專利名稱：光反射率受控的光電二極管元件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種尤其對于相干光的光反射率受控的光電二極管元件(cell)。該元件可以包括單個光電二極管或者制作在同一硅半導體襯底中的光電二極管矩陣光柵。該光電二極管元件包括制作在襯底中的用于接收光的至少一個光敏區(qū)域和制作在光敏區(qū)域上的鈍化層。鈍化層由至少氧化硅第一層和氮化物第二層構成。
本發(fā)明還涉及一種制造該光電二極管元件的方法。
背景技術：
當這種光電二極管元件在各種應用中被用于感應光，尤其來自激光器的相干光時，出現(xiàn)了光束在光電二極管上的反射率的問題。光束可以在鈍化層的氮化物第二層上部分反射，還可以在所述鈍化層的氧化硅第一層上部分反射。因此，通過干涉現(xiàn)象，可由此極大地降低光電二極管的由光敏區(qū)域感應的光的百分比。
在僅僅利用通過發(fā)光二極管產(chǎn)生的光的應用中，在保護層例如鈍化層上的光反射率是較不重要的。然而，與這種發(fā)光二極管相比，對于激光二極管，由光功率與電功率的比率定義的產(chǎn)率(yield)較好。因此，對于利用由光電二極管元件感應的來自激光二極管的光發(fā)射的器件，觀測到改善的性能。如果該器件由小尺寸的電池或蓄電池供電，這還可以降低電功率消耗。
提供相干光的激光二極管的另一優(yōu)點是，與發(fā)光二極管相比，激光二極管提供對比度更高的圖像。根據(jù)應用，可以有利地利用“斑紋(speckle)”。
制作在硅半導體襯底中的激光二極管和光電二極管元件的一種可能的應用可以是無線計算機鼠標。激光二極管產(chǎn)生反射到具有變化的粗糙度的表面上的光束，以便這些光束被光電二極管元件感應。該光電二極管元件可以是制作在同一半導體襯底中的光電二極管矩陣光柵。以這種方式，根據(jù)各光電二極管感應的強度，可以由此推斷出鼠標的移動方向或特定移動速度。
因為激光二極管產(chǎn)生的光是相干光，在光電二極管元件的不同保護層上的反射會干涉，這是缺點。根據(jù)保護層的厚度，反射百分比可能相當大。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是，為了克服上述缺點，提供一種光電二極管元件，以監(jiān)控光反射率。
因此，本發(fā)明涉及一種上述的光電二極管元件，其包括在權利要求1中所述的特征。
從屬權利要求2至9限定了有利的實施例。
根據(jù)本發(fā)明的光電二極管的一個優(yōu)點在于這樣的事實，通過控制鈍化層的氮化物第二層的厚度，可以獲得基本上恒定的反射率或恒定的反射率百分比。該恒定的反射率百分比與鈍化層的氧化硅第一層的厚度以及光敏區(qū)域與第一層之間的介電層的厚度無關。該恒定的反射百分比可以是接近25％的數(shù)值，該數(shù)值大大低于可以約為50％的最大反射率。
必須將所述氮化物層的厚度控制為所采用的制造方法和被感應的光波長的函數(shù)。對于光電二極管元件的各晶片以及對于各批晶片，在光電二極管元件制造工藝期間，檢查該厚度。
有利地，在所述光敏區(qū)域的至少一部分上方，將所述介電層或所述鈍化層的所述第一層蝕刻至第一厚度。在所述光敏層的第二部分上方，所述介電層或所述第一層具有第二厚度，所述第二厚度與所述第一厚度不同。在所述光敏區(qū)域的所述兩個部分上方的所述介電層或所述第一層的厚度差異作為在最小和最大光反射率百分比之間的所述氧化硅第一層的厚度差異的函數(shù)而被確定。
