专利名称：提高灵敏度的光学半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学半导体器件，具体涉及灵敏度提高的光学半导体 器件。
背景技术：
为了实现记录装置中的高密度记录，对蓝色激光等短波长光的光 接收元件的开发一直在向前推进。另一方面，当作为光信号光源的半 导体激光器件的振荡中心波长较短时，用于接收激光的半导体的光吸 收系数变大，同时半导体的侵入(invasive)长度变短。因此，为了有 效地获得光生载流子，需要防止在半导体表面附近由于光生载流子复 合所导致的量子效率的降低。
日本特开专利公开(JP-P2004-87979A)公开了一种光接收元件及 其制造方法，以及一种电路内置式光接收元件，该技术旨在获得一种 对短波长光具有高灵敏度和高速响应的光接收元件。图1示出了现有 技术中电路内置式光接收元件结构的剖视图。该电路内置式光接收元 件120包含电阻率约为40Qcm的硅制P型半导体衬底101， P型高浓 度嵌入扩散层102，具有100Qcm或更高电阻率的P型高电阻率外延 层103，以及具有约l至5Qcm电阻率的N型外延层106，以上各层依 上述顺序叠层在P型半导体衬底101上。电路内置式光接收元件120 包含光电二极管区，以及与之相邻的双极元件区。光电二极管区(在 图中左侧)和晶体管元件区(在图中右侧)由P型嵌入分离扩散层104 和P型分离扩散层107分隔，其中P型嵌入分离扩散层104形成在P 型高电阻率外延层103中，以从与P型高浓度嵌入扩散层102的边界 到达与N型外延层106的边界，其中P型分离扩散层107形成为，从 与N型外延层106边界的表面到达P型嵌入分离扩散层104。
N型杂质扩散层108形成在光电二极管区中，其N型杂质扩散从 N型外延层106的表面的深度等于或小于0.3ixm (例如，0.3 wm)， 其杂质峰值浓度低于lX102()cm-3，例如，约8X10^cm—3。
N型嵌入扩散层105形成在晶体管元件区中，从而嵌入在P型高 电阻率外延层103的表面内。N型阱扩散层109和作为集电极层的N 型杂质扩散层108彼此相邻地形成在N型嵌入扩散层105上。基于P+ 的扩散层111与基于P的扩散层IIO相邻地形成，且与基于P的扩散 层110的两侧相邻，该基于P+的扩散层lll位于N型阱扩散层109中。 N型发射极扩散层112形成在基于P的扩散层IIO的区域中。
如上所述，用于保护表面的绝缘膜形成在N型外延层106的整个 表面上方，在N型外延层106中，分别形成光电二极管区的每一层和 晶体管元件区的每一层。用于保护表面的绝缘膜具有开口，分别位于 光电二极管区的N型杂质扩散层108和P型分离扩散层107、作为双 极晶体管区集电极上拉层的N型杂质扩散层108、基于P+的扩散层111、 以及N型发射极扩散层U2的上方。硬接线(电极)金属层114配置 在各个开口上。
由于根据N型杂质浓度梯度而产生的内电场，使得N型杂质扩散 层108中产生的光生载流子向耗尽层移动，从而使光电流流动。但是， 当N型杂质扩散层108中的杂质浓度较高时，光生载流子的寿命变短， 且在到达耗尽层前就复合消失。因此，光生载流子不能对光电流的产 生作出贡献，从而光接收元件的量子效率降低了。如上所述，当光的 吸收系数根据光波长的变短而增加且光进入半导体层的侵入长度变短 时，N型杂质扩散层108中产生的光生载流子增加了。因此，当N型 杂质扩散层108中的杂质浓度较高时，光接收元件量子效率的降低很 明显地显现出来。为了防止在高浓度杂质和扩散层中基于光生载流子 复合的量子效率的降低，对浓度分布曲线进行了优化。
