與標(biāo)準(zhǔn)cmos技術(shù)兼容的硅基正向注入方法及發(fā)光器件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及硅基發(fā)光電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，為提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的硅基發(fā)光器件，它既可以反向偏置發(fā)光，又可以正向偏置注入發(fā)光，而且正向注入發(fā)光功率密度大、效率高。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的硅基正向注入器件，輕摻雜的p型硅片襯底上設(shè)置有一對(duì)p+有源區(qū)和一對(duì)n+有源區(qū)，每對(duì)有源區(qū)占一軸線(xiàn)，兩對(duì)有源區(qū)成十字分布；p型硅片襯底及有源區(qū)上部設(shè)置有二氧化硅電極氧化層；有源區(qū)上方區(qū)域的二氧化硅電極氧化層設(shè)置有通孔，通孔用于有源區(qū)通過(guò)TiSi2，形成和金屬之間的歐姆接觸引出后形成管腳。本發(fā)明主要應(yīng)用于硅基發(fā)光電子器件設(shè)計(jì)制造。
【專(zhuān)利說(shuō)明】與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的硅基正向注入方法及發(fā)光器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅基發(fā)光電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體講，涉及與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的硅基正向注入發(fā)光器件。
技術(shù)背景
[0002]在娃基發(fā)光的各種器件結(jié)構(gòu)中，與CMOS工藝兼容的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)占據(jù)著一個(gè)重要的地位。盡管這種器件結(jié)構(gòu)發(fā)光強(qiáng)度和轉(zhuǎn)換效率尚不夠理想，然而由于其與CMOS工藝兼容，可以同其它的硅基無(wú)源光電子器件和微電子器件制備在同一芯片上，形成光電子集成電路(OEIC)。由于高效的硅基發(fā)光器件(S1-LEDs)和光探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)OEIC的基礎(chǔ)和核心，隨著當(dāng)前VLSI和ULSI的不斷發(fā)展，因此這種發(fā)光器件仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br> [0003]在已研發(fā)的與CMOS工藝兼容的S1-LEDs中，采用反向擊穿發(fā)光機(jī)理制作的
S1-LEDs占主要部分。反向擊穿發(fā)光的S1-LEDs分為:n+-p結(jié)雪崩擊穿Si_LEDs，n+-p+結(jié)齊納擊穿S1-LEDs及n+-p結(jié)齊納擊穿和表面擊穿S1-LEDs。上述器件都采用了高能量熱載流子的發(fā)光機(jī)制，其擊穿電壓較大，存在直流損耗，不適合與集成電路(IC)結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的硅基發(fā)光器件，它既可以反向偏置發(fā)光，又可以正向偏置注入發(fā)光，而且正向注入發(fā)光功率密度大、效率高。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的硅基正向注入方法，包括如下步驟:
[0005](I)采用輕摻雜的P型硅片作為襯底，晶向?yàn)椤?00〉，進(jìn)行熱氧化形成緩沖層；隨后在襯底上方低壓化學(xué)汽相淀積(LPVCD) SiN4，用來(lái)作為離子注入的光罩(mask)及后續(xù)工藝中定乂 η講的區(qū)域；
[0006](2)將光刻膠涂在SiN4上之后，利用光刻技術(shù)將所要形成的η阱區(qū)的圖形定義出來(lái)，并用干法刻蝕的方法將上述定義的區(qū)域的SiN4去掉，形成η阱注入窗口 ；
[0007](3)利用離子注入的技術(shù)，將磷元素注入(2)步中所定義的窗口中，接著利用無(wú)機(jī)溶液將光刻膠去除；并采用熱磷酸濕式刻蝕方法將SiN4去除掉；
[0008](4)離子注入后進(jìn)行退火處理；
[0009](5)利用熱氧化方法在由襯底組成的晶圓上形成高品質(zhì)的二氧化硅，作為為電極氧化層；涂布光刻膠后，利用光刻技術(shù)刻蝕出發(fā)光器件的P+有源區(qū)，與此同時(shí)形成η+有源區(qū)的屏蔽，再利用離子注入技術(shù)將硼元素注入該區(qū)域；