所述光敏區(qū)域的所述第一部分的尺寸可以等于所述光敏層的所述第二部分的尺寸。多個第一部分和多個第二部分可以有利地以鑲嵌，例如以方格(checkerboard)的形式，分布在所述光敏區(qū)域上方。以這種方式，對于其厚度不可控制的所述氧化物第一層和所述介電層，可以獲得平均光反射率百分比。
因此，本發(fā)明還涉及一種制造上述光電二極管元件的方法，其包括權利要求10中限定的特征。
從屬權利要求11至15限定了該方法的具體步驟。


在參考附圖的以下說明中，該光電二極管元件及其制造方法的目的、優(yōu)點和特征將更加清楚可見，其中圖1以簡化方式示出了感應部分光束的光電二極管元件的垂直截面，光束的其它部分在鈍化層和介電層的層上被反射；圖2示出了反射率隨鈍化層的氧化物第一層的厚度相對于鈍化層的氮化物第二層的厚度而變化的函數(shù)的圖；圖3以簡化方式示出了光電二極管元件的垂直截面，其中在半導體襯底的光敏區(qū)域上方僅僅制造鈍化層；圖4a和4b以簡化方式示出了根據(jù)本發(fā)明在光敏區(qū)域的第一和第二部分上具有兩種厚度介電層的光電二極管元件的垂直截面，以及示出了光敏區(qū)域上的兩個部分的元件的頂視圖；圖5以簡化方式示出了光電二極管元件的頂視圖，其中在光敏層上介電層的多個第一部分的厚度不同于多個第二部分的厚度；以及圖6以簡化方式示出了光電二極管元件的垂直截面，其中在光敏區(qū)域上方介電層被漸變(gradually)蝕刻。
具體實施例方式
在以下的說明中，因為公知制造這些光電二極管元件的各種步驟，將不對其進行詳細說明。將主要參考僅僅光電二極管元件的用于控制被感應光的反射率的結(jié)構。為了簡化，該元件包括單個光電二極管，即使其通常可包括光電二極管矩陣光柵。由該元件感應的光可以是通過未示出的激光二極管產(chǎn)生的相干光。
圖1示出了由單個光電二極管構成的光電二極管元件1的局部截面。該光電二極管元件1制作在半導體硅襯底2中。在制造方法期間，在同一晶片上可以制作多個光電二極管元件，但是下文中僅僅對一個光電二極管元件進行說明。
光電二極管元件1包括制作在具有P型電導率的硅半導體襯底2中的具有N型電導率的光敏區(qū)域3，例如n阱區(qū)域。該光敏區(qū)域能夠感應光束f例如由未示出的二極管激光器產(chǎn)生的相干光束的一部分。
在光敏區(qū)域3和包圍該光敏區(qū)域的部分襯底2的表面處制作氧化硅金屬間介電(IMD)層4。該透明層的厚度幾乎不可能控制，因為它還取決于在元件制造工藝期間采用的金屬化層8的數(shù)量。該制造工藝可以是0.5μm或0.18μm的TSMC型工藝。因此在各金屬化層次(level)之間獲得特定的介電層厚度?？偨殡妼雍穸瓤梢詾榧s5μm。
為了保護光電二極管元件的部件，在制造工藝步驟的最后，在介電層4上方沉積鈍化層。具體地說，該鈍化層由在介電層4上方的厚度為d1的氧化硅第一層SiO25和在該第一層上方的厚度為d2的氮化物第二層Si3N46構成。
當相干光束f必須通過光電二極管元件1的光敏區(qū)域3被感應時，光束的一部分fr在氮化物第二層6上、氧化硅層5上以及可能地在介電層4上被反射。該反射還部分地由保護層的不同折射率引起。因此，由光敏區(qū)域3感應僅僅特定百分比fc的光束f。
在圖2中，圖示出了光電二極管元件的光反射率隨氧化硅第一層的厚度d1相對于氮化物第二層的厚度d2而變化的函數(shù)。在圖2中，應注意，通過將氮化物第二層的厚度d2控制在兩個反射率最大值之間的確定余量(margin)中，可以獲得基本上恒定的反射率。該恒定的反射率與氧化物第一層的厚度無關，也與介電層的厚度無關。