第一种优化方式是，当N型杂质扩散层108中的杂质浓度较高时，
通过较浅地形成N型杂质扩散层108而建立陡的扩散分布曲线，从而 增强内电场。结果，与较深地形成N型杂质扩散层108的情形相比， 光生载流子向耗尽层移动速度加快了，从而光生载流子能在复合前移 动到耗尽层内。
第二种优化方式是，当较深地形成N型杂质扩散层108时，可通 过降低杂质浓度来延长光生载流子的寿命。从而，光生载流子能在未 复合的情况下移动到耗尽层内。
在上述的第一种和第二种方法中，都要求将峰值杂质浓度设置在 半导体表面上或者尽可能设置在接近表面处，以便能抑制载流子在N 型杂质扩散层108中的复合。为了实现上述要求，需要采用通过氧化 膜的离子注入法。然而，随着形成氧化膜，前置期被延长，因而增加 了生产成本。另外，由于需要对光接收部分以外的区域在高温下进行 热处理，例如电路元件，从而很难精确地控制光接收部分的扩散层。 因此，需要一项技术，其能以简单的方式和低成本的工艺制造光接收 元件，且该光接收元件能高灵敏度和高速响应地接收如蓝色激光等的 短波长光。
结合上述描述，日本特开专利公开(JP-P2003-92424A)公开了一 种分开的光接收元件， 一种电路内置式光接收元件，以及一种光盘装 置。该分开的光接收元件包含多个形成在第一导电类型半导体层上的 第二导电类型扩散层，而第二导电类型扩散层与第一导电类型半导体 层相互保持预定的间隔；泄漏防止层，其至少形成在第一导电类型半 导体层上的多个第二导电类型扩散层之间，且防止第二导电类型扩散 层之间发生泄漏；以及绝缘层，其至少形成如下区域中，所述区域是 光进入到包含第二导电类型扩散层和防止渗漏层的第一导电类型半导 体层上的区域。
日本特开专利公开(JP-A-Heisei 11-214668)公开了一种固体成像 装置和一种光接收元件。该固体成像装置包含第一导电类型半导体衬 底；多个形成在半导体衬底上的第二导电类型积累层，其用于积累入 射光产生的信号电荷；形成在积累层上侧的绝缘层；形成在绝缘层上 侧的光透明电极；电压提供装置，用于向光透明电极施加电势，并在 位于下方的积累层表面上形成反向层；信号传输装置，用于扫描积累 在积累层内的信号电荷，并将其作为图像信号向外部输出。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种光学半导体器件，其能高灵敏度和 高速响应地接收如蓝色激光等波长较短的光。
本发明的另外一个目的是提供一种光学半导体器件，其能以简单 的方式和低成本的工艺制造光接收元件，并能高灵敏度和高速响应地 接收如蓝色激光等波长较短的光。
在本发明的一个实施例中，光学半导体器件包含光电二极管，其 包含第一导电类型的第一半导体层；以及第二导电类型的沟道层，其 从光接收区中第一半导体层的表面部分开始形成。沟道层和光接收区 中的第一半导体层形成p-n结区。
在本发明的另一个实施例中，提供了光学半导体器件的工作方法 以及光学半导体器件，其包括第一导电类型的第一半导体层；形成在 半导体层表面部分的第二导电类型的第二半导体层；形成在第一半导 体层下的第一导电类型的第三半导体层；穿透第一半导体层到达第三 半导体层形成的第一导电类型的第四半导体层；位于第二半导体层上 的第一电极；以及位于第四半导体层上的第二电极。光学半导体器件 的工作方法是，在第一半导体层和第二半导体层之间施加反向偏移电 压，从而在第一半导体层表面部分形成第二导电类型的沟道层；以及
探测当光射入形成有pn结区的光接收区时产生的光电流。