[0010](6)利用光刻技術(shù)刻蝕出發(fā)光器件的η+有源區(qū)，與此同時(shí)形成P+有源區(qū)的屏蔽，再利用離子注入技術(shù)將磷元素注入該區(qū)域，然后除去晶圓表面的光刻膠；
[0011](7)去除(5)步中生成的表面氧化物，之后利用退火技術(shù)，將經(jīng)離子注入過(guò)的η+區(qū)及P+區(qū)進(jìn)行電性活化及擴(kuò)散處理；
[0012](8)利用濺射工藝在整個(gè)晶圓表面進(jìn)行Ti淀積，然后利用自對(duì)準(zhǔn)硅化物工藝形成TiSi2，接著進(jìn)行濕法刻蝕除去多余的Ti并保留TiSi2，形成Si和金屬之間的歐姆接觸；[0013](9)利用濺射工藝在整個(gè)晶圓表面進(jìn)行硼磷硅玻璃(BPSG)淀積并對(duì)整個(gè)晶圓表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化。然后進(jìn)行利用光刻技術(shù)定義接觸孔，再利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出接觸孔；接著利用濺射工藝，在接觸孔表面濺射一層TiN，并用W填充接觸孔；利用光刻技術(shù)定義出第一層金屬的屏蔽層，再將鋁金屬利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出第一層金屬導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及金屬屏蔽層，將第一層金屬導(dǎo)線(xiàn)連接到PAD層；
[0014](10)重復(fù)(9)步刻蝕出第二層金屬導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及金屬屏蔽層；將第二層金屬導(dǎo)線(xiàn)連接到PAD層；
[0015](11)然后將采用上述標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制成的芯片送到專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行劃片，將發(fā)光器件所在的芯片部分和其它的集成電路模塊所在的芯片部分劃開(kāi)分離；
[0016](12)通過(guò)引線(xiàn)鍵合技術(shù)，電鍍壓焊點(diǎn)，用細(xì)金線(xiàn)連接發(fā)光器件的PAD層和管殼的金屬引腳，最后封裝在管殼里，制成硅基發(fā)光器件。
[0017]與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的娃基正向注入發(fā)光器件,結(jié)構(gòu)為:
[0018]輕摻雜的P型硅片襯底上設(shè)置有一對(duì)P+有源區(qū)和一對(duì)n+有源區(qū)，每對(duì)有源區(qū)占一軸線(xiàn)，兩對(duì)有源區(qū)成十字分布；P型硅片襯底及有源區(qū)上部設(shè)置有二氧化硅電極氧化層；有源區(qū)上方區(qū)域的二氧化硅電極氧化層設(shè)置有通孔，通孔用于有源區(qū)通過(guò)TiSi2，形成和金屬之間的歐姆接觸引出后形成管腳。
[0019]有源區(qū)的形狀為:沿軸線(xiàn)方向?yàn)殚L(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形一側(cè)為等腰三角形結(jié)構(gòu)，等腰三角形的頂端朝向?qū)ΨQ(chēng)有源區(qū)方向；長(zhǎng)方形區(qū)域?yàn)樾纬蓺W姆接觸的引出區(qū)域。
[0020]一對(duì)P+有源區(qū)中的一個(gè)作為載流子調(diào)制端，以此提高器件的發(fā)光強(qiáng)度。
[0021]與已有技術(shù)相比,本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)與效果:
[0022]本發(fā)明正向注入S1-LEDs發(fā)射近紅外光，不易被體硅本身吸收，有利于獲得高發(fā)射光功率和提高外量子效率。制作和實(shí)現(xiàn)高效率高光功率密度的硅基光源，將在光電【技術(shù)領(lǐng)域】得到重大突破，開(kāi)創(chuàng)全新硅基光學(xué)信息時(shí)代。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]為進(jìn)一步說(shuō)明本專(zhuān)利的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明于后，其中:
[0024]附圖1是本發(fā)明提供的硅基正向注入發(fā)光器件一的結(jié)構(gòu)圖(上方為器件俯視圖；下方為與之對(duì)應(yīng)的剖視圖)。
