光電壓產生器的制作方法

專利名稱：光電壓產生器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電壓產生器，尤其涉及一種具有以下優點的光電壓產生器高光電轉換效率、低串聯電阻、電路布局設計簡易、以及可和其他元件集成于同一芯片內而無須增加光刻工藝來作元件隔離。
光電壓產生器是一種廣泛使用的光電元件，不但可以用來感測光的存在，也可以利用光來產生電源。
光電壓產生器主要的操作方式是利用pn接面形成的耗盡區(depletion region)來操作，當外界光源照射到光電壓產生器時，元件內部會被此外界光源激發而產生電子空穴對(electron-hole pairs)，而耗盡區內的內建電位(built-in potential)產生的電場會將耗盡區內的電子空穴對分離，此時就形成了光激發電流(photogeneratedcurrent)。而此光激發電流所形成的電源就可以利用來驅動外界的電路。


圖1A是一種典型的傳統光電壓產生器的剖面圖，其中包含襯底11、氧化層12、p型雜質擴散區13、高濃度n型雜質擴散區14、氧化層15以及金屬層16。
在圖1A中，氧化層12將襯底11的表面上各個預定區域予以隔離，p型雜質擴散區13和高濃度n型雜質擴散區14則在各個已隔離的區域內pn接面，金屬層16則將高濃度n型雜質擴散區14連接到下一pn接面的p型雜質擴散區13，因而形成了多個pn接面的串聯，而氧化層15則用來隔離金屬層16以避免同一區域內的p型雜質擴散區13和高濃度n型雜質擴散區14被金屬層16連接而短路。
圖1B是圖1A的傳統光電壓產生器的平面示意圖。在圖1B中，17代表正電極，18代表負電極，每個方塊區域代表圖1A中每個隔離的區域(即包含一個pn接面的區域)，其中負電極18可以連接到下一級的正電極17，以達到串聯多個pn接面的效果。
由圖1A中可以清楚看到，每個區域(一個pn接面的區域)是利用氧化層12來隔離(isolation)，這種平面隔離工藝不僅工藝合格率低，工藝也比較復雜，而且也在硅襯底表面上浪費了許多面積，因而也提高了制造的成本。
美國專利公報第5，633，536號中揭示了另一種光電壓產生器，此光電壓產生器使用了類似SOI(silicon on insulator)的晶片作襯底，而利用SOI中的絕緣層當作隔離，因而解決了傳統光電壓產生器的隔離技術所衍生的低合格率以及高成本的問題。然而，此改進的光電壓產生器的制造工藝過于復雜，而且并未提出更有效的提高光電轉換效率的方法。另外，此改進的光電壓產生器使用的同心狀的平面結構，如圖2，不但難以作平面電路布局的設計，同時許多電性應用參數均受限于面積最小的pn接面(亦即最內圈的pn接面)，如最大光激發電流等等，因而限制了此種光電壓產生器的應用范圍。
另外，光電壓產生器通常需要和一些外部電路一起配合來使用。而在傳統技術中，如果要把光電壓產生器和一些電路元件集成在一芯片中，則必須在光電壓產生器和這些電路元件各別的工藝之外，加入各元件隔離的工藝，因而造成工序數的增加。
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種光電壓產生器，其具有高光電轉換效率的優點，且無須太過復雜的工藝。
本發明另一目的在于提供一種光電壓產生器，其在平面電路布局上易于控制及設計。
另外，本發明另一個目的在于提供一種光電壓產生器，其可和其他元件集成于同一芯片內而無須增加光刻工藝來作元件隔離。
本發明涉及一種光電壓產生器，此光電壓產生器包含一襯底；一絕緣層，設置在該襯底上；其中，延伸到第一雜質擴散層的第三雜質擴散層可以增加pn接面的面積，同時也增加了光電轉換效率。
另外，為了提高元件對光的吸收效率，也增加第一和第二雜質擴散層在襯底垂直方向的高度，但此時第二雜質擴散層因工藝上的考慮，需使用高濃度雜質擴散層。
為了實現本發明另一實施方式，第一雜質擴散層和該第二雜質擴散層是彼此交互配置而平行線性排列為一光電壓產生器陣列。而此結構的光電壓產生器陣列對電路布局設計者而言是相當容易設計的。