根据本发明的实施例，提供了一种具有高灵敏度和高速响应的， 可作为蓝色激光等短波长光接收元件的光学半导体器件。提供了一种 具有高灵敏度和高速响应的，可作为短波长光接受元件的光学半导体 器件，且其能以简单的方式和低成本的工艺制造。
通过下述结合附图对一些优选实施例的描述，本发明的上述以及 其它发明目的、优点和特性将更加明显易懂
图1示出了传统电路内置式光接收元件结构的剖视图； 图2示出了根据本发明实施例的光学半导体器件结构的剖视图； 图3示出了根据本发明该实施例的光学半导体器件结构的平面图； 图4示出了根据本发明该实施例的光学半导体器件工作原理的剖
视图5A到5L示出了本发明该实施例的光学半导体器件制造方法的 剖视图6示出了本发明该实施例的光学半导体的工作的流程图；
具体实施例方式
下面参考附图对本发明的光学半导体器件进行描述。图2示出了 光学半导体器件的剖面图作为根据本发明的光学半导体器件构造的例
子，其在同一半导体衬底上形成了光电二极管和MOS晶体管。参考图 2，光电二极管区20包含P型半导体衬底1， P+型嵌入层2， P型外延 层3， P+型扩散层4， N+型扩散层5，反射防止膜6，场膜7，阳极8和 阴极9。另一方面，MOS晶体管区40包含N阱扩散层33， P+型扩散 层34，栅氧化膜+多晶硅栅35，保护绝缘膜36，以及漏/源电极37。另 外，在光电二极管区和MOS晶体管之间具有LOCOS (局部氧化硅)。
P型半导体衬底1例如是P型硅衬底。P+型嵌入层2被配置为覆盖P型半导体衬底1。 P+型嵌入层2被被示例为具有高杂质浓度的P型
硅层。P型外延层3被配置为覆盖P+型嵌入层2。 P型外延层3被示例 为具有大于100Qcm的高电阻率且具有低杂质浓度的硅层。P+型扩散 层4被配置为在光接收区外的预定位置从P型外延层3的表面穿透至 P+型嵌入层2的表面。P型外延层3的杂质浓度低于P+型嵌入层2和 P+型扩散层4的杂质浓度。P型外延层3被示例为具有高杂质浓度的P 型硅层。在光接收区之外的预定位置上，N+型扩散层5较浅地嵌在P 型外延层3表面中。N+型扩散层5被示例为具有高杂质浓度的N型硅 层。反射防止膜6被配置为覆盖光接收区中的P型外延层3的表面(沟 道区30的表面)。防止反射层6包含例如氧化硅膜等的氧化膜6b，以 及例如氮化硅膜等的氮化膜6a。依照接收光的波长设置这些膜的厚度， 以防止反射。场膜7被配置为覆盖除了光接收区以外的P型外延层3 的表面。场膜7包含例如氧化硅膜的氧化膜7b和例如氮化硅膜的氮化 膜7a。阳极8被配置为填充P+型扩散层4上的场膜7的开口，并到达 P+型扩散层4。阴极9被配置为填充N+型扩散层5上的场膜7的开口 ， 并到达N+型扩散层5。
N型阱扩散层33位于P型半导体衬底1中。P+型扩散层34被配 置为在N型阱扩散层33中。栅氧化膜+多晶硅栅35位于P型半导体衬 底1上，并嵌入在保护绝缘膜36中。漏/源电极37被配置为填充P+型 扩散层34上的开口 ，并到达P+型扩散层34。 LOCOS 32由氧化硅形成， 用于使光电二极管区20和MOS晶体管以及使多个MOS晶体管之间绝 缘。
图3示出了根据本发明实施例的光学半导体器件构造中的光电二 极管区20的平面图。在光电二极管区20中，阴极9和阳极8被配置 为围绕具有反射防止膜6的光接收区。利用场膜7完成对阴极9、阳极 8P型以及外延层3的表面之间的绝缘。
下面描述根据本发明实施例的光学半导体器件的工作。图4示出
了本发明实施例中的光学半导体器件的工作原理的剖视图。在本实施 例中，扩散层并未形成在光接收区中，并且通过在阳极8和阴极9之