[0025]附圖2是本發(fā)明提供的硅基正向注入發(fā)光器件二的結(jié)構(gòu)圖(上方為器件俯視圖；下方為與之對(duì)應(yīng)的剖視圖)。
[0026]附圖3是本發(fā)明提供的硅基正向注入發(fā)光器件三的結(jié)構(gòu)圖(上方為器件俯視圖；下方為與之對(duì)應(yīng)的剖視圖)。
[0027]附圖4是本發(fā)明提供的硅基正向注入發(fā)光器件的需要進(jìn)行有源區(qū)摻雜的區(qū)域。
[0028]附圖5是本發(fā)明提供的硅基正向注入發(fā)光器件的IC顯微照片。
[0029]附圖6是本發(fā)明提供的硅基正向注入發(fā)光器件的引線(xiàn)鍵合及封裝照片。
[0030]附圖7是本發(fā)明提供的硅基正向注入發(fā)光器件的正向注入發(fā)光功率圖。
[0031]附圖8是本發(fā)明提供的硅基正向注入發(fā)光器件的正向注入發(fā)光光譜圖。
[0032]附圖標(biāo)記如下:
[0033]l、p襯底；2、n阱；3、p+有源區(qū)；4、n+有源區(qū)；5、Si02氧化層；6、金屬屏蔽層；7、第一層金屬；8、接觸孔,填充W ;9、第二層金屬；10、PAD層(焊盤(pán))。
【具體實(shí)施方式】
[0034]本發(fā)明提出的正向注入發(fā)光器件可改善上述的不足。正向注入發(fā)光的S1-LEDs由于是正向偏置，故工作電壓很低，可以與VLSI (3.3V)和ULSI (2.5V)電源電壓兼容，亦可能與摻Er，摻FeSi2，位錯(cuò)環(huán)(DL)等發(fā)光機(jī)制兼容和并用。正向注入S1-LEDs發(fā)射近紅外光，不易被體硅本身吸收，有利于獲得高發(fā)射光功率和提高外量子效率。制作和實(shí)現(xiàn)高效率高光功率密度的硅基光源，將在光電【技術(shù)領(lǐng)域】得到重大突破，開(kāi)創(chuàng)全新硅基光學(xué)信息時(shí)代。
[0035]本發(fā)明的目的是提供一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的硅基發(fā)光器件，它既可以反向偏置發(fā)光，又可以正向偏置注入發(fā)光，而且正向注入發(fā)光功率密度大、效率高。
[0036]本發(fā)明是一種p+-n結(jié)型娃基發(fā)光器件,其特征在于:
[0037]①該器件在p+-n結(jié)正向注入模式實(shí)現(xiàn)娃基發(fā)光,發(fā)射近紅外光,減少了娃本身對(duì)光子的吸收，光譜峰值位于1150nm。所設(shè)計(jì)器件采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
[0038]②器件結(jié)構(gòu)采用了 n+有源區(qū)與P+有源區(qū)的四端鍥型結(jié)構(gòu)，嵌入η阱，構(gòu)成p+-n結(jié)。器件所有n+有源區(qū)和P+有源區(qū)都分別連接到金屬作歐姆接觸后引出，作為電極使用。
[0039]③從發(fā)光角度考慮，該器件所有摻雜區(qū)域均為楔形，目的是利用尖端效應(yīng)增強(qiáng)電場(chǎng)，同時(shí)由于電場(chǎng)限制效應(yīng)使得發(fā)光區(qū)域更為集中。
[0040]④為了提高發(fā)光區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，P+區(qū)的頂端做成針尖形狀，可使局部區(qū)域達(dá)到倍增效應(yīng)所需的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而利用倍增效應(yīng)提高器件的發(fā)光強(qiáng)度。
[0041 ] ⑤當(dāng)一個(gè)P+摻雜區(qū)和相鄰n+摻雜區(qū)構(gòu)成p+-n結(jié)發(fā)光時(shí)，為了提高發(fā)光區(qū)域內(nèi)的載流子濃度，可以讓另外一個(gè)P+摻雜區(qū)作為載流子調(diào)制端，以此提高器件的發(fā)光強(qiáng)度。
[0042]本發(fā)明用聯(lián)華電子公司(UMC)提供的0.18μπι標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝(1P6M)設(shè)計(jì)和制備。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的正向注入S1-LED的制備過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述:
[0043](I)采用輕摻雜的P型硅片作為襯底((圖中I區(qū)))，晶向?yàn)椤?00〉，進(jìn)行熱氧化形成緩沖層。從而減少下一步淀積SiN4在硅表面造成的應(yīng)力，隨后低壓化學(xué)汽相淀積(LPVCD)SiN4，用來(lái)作為離子注入的光罩(mask)及后續(xù)工藝中定義η阱的區(qū)域(圖中2區(qū))。
