与标准CMOS技术兼容的硅基正向注入方法及发光器件

摘要

本发明涉及硅基发光电子器件技术领域，为提供一种基于标准CMOS工艺的硅基发光器件，它既可以反向偏置发光，又可以正向偏置注入发光，而且正向注入发光功率密度大、效率高。为此，本发明采取的技术方案是，与标准CMOS技术兼容的硅基正向注入器件，轻掺杂的p型硅片衬底上设置有一对p

说明书

技术领域

本发明涉及硅基发光电子器件技术领域，具体讲，涉及与标准CMOS技术兼容的硅基正向 注入发光器件。

技术背景

在硅基发光的各种器件结构中，与CMOS工艺兼容的发光器件结构占据着一个重要的地 位。尽管这种器件结构发光强度和转换效率尚不够理想，然而由于其与CMOS工艺兼容，可 以同其它的硅基无源光电子器件和微电子器件制备在同一芯片上，形成光电子集成电路 (OEIC)。由于高效的硅基发光器件(Si-LEDs)和光探测器是实现OEIC的基础和核心，随 着当前VLSI和ULSI的不断发展，因此这种发光器件仍然具有很大的发展潜力。

在已研发的与CMOS工艺兼容的Si-LEDs中，采用反向击穿发光机理制作的Si-LEDs占 主要部分。反向击穿发光的Si-LEDs分为：n⁺-p结雪崩击穿Si-LEDs，n⁺-p⁺结齐纳击穿Si-LEDs 及n⁺-p结齐纳击穿和表面击穿Si-LEDs。上述器件都采用了高能量热载流子的发光机制，其 击穿电压较大，存在直流损耗，不适合与集成电路(IC)结合。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种基于标准CMOS工艺的硅基发光器件，它既可以反 向偏置发光，又可以正向偏置注入发光，而且正向注入发光功率密度大、效率高。为此，本 发明采取的技术方案是，与标准CMOS技术兼容的硅基正向注入方法，包括如下步骤：

(1)采用轻掺杂的p型硅片作为衬底，晶向为<100>，进行热氧化形成缓冲层；随后在衬 底上方低压化学汽相淀积(LPVCD)SiN₄，用来作为离子注入的光罩(mask)及后续工艺中 定义n阱的区域；

(2)将光刻胶涂在SiN₄上之后，利用光刻技术将所要形成的n阱区的图形定义出来，并 用干法刻蚀的方法将上述定义的区域的SiN₄去掉，形成n阱注入窗口；

(3)利用离子注入的技术，将磷元素注入(2)步中所定义的窗口中，接着利用无机溶液 将光刻胶去除；并采用热磷酸湿式刻蚀方法将SiN₄去除掉；

(4)离子注入后进行退火处理；

(5)利用热氧化方法在由衬底组成的晶圆上形成高品质的二氧化硅，作为为电极氧化层； 涂布光刻胶后，利用光刻技术刻蚀出发光器件的p⁺有源区，与此同时形成n⁺有源区的屏蔽， 再利用离子注入技术将硼元素注入该区域；

(6)利用光刻技术刻蚀出发光器件的n⁺有源区，与此同时形成p⁺有源区的屏蔽，再利用 离子注入技术将磷元素注入该区域，然后除去晶圆表面的光刻胶；

(7)去除(5)步中生成的表面氧化物，之后利用退火技术，将经离子注入过的n⁺区及 p⁺区进行电性活化及扩散处理；

(8)利用溅射工艺在整个晶圆表面进行Ti淀积，然后利用自对准硅化物工艺形成TiSi₂， 接着进行湿法刻蚀除去多余的Ti并保留TiSi₂，形成Si和金属之间的欧姆接触；

(9)利用溅射工艺在整个晶圆表面进行硼磷硅玻璃(BPSG)淀积并对整个晶圆表面进行化 学机械平坦化。然后进行利用光刻技术定义接触孔，再利用活性离子刻蚀技术刻蚀出接触孔； 接着利用溅射工艺，在接触孔表面溅射一层TiN，并用W填充接触孔；利用光刻技术定义出 第一层金属的屏蔽层，再将铝金属利用活性离子刻蚀技术刻蚀出第一层金属导线的结构及金 属屏蔽层，将第一层金属导线连接到PAD层；