上述平行線性排列的光電壓產生器陣列利用在周邊區域形成臺面式結構(mesa structure)來隔離，此工藝不但比較簡單，而且更提高了工藝上的合格率。
為了實現本發明另一實施方式，此光電壓產生器陣列可和其他電子零部件集成在同一芯片內。而其元件隔離可以利用在第二雜質擴散層的接面形成時，利用同一工藝來進行接面隔離，以節省制造成本。
圖1是傳統光電壓產生器，其中圖1A是傳統光電壓產生器剖面圖，圖1B是傳統光電壓產生器平面示意圖；圖2是另一傳統光電壓產生器的平面圖；圖3是本發明實施例的光電壓產生器的結構剖面圖；圖4是本發明實施例的光電壓產生器的工藝剖面圖；圖5是本發明實施例的光電壓產生器在圖4之后的工藝剖面圖；圖6是本發明實施例的光電壓產生器在圖5之后的工藝剖面圖；圖7是本發明實施例的光電壓產生器在圖6之后的工藝剖面圖；圖8是本發明實施例的光電壓產生器在圖7之后的工藝剖面圖；圖9是本發明實施例的光電壓產生器在圖8之后的工藝剖面圖；圖10是本發明實施例的光電壓產生器在圖9之后的工藝剖面圖；圖11是本發明實施例的光電壓產生器在圖10之后的工藝剖面圖；以及圖12是本發明實施例的光電壓產生器的立體示意圖。
接下來利用附圖來說明本發明實施例的光電壓產生器的工作方式以及制造方法。
圖3是本發明實施例的光電壓產生器，其中包含一襯底31；一絕緣層32，位于襯底31上；n-雜質擴散層33位于絕緣層32上；p+雜質擴散層34位于絕緣層32上，且和n-雜質擴散層33在和襯底平行的方向形成多個縱向pn接面；p雜質擴散層35，連接到p+雜質擴散層34且延伸到n-雜質擴散層33；n+雜質擴散層36，連接到n-雜質擴散層33；隔離層37，適當地隔離各個區域；以及，薄膜電極層38，用以串聯各個pn接面。
在圖3中，采用了SOI晶片的平面氧化層來作隔離(即是絕緣層32)，取代了圖1A和圖1B中傳統光電壓產生器的隔離方式，以解決低合格率以及高制造成本的缺點。同時，本發明實施例的光電壓產生器的隔離層是形成在晶片表面下方，并沒有利用到晶片表面，因此也就節省了如圖1A中隔離層所消耗的面積，也節省了制造的成本。此外，本發明采用橫向電壓產生器串聯的方式。
另外，值得注意的是，為了充分有效地利用入射光的光能，本發明采取了許多有效增加光能吸收的結構，而直接提高光電轉換效率。
首先，在圖3中，利用了延伸的p雜質擴散層35增加pn接面的面積(即，除了p+雜質擴散層34和n-雜質擴散層33形成的pn接面外，另外增加了p雜質擴散層35和n-雜質擴散層33形成pn接面的面積)。同時為了擴大pn接面耗盡區的面積以增加光電轉換效率，特別采用了較低雜質濃度的n-雜質擴散層33以增加耗盡區寬度(depletion width)。另外，和傳統光電壓產生器不同的是，本發明淺接面的p雜質擴散層35并非高濃度雜質擴散層，理由和上述相同，同樣也是為了擴大耗盡區寬度以增加光電轉換效率。
再者，舉例來說，硅的量子效率(Quantum Efficiency)在光波長大約0.8到1.0微米時達到近乎100％的最高點，但是可惜的是，在光波長大約0.8到1.0微米時，硅的光吸收系數(absorption coefficient)卻降低到只剩102到103cm-1左右，亦即即使硅厚度厚達1O微米，仍然有超過40％或甚至到90％的光能未被吸收。因此，為了克服這項缺點，本發明特別加厚了硅的厚度，亦即圖3中的H，使H厚度達40微米。而在這種情形下，不但入射的光能可以在比較厚的硅中更有效的吸收，同時n-雜質擴散層33和p+雜質擴散層34之間的pn接面面積也因厚度變厚而變得更大，因此也大大增加了光電轉換的效率。
但是，在上述這種情形下，為了讓可吸收光能的硅厚度加厚，但又必須讓雜質擴散層34深達絕緣層32，基于工藝的考慮，即使是高濃度的雜質擴散層會降低和n-雜質擴散層33形成的pn接面的面積而降低光電轉換效率，仍然必須使用到高濃度的離子布植來形成p+雜質擴散層34。