[0044](2)將光刻膠涂在晶圓上之后，利用光刻技術(shù)將所要形成的η阱區(qū)的圖形定義出來(lái)。并用干法刻蝕的方法將上述定義的區(qū)域的SiN4去掉，形成η阱注入窗口。
[0045](3)利用離子注入的技術(shù)，將磷元素注入(2)步中所定義的窗口中，接著利用無(wú)機(jī)溶液，如硫酸或干式臭氧(O3)燒除法將光刻膠去除；并采用熱磷酸濕式刻蝕方法將SiN4去除掉。
[0046](4)離子注入之后會(huì)嚴(yán)重的破壞晶格的周期性，所以離子注入后必須經(jīng)過(guò)退火處理，以恢復(fù)晶格的完整性。
[0047]利用熱氧化方法在晶圓上形成高品質(zhì)的二氧化硅，作為為電極氧化層(圖中5區(qū))。
[0048](5)利用氧化技術(shù)，在晶圓表面形成一層氧化層，保護(hù)器件表面，免于受后續(xù)工藝的影響。涂布光刻膠后，利用光刻技術(shù)刻蝕出發(fā)光器件的P+有源區(qū)(圖中3區(qū))，與此同時(shí)形成η+有源區(qū)的屏蔽，再利用離子注入技術(shù)將硼元素注入該區(qū)域。
[0049](6)利用光刻技術(shù)刻蝕出發(fā)光器件的η+有源區(qū)(圖中4區(qū))，與此同時(shí)形成P+有源區(qū)的屏蔽，再利用離子注入技術(shù)將磷元素注入該區(qū)域，然后除去晶圓表面的光刻膠。
[0050]有源區(qū)的形狀為:沿軸線(xiàn)方向?yàn)殚L(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形一側(cè)為等腰三角形結(jié)構(gòu)，等腰三角形的頂端朝向?qū)ΨQ(chēng)有源區(qū)方向；長(zhǎng)方形區(qū)域?yàn)樾纬蓺W姆接觸的引出區(qū)域。等腰三角形最好為等腰直角三角形。
[0051](7)去除(5)步中生成的表面氧化物。之后利用退火技術(shù)，將經(jīng)離子注入過(guò)的n+區(qū)及P+區(qū)進(jìn)行電性活化及擴(kuò)散處理。
[0052](8)利用濺射工藝在整個(gè)晶圓表面進(jìn)行Ti淀積，然后利用自對(duì)準(zhǔn)硅化物工藝形成TiSi2，接著進(jìn)行濕法刻蝕除去多余的Ti并保留TiSi2，形成Si和金屬之間的歐姆接觸。
[0053](9)利用濺射工藝在整個(gè)晶圓表面進(jìn)行硼磷硅玻璃(BPSG)淀積并對(duì)整個(gè)晶圓表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化。然后進(jìn)行利用光刻技術(shù)定義接觸孔(圖中8區(qū))，再利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出接觸孔。接著利用濺射工藝，在接觸孔表面濺射一層TiN，并用W填充接觸孔。利用光刻技術(shù)定義出第一層金屬的屏蔽層(圖中6區(qū))。再將鋁金屬利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出第一層金屬導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)(圖中7區(qū))及金屬屏蔽層。將第一層金屬導(dǎo)線(xiàn)連接到PAD層(圖中10區(qū))。
[0054](10)重復(fù)(9)步刻蝕出第二層金屬導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)(圖中9區(qū))及金屬屏蔽層。將第二層金屬導(dǎo)線(xiàn)連接到PAD層(圖中10區(qū))。
[0055](11)然后將采用上述標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制成的芯片送到專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行劃片，將發(fā)光器件所在的芯片部分和其它的集成電路模塊所在的芯片部分劃開(kāi)分離。
[0056](12)通過(guò)引線(xiàn)鍵合技術(shù)，電鍍壓焊點(diǎn)(圖中10區(qū))，用細(xì)金線(xiàn)連接發(fā)光器件的PAD層(圖中10區(qū))和管殼的金屬引腳，最后封裝在管殼里(附圖6(b))，制成硅基發(fā)光器件。
【權(quán)利要求】