由于在同一制造工藝期間可能觀測到晶片之間或批之間的特定差異，因此在各光電二極管元件晶片以及各批晶片的制造工藝期間，必須檢查該氮化物第二層的厚度。對于約為850nm的相干光波長，氮化物第二層的厚度d2可以具有210nm的M倍的數(shù)值，其中M是大于或等于1的整數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，通過控制該氮化物層，可以獲得這樣的光電二極管元件，相對于例如可以約為50％的最大值，其光反射率百分比接近25％，而與氧化硅層的厚度無關。這意味著按從0至1的比例，相對于最大值0.5，反射率為0.25，如圖2所示。因為反射率被很好地控制，這有利于光電二極管元件的校準和質(zhì)量鑒定步驟。
如果可以將介電層從光敏區(qū)域的表面完全去除，如圖3所示，還可以設想控制氧化硅第一層的厚度d1。通過如上文所述選擇氮化物第二層的厚度d2，還通過控制第一層的厚度d1，可以將反射率百分比降低至25％與20％之間。
當然，如果可以在沉積鈍化層之前去除介電層，將可以制造反射率百分比接近0％的光電二極管元件。為了利用約為850nm的光波長進行該制造，可以將氧化硅第一層的厚度d1控制為290nm的N倍的數(shù)值，其中N是大于或等于1的整數(shù)。在這種情況下，氮化物層的厚度d2將必須為例如約105m、315nm、525nm或735nm。
除了控制氮化物層的厚度d2以外，還可以進行化學蝕刻7至光敏區(qū)域上的介電層4的一部分A的第一厚度，如圖4a和4b所示。因此，在部分A上被蝕刻的介電層4與在光敏區(qū)域上的第二厚度處的部分B上的未被蝕刻的介電層之間，獲得厚度差異dc。該厚度差異作為在最小和最大光反射率百分比之間的氧化硅第一層5的厚度差異的函數(shù)而被確定。對約為850nm的光波長，該厚度差異dc可以約為145nm。
部分A和B的尺寸近似對應于光敏區(qū)域3的接收表面。接收表面可以是28μm乘28μm。優(yōu)選地，光敏區(qū)域3的第一光接收部分A的尺寸基本上等于光敏區(qū)域的第二光接收部分B的尺寸。以這種方式，對于這兩個部分，可以與介電層和氧化硅層的厚度波動無關地獲得光反射率百分比平均值。因此，光敏區(qū)域3的兩個光接收部分A和B中的一部分比另一部分更敏感。
如圖5以簡化方式所示，可以提供第一厚度的多個介電層部分A和第二厚度的多個介電部分B。這些第一和第二部分A和B以鑲嵌形式交替地分布在光敏區(qū)域上。從上方觀察，該鑲嵌結(jié)構可以形成方格，但也可以是三角形部分的設置。利用具有不同厚度的第一和第二層部分的這種分布，可以獲得更好的平均光反射率百分比。
應注意，代替蝕刻介電層，還可以蝕刻氧化硅第一層，以獲得具有不同厚度的層。此外，代替蝕刻操作，可以設想在光敏層的至少一部分上附加沉積介電層4或第一層。
圖6示出了光電二極管元件1的另一實施例的截面?？梢酝ㄟ^在光敏區(qū)域3的接收表面上方進行漸變化學蝕刻，蝕刻介電層4。被蝕刻的介電層4在光敏區(qū)域3上方具有變化的厚度。該厚度可以在光敏區(qū)域邊緣附近具有最大值，以及在光敏區(qū)域中心附近具有最小值。
當然，代替蝕刻介電層，還可以設想蝕刻鈍化層的氧化硅第一層。
還應注意，光電二極管元件的半導體襯底的電導率也可以是N型，其中制造P阱作為光敏區(qū)域。然而，N+光敏區(qū)域也可以制造在P阱區(qū)域中。還可以設想其它可能。
