境隔离，又可以在一定程度上修正堆栈光电二极管的感光光谱。

[0021] 本发明的制备方法在硅衬底上制作堆栈光电二极管作为环境光传感器的感光元件，节约了芯片面积，降低了功耗，降低了成本。

[0022] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明

[0023] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0024] 图1是本发明堆栈光电二极管一实施例的示意剖面图；

[0025] 图2是本发明堆栈光电二极管光谱响应曲线；

[0026] 图3是本发明堆栈光电二极管PN结输出的电流关系；

[0027] 图4是本发明堆栈光电二极管输出的类人眼曲线与人眼感光曲线的对比图；

[0028] 图5至图13是本发明堆栈光电二极管的制作流程图。

[0029] 附图标记：

[0030] 1半导体衬底；2第一掺杂区；3第二掺杂区；4第三掺杂区；

[0031] 5第四掺杂区；6场氧区；7金属层；8钝化层；9感光窗口；

[0032] 10抗反射层；11引线孔；12隔离层。

具体实施方式

[0033] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0034] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0035] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0036] 图1是本发明堆栈光电二极管的示意剖面图，图中仅仅是示意的给出了各区域的尺寸，具体的尺寸可以根据器件参数的要求进行设计。从图1中可见，该堆栈光电二极管包括半导体衬底1，该半导体衬底1为轻掺杂，该半导体衬底1的材料可以是制备堆栈光电二极管的任何半导体材料，具体可以是但不限于硅、锗、砷化镓。在半导体衬底1内形成有第一掺杂区2和第二掺杂区3，该第一掺杂区2为重掺杂，其掺杂类型与半导体衬底1的掺杂类型相同，第二掺杂区3为轻掺杂，其掺杂类型与半导体衬底1的掺杂类型相反，在半导体衬底1的内缘和第二掺杂区3的外缘处形成有场氧区6，该场氧区6的材料可以为但不限
于二氧化硅。在第二掺杂区3内形成有第三掺杂区4和第四掺杂区5，该第三掺杂区4和
第四掺杂区5均为重掺杂，第三掺杂区4的掺杂类型与第二掺杂区3的掺杂类型相同，第四掺杂区5的掺杂类型与第二掺杂区3的掺杂类型相反。在半导体衬底1之上形成有金属层
7，该金属层7与第一掺杂区2、第三掺杂区4和第四掺杂区5相连。金属层7至少为一层，
其层数可以根据器件要求进行设计，在本实施方式中，金属层为3层，相邻两层金属层之间具有二氧化硅隔离层12。在金属层之上形成有钝化层8并覆盖整个半导体区，钝化层8上
具有贯通至金属层的引线孔11。

[0037] 在本发明的一个实施例中，半导体衬底1为P型，第一掺杂区2和第四掺杂区5为P型掺杂，且第二掺杂区3和第三掺杂区4为N型掺杂。

[0038] 从图1中所示的结构可见，本发明堆栈光电二极管由两个共阴极二极管组成，其中由作为衬底的半导体材料1和第二掺杂区3形成一个二极管，记作PD_nwell；由第二掺杂区3和第四掺杂区5形成另一个二极管，记作PD_p+。由于PD_nwell的结深较深，波长较长的红光在此处的吸收效率较高，其阳极输出光谱曲线如图2中点状虚线所示；而PD_p+的结深较浅，波长较短的蓝光和绿光在此处的吸收效率很高，其阴极输出光谱曲线如图2中段状虚线所示。由如图3运算关系，便可得到一条与人眼感光特性相似的光谱曲线，如图2中实线所示。采用堆栈光电二极管作为感光元件得到的光谱曲线与人眼感光曲线的对比如图4所示。

[0039] 在本实施方式中，为了提供堆栈光电二极管的灵敏度，本发明堆栈光电二极管还具有感光窗口9，该感光窗口9贯通钝化层8直至半导体材料并暴露出一部分第四掺杂区5，即将堆栈光电二极管感光面上的钝化层8去除，使更多的光线照射到感光面上，从而达到提高堆栈光电二极管灵敏度的目的。同时，在感光窗口9上还覆盖有抗反射层10，该抗反射层10的材料可以为但不限于二氧化硅或氮化硅。该抗反射层的设计既可以将芯片与外
界环境隔离，又可以在一定程度上修正堆栈光电二极管的感光光谱。

[0040] 为形成图1中所示的结构，本发明提供了一种堆栈光电二极管的制备方法，其包括如下步骤：

[0041] S1：提供衬底1，该衬底为轻掺杂的半导体材料；

[0042] S2：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成轻掺杂的第二掺杂区3，该第二掺杂区3的掺杂类型与半导体衬底1的掺杂类型相反；