间施加反极性偏压，从而在场膜7和反射防止膜6下面形成很浅的反 转层io，该反转层作为阴极扩散层。下面将进行更详尽的描述。
P型外延层3采用高电阻率(高于100Qcm)的硅膜，并且在阳 极8和阴极9之间施加大于预定电压的反向偏压E。从而在P型外延层 3的表面(沟道层30)上方，紧邻包含氧化膜7b和氮化膜7a的场膜7 以及包含氧化膜6b和氮化膜6a的反射防止膜6下方，形成很浅的反转 层(N+沟道)10。该很浅的反转层IO起阴极扩散层的作用。也就是说， 当接收到光时，由于在反转层10内部产生光生载流子，且由于浓度梯 度而产生的内电场，所产生的光生载流子移动进入耗尽层11，因此光 电流在P+型嵌入层2、 P+型扩散层4和反转层10之间流动通过p-n结。 此时，当施加反向偏压时，耗尽层11将延伸到高电阻率层一侧。因此， 光电二极管(P+型嵌入层2、 P+型扩散层4和反转层(N+沟道)10)的 电容减小，从而能同时实现高速响应。
众所周知，"+ "电荷易于出现在场膜7和反射防止膜6的氧化膜 (Si02) 7b和6b中。因此，存在如下的情形，即，由于氧化膜7b和 6b中"+ "电荷对空穴的推动作用，因此导致在P型外延层3和氧化膜 7b和6b边界附近的P型外延层3的表面上缺少空穴。从而，沿着边界 形成了空穴浓度很低的层。在这种情况下，当在阳极8和阴极9之间 施加反向偏压E时，由于通过氧化膜7b和6b而施加的正电压，因此 边界附近的P型外延层3的P—区变成耗尽层。进一步地，当施加高强 度反向偏压时，由于电子在边界处聚集，从而出现了 N型反转层10。 于是，在P+型嵌入膜2、 P+型扩散层4以及反转层10之间实现了 p-n 结。当反转层IO作为光接收元件的阴极扩散层时，不需要通过如离子 注入等方法形成阴极扩散层。另外，由于反转层IO形成地很浅，可以 防止由于P型外延层3表面上的复合而导致的量子效率的降低，从而 能形成高灵敏度的光接受元件。因此，无需在光接收区形成很浅的扩
散层。由于不形成扩散层，就能防止在形成除光接收区之外的元件时 在高温下进行热处理带来的影响。
图5A到5L示出了在本发明实施例中的光学半导体器件制造方法 的剖视图。参考图5A，首先制备p型硅的P型半导体衬底1，其电阻 率约为30Qcm (杂质浓度4.44X10"cm—3)。然后，通过杂质扩散的 方法形成P+型嵌入层2，以便覆盖P型半导体衬底1。 P+型嵌入层2的 表面电阻约为100Q/口。之后，通过外延生长的方法形成P型外延层3， 以便覆盖P+型嵌入层2。此时，P型外延层3的电阻率约为100Qcm或 更高(杂质浓度小于1.33X10"cm—3)。随后，通过在P型外延层3 的表面进行热氧化而形成氧化硅的氧化膜12。
参考图5B，形成光致抗蚀剂层13以覆盖氧化膜12，并通过光刻 工艺在光致抗蚀剂13上实施图案化。通过离子注入法或者杂质扩散法 形成P+型扩散层4，从而在光致抗蚀剂13的开口中从P型外延层3的 表面向P型半导体衬底1延伸。此时，P+型扩散层4的杂质浓度约为 2.0X 1019cm-3。
参考图5C，去除光致抗蚀剂13和氧化膜12后，通过热处理工艺 使P+型扩散层4中的P型杂质和P+型嵌入层2中的P型杂质相互扩散， 并被活化。从而，P+型扩散层4和P+型嵌入层2相连。
参考图5D，通过对P型外延层3和P+型扩散层4的表面进行热氧 化，从而形成了氧化硅的氧化膜14。参考图5E，形成光致抗蚀剂层15 以覆盖氧化膜14，并通过光刻工艺在光致抗蚀剂层15上形成图案。通 过这一工艺，在光致抗蚀剂15中形成开口 16。参考图5F，通过离子 注入法或者杂质扩散法，在光致抗蚀剂层15的开口 16中，在P型外 延层3的表面区域中形成N+型扩散层5。此时，N+型扩散层5的杂质 浓度约为2.0X1019cm-3o