(10)重复(9)步刻蚀出第二层金属导线的结构及金属屏蔽层；将第二层金属导线连接 到PAD层；

(11)然后将采用上述标准CMOS工艺制成的芯片送到专业机构进行划片，将发光器件 所在的芯片部分和其它的集成电路模块所在的芯片部分划开分离；

(12)通过引线键合技术，电镀压焊点，用细金线连接发光器件的PAD层和管壳的金属 引脚，最后封装在管壳里，制成硅基发光器件。

与标准CMOS技术兼容的硅基正向注入发光器件，结构为：

轻掺杂的p型硅片衬底上设置有一对p⁺有源区和一对n⁺有源区，每对有源区占一轴线， 两对有源区成十字分布；p型硅片衬底及有源区上部设置有二氧化硅电极氧化层；有源区上 方区域的二氧化硅电极氧化层设置有通孔，通孔用于有源区通过TiSi₂，形成和金属之间的欧 姆接触引出后形成管脚。

有源区的形状为：沿轴线方向为长方形，长方形一侧为等腰三角形结构，等腰三角形的顶 端朝向对称有源区方向；长方形区域为形成欧姆接触的引出区域。

一对p⁺有源区中的一个作为载流子调制端，以此提高器件的发光强度。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明正向注入Si-LEDs发射近红外光，不易被体硅本身吸收，有利于获得高发射光功 率和提高外量子效率。制作和实现高效率高光功率密度的硅基光源，将在光电技术领域得到 重大突破，开创全新硅基光学信息时代。

附图说明

为进一步说明本专利的技术内容，以下结合附图及实施例详细说明于后，其中：

附图1是本发明提供的硅基正向注入发光器件一的结构图(上方为器件俯视图；下方为 与之对应的剖视图)。

附图2是本发明提供的硅基正向注入发光器件二的结构图(上方为器件俯视图；下方为 与之对应的剖视图)。

附图3是本发明提供的硅基正向注入发光器件三的结构图(上方为器件俯视图；下方为 与之对应的剖视图)。

附图4是本发明提供的硅基正向注入发光器件的需要进行有源区掺杂的区域。

附图5是本发明提供的硅基正向注入发光器件的IC显微照片。

附图6是本发明提供的硅基正向注入发光器件的引线键合及封装照片。

附图7是本发明提供的硅基正向注入发光器件的正向注入发光功率图。

附图8是本发明提供的硅基正向注入发光器件的正向注入发光光谱图。

附图标记如下：

1、p衬底；2、n阱；3、p⁺有源区；4、n⁺有源区；5、SiO₂氧化层；6、金属屏蔽层；7、 第一层金属；8、接触孔，填充W；9、第二层金属；10、PAD层(焊盘)。

具体实施方式

本发明提出的正向注入发光器件可改善上述的不足。正向注入发光的Si-LEDs由于是正 向偏置，故工作电压很低，可以与VLSI(3.3V)和ULSI(2.5V)电源电压兼容，亦可能与 掺Er，掺FeSi2，位错环(DL)等发光机制兼容和并用。正向注入Si-LEDs发射近红外光， 不易被体硅本身吸收，有利于获得高发射光功率和提高外量子效率。制作和实现高效率高光 功率密度的硅基光源，将在光电技术领域得到重大突破，开创全新硅基光学信息时代。