根據(jù)剛剛給出的說明，只要不脫離由權利要求限定的本發(fā)明范圍，本領域的技術人員可以設計出該光電二極管元件和制造所述元件的方法的多種變化。鈍化層也可以包括SiON層。
權利要求
1.一種光電二極管元件(1)，包括至少一個光敏阱區(qū)域(3)，制作在硅半導體襯底(2)中，用于接收相干光；至少一個氧化硅層(5)，制作在所述光敏區(qū)域上；以及在所述氧化硅層上的至少一個氮化物層(6)，所述光電二極管元件的特征在于，為了與所述氧化硅層的厚度無關地獲得反射率百分比基本上恒定的層，所述氮化物層的厚度在這樣的兩個厚度之間的確定余量內(nèi)，所述兩個厚度與依賴于被感應的所述相干光的波長的所述氮化物層的兩個連續(xù)反射率最大值對應。
2.根據(jù)權利要求1的光電二極管元件(1)，其特征在于，確定所述氮化物層的厚度，以使所述層光反射率百分比約為25％，與所述氧化硅層的厚度無關；以及在于，制作的所述氧化硅層在所述光敏區(qū)域上具有至少一個厚度變化(A，B；7’)。
3.根據(jù)權利要求1的光電二極管元件(1)，其特征在于，制作的所述氧化硅層在所述光敏區(qū)域的第一部分(A)上方具有至少一個第一厚度，以及在所述光敏區(qū)域的第二部分(B)上方具有至少一個第二厚度，所述第二厚度與所述第一厚度不同。
4.根據(jù)權利要求3的光電二極管元件(1)，其特征在于，所述氧化硅層由制作在所述光敏區(qū)域(3)上的至少一個氧化硅介電層(4)和在所述介電層上的氧化硅第一層(5)構成，所述第一層與所述氮化物第二層(6)構成鈍化層；以及在于，實現(xiàn)的所述介電層或所述鈍化層的所述第一層在所述光敏區(qū)域的第一部分(A)上方具有至少一個第一厚度，且在所述光敏區(qū)域的第二部分(B)上方具有至少一個第二厚度，所述第二厚度與所述第一厚度不同。
5.根據(jù)權利要求4的光電二極管元件(1)，其特征在于，基于與最小光反射率百分比對應的所述介電層或所述氧化硅第一層的厚度和與最大光反射率百分比對應的所述介電層或所述氧化硅第一層的厚度之間的厚度差異，確定所述光敏區(qū)域的所述兩個部分(A，B)上方的所述介電層或所述第一層的厚度差異。
6.根據(jù)權利要求3的光電二極管元件(1)，其特征在于，所述光敏區(qū)域(3)的所述第一光接收部分(A)的尺寸基本上等于所述光敏區(qū)域的所述第二光接收部分(B)的尺寸。
7.根據(jù)權利要求3的光電二極管元件(1)，其特征在于，所述氧化硅層的多個第一部分(A)具有第一厚度，所述氧化硅層的多個第二部分(B)具有第二厚度，以便以鑲嵌形式分布在所述光敏區(qū)域上方；以及在于，所有的所述第一部分(A)的尺寸基本上等于所有的所述第二部分(B)的尺寸。
8.根據(jù)權利要求1的光電二極管元件(1)，其特征在于，所述氧化硅層由制作在所述光敏區(qū)域(3)上的至少一個氧化硅介電層(4)和在所述介電層上的氧化硅第一層構成，所述第一層與所述氮化物第二層(6)構成鈍化層；以及在于，實現(xiàn)的所述介電層(4)在所述光敏區(qū)域上具有變化的厚度(7’)，所述氧化物層的厚度在所述光敏區(qū)域的邊緣附近為最大值，并且在所述光敏區(qū)域的中心附近為最小值。
9.根據(jù)權利要求1的光電二極管元件(1)，其能夠感應具有接近850nm的波長的來自激光源的相干光，特征在于，所述氮化物層(6)具有接近于210nm的M倍的厚度值，其中M是大于或等于1的整數(shù)。