参考图5G，随后，去除光致抗蚀剂15和氧化膜14后，通过热处 理工艺使N+型扩散层5中的n型杂质扩散并活化。之后，通过对P型 外延层3和P+型扩散层4的表面进行热氧化，形成了氧化硅的氧化膜 7b。此时，氧化膜7b的膜厚约为50nm。氧化在1050"C和5%的H2的 气体中采用ISSG (现场蒸气产生技术)方法进行。随后，通过CVD 方法形成氮化硅的氮化膜7a，以覆盖氧化膜7b。此时，氮化膜7a的膜 厚约为180nm。
参考图5H，形成光致抗蚀剂层17以覆盖氮化膜7a，并通过光刻 工艺对光致抗蚀剂层17进行图案化。通过利用干蚀刻，在光致抗蚀剂 层17的开口 18中去除氮化膜7a和氧化膜7b。于是，在开口 18处，P 型外延层3的表面暴露。该暴露的区域就是光接收区。另外，场膜7 被形成为氧化膜7b和氮化膜7a的层叠膜。
参考图51，之后，通过CVD方法形成氧化硅的氧化膜6b以覆盖 P型外延层3的暴露区域。此时，氧化膜6b的膜厚约为10nm。随后， 通过CVD方法形成氮化硅的氮化膜6a以覆盖氧化膜6b。此时，氮化 膜6a的膜厚约为40nm。之后，通过去除光致抗蚀剂层17，也去除了 光致抗蚀剂层17上的氧化膜6b和氮化膜6a。结果，在光接收区中形 成了反射防止膜6，其作为氧化膜6b和氮化膜6a组成的层叠膜。氧化 膜6b和氮化膜6a的膜厚根据待接收光的波长事先确定。
参考图5J，形成光致抗蚀剂层19，以便覆盖场膜7和反射防止膜 6，并通过光刻工艺对光致抗蚀剂19进行图案化。由此，在光致抗蚀 剂19中形成开口 24和21。参考图5K，进而，在光致抗蚀剂层19的 开口24和21内，通过干蚀刻在场膜7中形成通孔22和23。此时，通 孔22形成在N+型扩散层5上，从而可以暴露N+型扩散层5。通孔23 形成在P+型扩散层4上，从而可以暴露P+型扩散层4。参考图5L，之 后，通过光刻工艺、金属膜成形工艺以及光致抗蚀剂去除工艺，配置 阴极9以填充开口部分22并到达N+型扩散层5，以及配置阳极8以填
充开口部分23并到达P+型扩散层4。
通过上述工艺，制造出光电二极管区20。
下面描述本发明的光学半导体器件的工作方法。图6示出了本发 明实施例中光学半导体器件工作的流程图。首先，制备光学半导体器 件(图2)(步骤SOl)。之后，通过在阳极8和阴极9之间施加反向 偏压E，光学半导体器件(图4)被设置为准备就绪等待测量的状态(步 骤S02)。由此，在紧邻场膜7和反射防止膜6之下的P型外延层3 表面上，，形成了很浅的反转层(N+沟道)10。该很浅的反转层10起 阴极扩散层的作用。通过照射待测量光，光学半导体器件(图4)接收 光(步骤03)。当光到达P型外延层3表面，由于接收到光，因此在 反转层10内部产生了光生载流子，在由浓度梯度产生的内部电场作用 下，光生载流子进入耗尽层11，因此形成流过P+型嵌入层2、 P+型扩 散层4和反转层(N+沟道)10之间的p-n结的光电流。测量通过如下 的方式完成，从阳极8经P+型嵌入层2和P+型扩散层4产生了光电流， 并对该光电流进行测量。
在本发明中，通过利用P型外延层3中高电阻的硅，以及通过在 阳极8和阴极9之间施加反向偏压E，从而在场膜和反射防止膜下形成 了很浅的反转层(N+沟道)10。通过与P型扩散层(P+型嵌入层2和 P+型扩散层4)的p-n结，所形成的N+沟道(反转层10)起到光接收 区的作用。因此，即便短波长入射光在半导体中的侵入长度较短，由 于所形成的很浅的N+沟道起到阴极扩散层的作用，因此防止了由于光 生载流子的复合而导致的量子效率降低，从而光生载流子能高效地转 化成光电流。