然而，p+雜質擴散層34雖然會降低和n-雜質擴散層33形成的pn接面的面積，但卻有另一項優點。在薄膜電極層38和p+雜質擴散層34的金屬一半導體接觸(M-S contact)當中，高濃度的p+雜質擴散層34可以讓此接觸有效形成歐姆接觸(ohmic contact)而降低整體串聯電阻。
同樣的，本發明實施例的光電壓產生器也采用了n+雜質擴散層36，和薄膜電極層38形成歐姆接觸而降低整體串聯電阻。配合前述p+雜質擴散層34和薄膜電極層38的歐姆接觸，可知本發明實施例的光電壓產生器整體串聯電阻相當低。
圖4到圖11則是本發明實施例的光電壓產生器剖面圖，而依照工藝步驟的順序來排列。而本發明實施例的光電壓產生器制造方法如下將n-雜質濃度的SOI(silicon on insulator)晶片的表面磨平直到厚度為預設厚度，并清洗晶片表面，如圖4所示；利用光刻工藝(photolithography process)將p+雜質擴散層34的區域用氧化層50定義出來，形成如圖5所示之剖面圖；然后施加以高濃度離子注入工藝，形成如圖6所示的剖面圖；利用第二道光刻工藝將p雜質擴散層35的區域用氧化層70定義出來，如圖7所示的剖面圖；然后利用離子注入形成p雜質擴散層35，如圖8所示的剖面圖；利用第三道光刻工藝將n+雜質擴散層36的區域用氧化層90定義出來，如圖9的剖面圖所示；然后利用離子注入形成n+雜質擴散層36，如圖10所示的剖面圖；利用第四道光刻工藝將隔離層37的區域定義出來，如圖11的剖面圖所示；再將薄膜金屬層鍍覆在隔離層37彼此之間的空隙中，就形成了如圖3一樣的本發明實施例的光電壓產生器。
以上所述的都是有關本發明實施例的光電壓產生器在剖面圖結構上的改善。但是，本發明實施例在平面配置上也采取了一些改善的措施。
首先，本發明采用了平行線性排列為一光電壓產生器陣列的方式加以配置，如圖12所示，而有別于傳統技術，如圖2。其最大的優點在于不須在剖面結構上作任何改變，只需在平面上作任意的長-寬比例(即圖12中L和W的比例)的變化，即可來控制pn接面的面積以及pn接面串聯數進而設計各個應用參數，這一點對電路布局的設計者而言是相當方便的。
另外，本發明實施例的光電壓產生器陣列的芯片(chip)隔離方式也和傳統技術有很大的不同。在如圖1B的傳統技術中，先形成所有隔離層(包含每個pn接面區域的隔離層以及每個芯片的隔離層，即氧化層12)后，再依序形成pn接面半導體層、介質層以及連線金屬層。本發明實施例的光電壓產生器陣列則是先完成所有上述的本發明的光電壓產生器結構后，最后再依需要在周邊區域形成臺面式結構(mesa structure)來分離每個芯片，如圖12。
從上述比較中，可以知道本發明的芯片隔離方式有幾個優點首先，在結構上，本發明的光電壓產生器陣列僅在周邊區域形成隔離，可節省許多面積；其次，就工藝而言，本發明的結構不但是較簡單容易的工藝、亦可以有效提高合格率。
除此之外，本發明實施例的光電壓產生器陣列另一個特點則是可和其他電路元件在同一芯片內作集成而無須增加光刻工藝來作元件隔離。如圖4到圖6的工藝步驟中，除了形成了p+雜質擴散層34外，同樣的工藝步驟也可以設計用來作電路元件的接面隔離，換句話說，可以在同一工藝步驟中完成p+雜質擴散層34以及用以作為接面隔離的接面。
權利要求
1.一種光電壓產生器，包含一襯底；一絕緣層，設置在該襯底上；第一雜質擴散層，設置在該絕緣層上；第二雜質擴散層，深度達到該絕緣層，而極性和該第一雜質擴散層相反，且該第二雜質擴散層和該第一雜質擴散層在平行于該襯底上表面的方向上交互配置，形成多個縱向pn接面；第三雜質擴散層，位于與該絕緣層相反側的該第一雜質擴散層和該第二雜質擴散層的表面層，且極性與該第二雜質擴散層相同，該第三雜質擴散層一端連接到該第二雜質擴散層，而另一端橫跨一該縱向pn接面，延伸入該第一雜質擴散層；第四雜質擴散層，位于與該絕緣層相反側的該第一雜質擴散層和該第二雜質擴散層的表面層，為極性與該第一雜質擴散層相同的高濃度雜質擴散層，該第四雜質擴散層連接到一該第一雜質擴散層，且不連接于與同一該第一雜質擴散層連接的該第三雜質擴散層，而該第四雜質擴散層至多橫跨一該縱向pn接面。薄膜電極層，同時連接一該第四雜質擴散層，及一該第二雜質擴散層或一該第二雜質擴散層上的該第三雜質擴散層；以及隔離層，設置在該薄膜電極層之間。