本发明的目的是提供一种基于标准CMOS工艺的硅基发光器件，它既可以反向偏置发光， 又可以正向偏置注入发光，而且正向注入发光功率密度大、效率高。

本发明是一种p⁺-n结型硅基发光器件，其特征在于：

①该器件在p⁺-n结正向注入模式实现硅基发光，发射近红外光，减少了硅本身对光子的 吸收，光谱峰值位于1150nm。所设计器件采用标准CMOS工艺实现。

②器件结构采用了n⁺有源区与p⁺有源区的四端锲型结构，嵌入n阱，构成p⁺-n结。器件 所有n⁺有源区和p⁺有源区都分别连接到金属作欧姆接触后引出，作为电极使用。

③从发光角度考虑，该器件所有掺杂区域均为楔形，目的是利用尖端效应增强电场，同 时由于电场限制效应使得发光区域更为集中。

④为了提高发光区域内的电场强度，p⁺区的顶端做成针尖形状，可使局部区域达到倍增 效应所需的电场强度，从而利用倍增效应提高器件的发光强度。

⑤当一个p⁺掺杂区和相邻n⁺掺杂区构成p⁺-n结发光时，为了提高发光区域内的载流子浓 度，可以让另外一个p⁺掺杂区作为载流子调制端，以此提高器件的发光强度。

本发明用联华电子公司(UMC)提供的0.18μm标准CMOS工艺(1P6M)设计和制备。 以下结合附图对本发明提供的正向注入Si-LED的制备过程进行详细描述：

(1)采用轻掺杂的p型硅片作为衬底((图中1区))，晶向为<100>，进行热氧化形成缓 冲层。从而减少下一步淀积SiN₄在硅表面造成的应力，随后低压化学汽相淀积(LPVCD)SiN₄， 用来作为离子注入的光罩(mask)及后续工艺中定义n阱的区域(图中2区)。

(2)将光刻胶涂在晶圆上之后，利用光刻技术将所要形成的n阱区的图形定义出来。并 用干法刻蚀的方法将上述定义的区域的SiN₄去掉，形成n阱注入窗口。

(3)利用离子注入的技术，将磷元素注入(2)步中所定义的窗口中，接着利用无机溶液， 如硫酸或干式臭氧(O₃)烧除法将光刻胶去除；并采用热磷酸湿式刻蚀方法将SiN₄去除掉。

(4)离子注入之后会严重的破坏晶格的周期性，所以离子注入后必须经过退火处理，以 恢复晶格的完整性。

利用热氧化方法在晶圆上形成高品质的二氧化硅，作为为电极氧化层(图中5区)。

(5)利用氧化技术，在晶圆表面形成一层氧化层，保护器件表面，免于受后续工艺的影 响。涂布光刻胶后，利用光刻技术刻蚀出发光器件的p⁺有源区(图中3区)，与此同时形成 n⁺有源区的屏蔽，再利用离子注入技术将硼元素注入该区域。

(6)利用光刻技术刻蚀出发光器件的n⁺有源区(图中4区)，与此同时形成p⁺有源区的 屏蔽，再利用离子注入技术将磷元素注入该区域，然后除去晶圆表面的光刻胶。

有源区的形状为：沿轴线方向为长方形，长方形一侧为等腰三角形结构，等腰三角形的 顶端朝向对称有源区方向；长方形区域为形成欧姆接触的引出区域。等腰三角形最好为等腰 直角三角形。

(7)去除(5)步中生成的表面氧化物。之后利用退火技术，将经离子注入过的n⁺区及 p⁺区进行电性活化及扩散处理。

(8)利用溅射工艺在整个晶圆表面进行Ti淀积，然后利用自对准硅化物工艺形成TiSi₂， 接着进行湿法刻蚀除去多余的Ti并保留TiSi₂，形成Si和金属之间的欧姆接触。

(9)利用溅射工艺在整个晶圆表面进行硼磷硅玻璃(BPSG)淀积并对整个晶圆表面进行化 学机械平坦化。然后进行利用光刻技术定义接触孔(图中8区)，再利用活性离子刻蚀技术刻 蚀出接触孔。接着利用溅射工艺，在接触孔表面溅射一层TiN，并用W填充接触孔。利用光 刻技术定义出第一层金属的屏蔽层(图中6区)。再将铝金属利用活性离子刻蚀技术刻蚀出第 一层金属导线的结构(图中7区)及金属屏蔽层。将第一层金属导线连接到PAD层(图中 10区)。

(10)重复(9)步刻蚀出第二层金属导线的结构(图中9区)及金属屏蔽层。将第二层 金属导线连接到PAD层(图中10区)。

(11)然后将采用上述标准CMOS工艺制成的芯片送到专业机构进行划片，将发光器件 所在的芯片部分和其它的集成电路模块所在的芯片部分划开分离。

(12)通过引线键合技术，电镀压焊点(图中10区)，用细金线连接发光器件的PAD层 (图中10区)和管壳的金属引脚，最后封装在管壳里(附图6(b))，制成硅基发光器件。