10.一種制造根據(jù)以上權利要求中的任何一項的至少一個光電二極管元件(1)的方法，包括在所述硅半導體襯底(2)的能夠感應光的光敏阱區(qū)域(3)上實現(xiàn)至少一個氧化硅層(5)，以及在所述氧化硅層上實現(xiàn)氮化物層(6)，所述制造光電二極管元件的方法的特征在于，為了與所述氧化硅層的厚度無關地獲得反射率百分比基本上恒定的層，實現(xiàn)的所述氮化物層的厚度在這樣的兩個厚度之間的確定余量內(nèi)，所述兩個厚度與依賴于被感應的所述相干光的波長的所述氮化物層的兩個連續(xù)反射率最大值對應。
11.根據(jù)權利要求10的制造方法，其特征在于，實現(xiàn)的所述氮化物層具有這樣的厚度，以使所述層光反射率百分比約為25％，與在所述光敏區(qū)域上實現(xiàn)的所述氧化硅層的厚度無關；以及在于，制作的所述氧化硅層在所述光敏區(qū)域上具有至少一個厚度變化(A，B；7’)。
12.根據(jù)權利要求10的制造方法，其特征在于，制作的所述氧化硅層在所述光敏區(qū)域的第一部分(A)上方具有至少一個第一厚度，以及在所述光敏區(qū)域的第二部分(B)上方具有至少一個第二厚度，所述第二厚度與所述第一厚度不同。
13.根據(jù)權利要求12的制造方法，其特征在于，通過蝕刻(7)部分所述氧化硅層或通過附加沉積所述氧化硅層，獲得所述氧化硅層的厚度差異。
14.根據(jù)權利要求12的制造方法，其特征在于，在所述介電層上實現(xiàn)氧化硅第一層(5)之前，在所述光敏區(qū)域(3)上方實現(xiàn)作為部分所述氧化硅層的氧化硅介電層(4)；在于在所述光敏區(qū)域的至少一個第一部分(A)上方化學蝕刻所述介電層或所述氧化硅第一層，從而基于與最小光反射率百分比對應的所述介電層或所述氧化硅第一層的厚度和與最大光反射率百分比對應的所述介電層或所述氧化硅第一層的厚度之間的厚度差異，確定在所述第一部分上方的被蝕刻層與在所述光敏區(qū)域的所述第二部分(B)上方的所述介電層或所述第一層之間的厚度差異；以及在于，所述光敏區(qū)域(3)的所述第一光接收部分的尺寸基本上等于所述光敏區(qū)域的所述第二光接收部分的尺寸。
15.根據(jù)權利要求10的制造方法，其特征在于，實現(xiàn)的所述氧化硅層具有通過漸變化學蝕刻獲得的變化的厚度(7’)，以在所述光敏區(qū)域的邊緣附近具有最大厚度，且在所述光敏區(qū)域的中心附近具有最小厚度。
全文摘要
一種光電二極管元件(1)，包括至少一個光敏區(qū)域(3)，制作在硅半導體襯底(2)中，用于接收光，具體地說相干光；以及鈍化層和介電層(4)。所述鈍化層由制作在所述光敏區(qū)域上的至少一個氧化硅第一層(5)和氮化物第二層(6)構成。制作的所述氮化物第二層具有在確定余量內(nèi)的厚度，以便與所述第一層的厚度無關地位于具有最恒定的可能光反射率的范圍內(nèi)。為了獲得由所述光電二極管元件感應的光的反射率百分比平均值，可以在與所述光敏區(qū)域的接收表面的一半對應的所述介電層(4)的一部分上或所述第一層(5)上進行蝕刻(7)。
文檔編號H01L31/0216GK1921152SQ20061011599
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月22日 優(yōu)先權日2005年8月23日
發(fā)明者D·羅森菲爾德, M·維勒明 申請人:Em微電子-馬林有限公司