2.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該第一雜質擴散層是p型雜質擴散層，且該第二雜質擴散層是n型雜質擴散層。
3.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該第一雜質擴散層是n型雜質擴散層，且該第二雜質擴散層是p型雜質擴散層。
4.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該第二雜質擴散層使用高濃度雜質擴散層，由此和該薄膜電極層形成歐姆接觸。
5.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該第二雜質擴散層使用高濃度雜質擴散層，由此增加該第一和該第二雜質擴散層在襯底垂直方向的高度。
6.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該第一和該第二雜質擴散層在襯底垂直方向的高度是10微米到40微米。
7.如權利要求5所述的光電壓產生器，其中該第一和該第二雜質擴散層在襯底垂直方向的高度是10微米到40微米。
8.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該第一和該第二雜質擴散層在襯底垂直方向的高度是10微米到25微米。
9.如權利要求5所述的光電壓產生器，其中該第一和該第二雜質擴散層在襯底垂直方向的高度是10微米到25微米。
10.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該第一和該第二雜質擴散層在襯底垂直方向的高度是25微米到40微米。
11.如權利要求5所述的光電壓產生器，其中該第一和該第二雜質擴散層在襯底垂直方向的高度是25微米到40微米。
12.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該第一雜質擴散層和該第二雜質擴散層彼此交互配置而平行線性排列為一光電壓產生器陣列。
13.如權利要求4所述的光電壓產生器，其中該第一雜質擴散層和該第二雜質擴散層彼此交互配置而平行線性排列為一光電壓產生器陣列。
14.如權利要求5所述的光電壓產生器，其中該第一雜質擴散層和該第二雜質擴散層是彼此交互配置而平行線性排列為一光電壓產生器陣列。
15.如權利要求12的光電壓產生器，其中該平行線性排列的光電壓產生器陣列是利用在周邊區域形成臺面式結構來隔離。
16.如權利要求1所述的光電壓產生器，其中該光電壓產生器和其他電子零部件集成在同一芯片內，而其元件的隔離是利用接面隔離技術。
17.如權利要求15所述的光電壓產生器，其中該光電壓產生器和其他電子零部件集成在同一芯片內，而其元件的隔離是利用接面隔離技術。
18.如權利要求16所述的光電壓產生器，其中該接面隔離技術的接面和該第二雜質擴散層的接面是同一工藝步驟時產生。
19.如權利要求17所述的光電壓產生器，其中該接面隔離技術的接面和該第二雜質擴散層的接面是同一工藝步驟時產生。
全文摘要
一種光電壓產生器,包含:一襯底;一絕緣層,設置在襯底上;第一雜質擴散層,設置在該緣層上;第二雜質擴散層,和第一雜質擴散層在平行于襯底上表面的方向上交互配置,形成多個縱向pn接面;第三雜質擴散層,其一端連接到第二雜質擴散層,而另一端橫跨一縱向Pn接面,延伸入第一雜質擴散層;第四雜質擴散層,連接到第一雜質擴散層,且不連接第三雜質擴散層,而第四雜質擴散層至多橫跨一縱向pn接面;以及薄膜電極層和隔離層。
文檔編號H01L31/06GK1288265SQ9911937
公開日2001年3月21日 申請日期1999年9月13日 優先權日1999年9月13日
發明者邱清彰, 賴文聰 申請人:光磊科技股份有限公司