根据本发明，如蓝色激光等短波长的光能被高灵敏度和高速响应 地接收。另外，能以简单的方式和低成本的工艺制造高灵敏度和高速 响应地接收如蓝色激光等短波长光的光接收器件。
虽然本发明通过上述多个实施例进行描述，但是对于所属领域的 技术人员，很明显地这些实施例的提供仅是为了说明本发明，而不应 依赖它们而对所附权利要求进行限制性地理解。
权利要求
1.一种光学半导体器件，包含光电二极管，包含第一半导体层，其为第一导电类型；以及沟道层，其为第二导电类型，从光接收区内所述第一半导体层的表面部分形成，其中所述光接收区内的所述第一半导体层和所述沟道层形成了p-n结区。
2. 如权利要求1所述的光学半导体器件，进一步包含 第二半导体层，其为所述第二导电类型；以及 透光绝缘膜，其形成在所述光接收区内的所述第一半导体层上， 其中当在所述第一和第二半导体层之间施加反向偏压时，在所述透光绝缘膜之下的所述第一半导体层的表面区域内形成所述沟道层。
3. 如权利要求2所述的光学半导体器件，其中所述第二半导体层 被形成为围绕所述光接收区。
4. 如权利要求2所述的光学半导体器件，进一步包含 第三半导体层，其为所述第一导电类型，其形成在所述第二半导体层的外部，从而围绕所述第二半导体层。
5. 如权利要求2到4任一项所述的光学半导体器件，其中所述第 一导电类型是P型，并且所述第二导电类型是N型。
6. 如权利要求2到4任一项所述的光学半导体器件，其中所述绝缘膜是氧化硅膜。
7. 如权利要求2到4任一项所述的光学半导体器件，其中所述第 一半导体层的电阻率是lOOQcm或更大。
8. 如权利要求2到4任一项所述的光学半导体器件，进一步包含 第四半导体层，其为所述第一导电类型，形成在所述第一半导体层下，并与所述第三半导体层相连。
9. 如权利要求8所述的光学半导体器件，其中所述第一半导体层的杂质浓度低于所述第三和第四半导体层的杂质浓度。
10. 如权利要求2到4任一项所述的光学半导体器件，其进一步包含晶体管，该晶体管形成在半导体衬底上，在该半导体衬底上或其 上方形成有所述光电二极管。
11. 一种光电半导体器件的工作方法，包含 提供所述光学半导体器件，其包含第一半导体层，其为第一导电类型；第二半导体层，其为第二导电类型，形成在所述半导体层上的 表面部分中；第三半导体层，其为第一导电类型，形成在所述第一半导体层下；第四半导体层，其为第一导电类型，形成为穿过所述第一半导 体层到所述第三半导体层；第一电极，位于所述第二半导体层上；以及第二电极，位于所述第四半导体层上， 在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间施加反向偏压，从 而在所述第一半导体层的表面部分中形成第二导电类型的沟道层；以 及检测当光被输入到其中形成有pn结区的光接收区中时所产生的光电流。
12.如权利要求11所述的工作方法，其中所述检测包含: 检测当蓝色光输入到所述光接收区中时所产生的光电流。
全文摘要
一种光学半导体器件，包含光电二极管，其包含第一导电类型的第一半导体层；以及从光接收区内第一半导体层的表面区域开始形成的第二导电类型的沟道层。沟道层和光接收区内的第一半导体层形成p-n结区(图2)。
文档编号H01L27/146GK101110456SQ20071010645
公开日2008年1月23日 申请日期2007年5月29日 优先权日2006年5月29日
发明者岩井刚 申请人:恩益禧电子股份有限公司