[0043] S3：氧化、淀积、刻蚀形成场氧区6，该场氧区6位于半导体衬底1的内缘和第二掺杂区3的外缘；

[0044] S4：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成重掺杂的第一掺杂区2和第四掺杂区5，该第一掺杂区2和第四掺杂区5的掺杂类型与半导体衬底1的掺杂类型相同；

[0045] S5：光刻，在掩膜掩蔽的情况下进行离子注入，并扩散，退火形成重掺杂的第三掺杂区4，该第三掺杂区4的掺杂类型与半导体衬底1的掺杂类型相反；

[0046] S6：形成金属层7，该金属层7至少为一层，所述金属层7形成在半导体衬底1之上，该金属层7分别与第一掺杂区2、第三掺杂区4和第四掺杂区5相连。当金属层7多于
两层时，相邻两层金属层之间具有隔离层12。

[0047] 在本实施方式中，在步骤S6之后还可以具有以下步骤：

[0048] S7：生长钝化层8，该钝化层8形成在金属层7之上并覆盖整个半导体区；

[0049] S8：光刻，刻蚀钝化层8形成引线孔11，该引线孔11贯通钝化层8直至暴露一部分金属层7。

[0050] 在本实施方式中，在步骤S7和S8之间还可以具有以下步骤：光刻，刻蚀钝化层8形成感光窗口9，感光窗口9贯通钝化层8并暴露一部分第四掺杂区5，在形成感光窗口9后，在感光窗口9上淀积形成抗反射层10。该抗反射层10的材料可以为但不限于二氧化硅或氮化硅。

[0051] 在本实施方式中，第一掺杂区2和第四掺杂区5一体形成。在本发明另外的实施方式中，第一掺杂区2和第四掺杂区5通过光刻，离子注入，扩散，退火的步骤先后形成。

[0052] 按照图5至图13的步骤能够制备图1中所示的堆栈光电二极管，图中所示是在p型半导体材料上制作堆栈光电二极管，对于n型半导体材料上制备的器件，按照相反的掺杂类型掺杂即可。

[0053] 如图5所示，首先提供一个P型半导体衬底1，然后在该半导体衬底1内通过涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶的光刻步骤制作出第二掺杂区3的图形，再经离子注入、退火形成第二掺杂区3，该第二掺杂区3为轻掺杂，其掺杂类型与半导体衬底1的掺杂类型相反，如图6所示。然后如图7所示，通过氧化、淀积、刻蚀在半导体衬底1的内缘和第二掺杂区3的外缘处形成场氧区6，该场氧区6的材料可以为但不限于二氧化硅。然后，通过光刻制作出第一掺杂区2和第四掺杂区5的图形，再经离子注入、退火形成第一掺杂区2和第四掺杂区5，该第一掺杂区2和第四掺杂区5为重掺杂，其掺杂类型与半导体衬底1的掺杂类型相同，如图8所示。接着如图9所示，通过光刻制作出第三掺杂区4图形，再经离子注入、退火形成第三掺杂区4，该第三掺杂区4为重掺杂，其掺杂类型与半导体衬底1的掺杂类型相反。需要说明的是，以上仅仅是给出了形成图9所示结构的一种方法，以上的工艺步骤经过适当的调换，也可以得到图9所示的结构。比如可以先形成第三掺杂区4，然后再形成第一掺杂区2和第四掺杂区5，并且第一掺杂区2和第四掺杂区5可以一体形成，也可分别
单独形成。

[0054] 如图10所示，通过金属蒸镀、刻蚀、通过孔形成金属层7，本实施方式中，金属层7为三层，相邻两层金属层之间具有隔离层。然后在金属层上生长钝化层8。然后如图11所示，刻蚀掉覆盖在堆栈二极管感光面上的钝化层8形成感光窗口9，然后在感光窗口9上形成一定厚度的抗反射层10，该抗反射层10的材料可以为但不限于二氧化硅或氮化硅，生长方式可以为但不限于化学气相淀积的方法，如图12所示。最后，如图13所示，光刻，刻蚀金属层上的钝化层8，使电极露出芯片表面。

[0055] 本发明利用现有的CMOS工艺，在硅衬底上制作堆栈二极管结构作为环境光传感器的感光元件，不需要像现有技术那样采用分立的两种光电二极管共同作用来实现环境光检测，节约了芯片面积，降低了成本。

[0056] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0057] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

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