1.一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的硅基正向注入方法，其特征是，包括如下步驟: (1)采用輕摻雜的P型硅片作為襯底，晶向?yàn)椤?00〉，進(jìn)行熱氧化形成緩沖層；隨后在襯底上方低壓化學(xué)汽相淀積(LPVCD) SiN4，用來(lái)作為離子注入的光罩(mask)及后續(xù)工藝中定義η阱的區(qū)域； (2)將光刻膠涂在SiN4上之后，利用光刻技術(shù)將所要形成的η阱區(qū)的圖形定義出來(lái)，并用干法刻蝕的方法將上述定義的區(qū)域的SiN4去掉，形成η阱注入窗口 ； (3)利用離子注入的技術(shù)，將磷元素注入(2)步中所定義的窗口中，接著利用無(wú)機(jī)溶液將光刻膠去除；并采用熱磷酸濕式刻蝕方法將SiN4去除掉； (4)離子注入后進(jìn)行退火處理； (5)利用熱氧化方法在由襯底組成的晶圓上形成高品質(zhì)的二氧化硅，作為為電極氧化層；涂布光刻膠后，利用光刻技術(shù)刻蝕出發(fā)光器件的P+有源區(qū)，與此同時(shí)形成η+有源區(qū)的屏蔽，再利用離子注入技術(shù)將硼元素注入該區(qū)域； (6)利用光刻技術(shù)刻蝕出發(fā)光器件的η+有源區(qū)，與此同時(shí)形成P+有源區(qū)的屏蔽，再利用離子注入技術(shù)將磷元素注入該區(qū)域，然后除去晶圓表面的光刻膠； (7)去除(5)步中生成的表面氧化物，之后利用退火技術(shù)，將經(jīng)離子注入過(guò)的η+區(qū)及P+區(qū)進(jìn)行電性活化及擴(kuò)散處理； (8)利用濺射工藝在整個(gè)晶圓表面進(jìn)行Ti淀積，然后利用自對(duì)準(zhǔn)硅化物工藝形成TiSi2，接著進(jìn)行濕法刻蝕除去多余的Ti并保留TiSi2，形成Si和金屬之間的歐姆接觸； (9)利用濺射工藝在整個(gè)晶圓表面進(jìn)行硼磷硅玻璃(BPSG)淀積并對(duì)整個(gè)晶圓表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化。然后進(jìn)行利用光刻技術(shù)定義接觸孔，再利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出接觸孔；接著利用濺射工藝，在接觸孔表面濺射一層TiN，并用W填充接觸孔；利用光刻技術(shù)定義出第一層金屬的屏蔽層，再將鋁金屬利用活性離子刻蝕技術(shù)刻蝕出第一層金屬導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及金屬屏蔽層，將第一層金屬導(dǎo)線(xiàn)連接到PAD層； (10)重復(fù)(9)步刻蝕出第二層金屬導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及金屬屏蔽層；將第二層金屬導(dǎo)線(xiàn)連接到PAD層； (11)然后將采用上述標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制成的芯片送到專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行劃片，將發(fā)光器件所在的芯片部分和其它的集成電路模塊所在的芯片部分劃開(kāi)分離； (12)通過(guò)引線(xiàn)鍵合技術(shù)，電鍍壓焊點(diǎn)，用細(xì)金線(xiàn)連接發(fā)光器件的PAD層和管殼的金屬引腳，最后封裝在管殼里，制成娃基發(fā)光器件。
2.—種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的娃基正向注入發(fā)光器件,其特征是,結(jié)構(gòu)為:輕摻雜的P型硅片襯底上設(shè)置有一對(duì)P+有源區(qū)和一對(duì)n+有源區(qū)，每對(duì)有源區(qū)占一軸線(xiàn)，兩對(duì)有源區(qū)成十字分布；P型硅片襯底及有源區(qū)上部設(shè)置有二氧化硅電極氧化層；有源區(qū)上方區(qū)域的二氧化硅電極氧化層設(shè)置有通孔，通孔用于有源區(qū)通過(guò)TiSi2，形成和金屬之間的歐姆接觸引出后形成管腳。
3.如權(quán)利要求2所述的與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的硅基正向注入發(fā)光器件，其特征是，有源區(qū)的形狀為:沿軸線(xiàn)方向?yàn)殚L(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形一側(cè)為等腰三角形結(jié)構(gòu)，等腰三角形的頂端朝向?qū)ΨQ(chēng)有源區(qū)方向；長(zhǎng)方形區(qū)域?yàn)樾纬蓺W姆接觸的引出區(qū)域。
4.如權(quán)利要求2所述的與標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)兼容的娃基正向注入發(fā)光器件,其特征是,一對(duì)P+有源區(qū)中的一個(gè)作為載流子調(diào)制端，以此提高器件的發(fā)光強(qiáng)度。
【文檔編號(hào)】H01L21/266GK103996760SQ201410263672
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】毛陸虹, 謝榮, 張世林, 郭維廉, 謝生, 武雷, 崔猛 申請(qǐng)人:天津大學(xué)