专利名称：光电压产生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电压产生器，尤其涉及一种具有以下优点的光电压产生器高光电转换效率、低串联电阻、电路布局设计简易、以及可和其他元件集成于同一芯片内而无须增加光刻工艺来作元件隔离。
光电压产生器是一种广泛使用的光电元件，不但可以用来感测光的存在，也可以利用光来产生电源。
光电压产生器主要的操作方式是利用pn接面形成的耗尽区(depletion region)来操作，当外界光源照射到光电压产生器时，元件内部会被此外界光源激发而产生电子空穴对(electron-hole pairs)，而耗尽区内的内建电位(built-in potential)产生的电场会将耗尽区内的电子空穴对分离，此时就形成了光激发电流(photogeneratedcurrent)。而此光激发电流所形成的电源就可以利用来驱动外界的电路。
图1A是一种典型的传统光电压产生器的剖面图，其中包含衬底11、氧化层12、p型杂质扩散区13、高浓度n型杂质扩散区14、氧化层15以及金属层16。
在图1A中，氧化层12将衬底11的表面上各个预定区域予以隔离，p型杂质扩散区13和高浓度n型杂质扩散区14则在各个已隔离的区域内pn接面，金属层16则将高浓度n型杂质扩散区14连接到下一pn接面的p型杂质扩散区13，因而形成了多个pn接面的串联，而氧化层15则用来隔离金属层16以避免同一区域内的p型杂质扩散区13和高浓度n型杂质扩散区14被金属层16连接而短路。
图1B是图1A的传统光电压产生器的平面示意图。在图1B中，17代表正电极，18代表负电极，每个方块区域代表图1A中每个隔离的区域(即包含一个pn接面的区域)，其中负电极18可以连接到下一级的正电极17，以达到串联多个pn接面的效果。
由图1A中可以清楚看到，每个区域(一个pn接面的区域)是利用氧化层12来隔离(isolation)，这种平面隔离工艺不仅工艺合格率低，工艺也比较复杂，而且也在硅衬底表面上浪费了许多面积，因而也提高了制造的成本。
美国专利公报第5，633，536号中揭示了另一种光电压产生器，此光电压产生器使用了类似SOI(silicon on insulator)的晶片作衬底，而利用SOI中的绝缘层当作隔离，因而解决了传统光电压产生器的隔离技术所衍生的低合格率以及高成本的问题。然而，此改进的光电压产生器的制造工艺过于复杂，而且并未提出更有效的提高光电转换效率的方法。另外，此改进的光电压产生器使用的同心状的平面结构，如图2，不但难以作平面电路布局的设计，同时许多电性应用参数均受限于面积最小的pn接面(亦即最内圈的pn接面)，如最大光激发电流等等，因而限制了此种光电压产生器的应用范围。
另外，光电压产生器通常需要和一些外部电路一起配合来使用。而在传统技术中，如果要把光电压产生器和一些电路元件集成在一芯片中，则必须在光电压产生器和这些电路元件各别的工艺之外，加入各元件隔离的工艺，因而造成工序数的增加。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光电压产生器，其具有高光电转换效率的优点，且无须太过复杂的工艺。
本发明另一目的在于提供一种光电压产生器，其在平面电路布局上易于控制及设计。
另外，本发明另一个目的在于提供一种光电压产生器，其可和其他元件集成于同一芯片内而无须增加光刻工艺来作元件隔离。
本发明涉及一种光电压产生器，此光电压产生器包含一衬底；一绝缘层，设置在该衬底上；其中，延伸到第一杂质扩散层的第三杂质扩散层可以增加pn接面的面积，同时也增加了光电转换效率。
另外，为了提高元件对光的吸收效率，也增加第一和第二杂质扩散层在衬底垂直方向的高度，但此时第二杂质扩散层因工艺上的考虑，需使用高浓度杂质扩散层。
为了实现本发明另一实施方式，第一杂质扩散层和该第二杂质扩散层是彼此交互配置而平行线性排列为一光电压产生器阵列。而此结构的光电压产生器阵列对电路布局设计者而言是相当容易设计的。
上述平行线性排列的光电压产生器阵列利用在周边区域形成台面式结构(mesa structure)来隔离，此工艺不但比较简单，而且更提高了工艺上的合格率。
为了实现本发明另一实施方式，此光电压产生器阵列可和其他电子零部件集成在同一芯片内。而其元件隔离可以利用在第二杂质扩散层的接面形成时，利用同一工艺来进行接面隔离，以节省制造成本。
图1是传统光电压产生器，其中图1A是传统光电压产生器剖面图，图1B是传统光电压产生器平面示意图；图2是另一传统光电压产生器的平面图；图3是本发明实施例的光电压产生器的结构剖面图；图4是本发明实施例的光电压产生器的工艺剖面图；图5是本发明实施例的光电压产生器在图4之后的工艺剖面图；图6是本发明实施例的光电压产生器在图5之后的工艺剖面图；图7是本发明实施例的光电压产生器在图6之后的工艺剖面图；图8是本发明实施例的光电压产生器在图7之后的工艺剖面图；图9是本发明实施例的光电压产生器在图8之后的工艺剖面图；图10是本发明实施例的光电压产生器在图9之后的工艺剖面图；图11是本发明实施例的光电压产生器在图10之后的工艺剖面图；以及图12是本发明实施例的光电压产生器的立体示意图。
接下来利用附图来说明本发明实施例的光电压产生器的工作方式以及制造方法。
图3是本发明实施例的光电压产生器，其中包含一衬底31；一绝缘层32，位于衬底31上；n-杂质扩散层33位于绝缘层32上；p+杂质扩散层34位于绝缘层32上，且和n-杂质扩散层33在和衬底平行的方向形成多个纵向pn接面；p杂质扩散层35，连接到p+杂质扩散层34且延伸到n-杂质扩散层33；n+杂质扩散层36，连接到n-杂质扩散层33；隔离层37，适当地隔离各个区域；以及，薄膜电极层38，用以串联各个pn接面。
在图3中，采用了SOI晶片的平面氧化层来作隔离(即是绝缘层32)，取代了图1A和图1B中传统光电压产生器的隔离方式，以解决低合格率以及高制造成本的缺点。同时，本发明实施例的光电压产生器的隔离层是形成在晶片表面下方，并没有利用到晶片表面，因此也就节省了如图1A中隔离层所消耗的面积，也节省了制造的成本。此外，本发明采用横向电压产生器串联的方式。
另外，值得注意的是，为了充分有效地利用入射光的光能，本发明采取了许多有效增加光能吸收的结构，而直接提高光电转换效率。
首先，在图3中，利用了延伸的p杂质扩散层35增加pn接面的面积(即，除了p+杂质扩散层34和n-杂质扩散层33形成的pn接面外，另外增加了p杂质扩散层35和n-杂质扩散层33形成pn接面的面积)。同时为了扩大pn接面耗尽区的面积以增加光电转换效率，特别采用了较低杂质浓度的n-杂质扩散层33以增加耗尽区宽度(depletion width)。另外，和传统光电压产生器不同的是，本发明浅接面的p杂质扩散层35并非高浓度杂质扩散层，理由和上述相同，同样也是为了扩大耗尽区宽度以增加光电转换效率。
再者，举例来说，硅的量子效率(Quantum Efficiency)在光波长大约0.8到1.0微米时达到近乎100％的最高点，但是可惜的是，在光波长大约0.8到1.0微米时，硅的光吸收系数(absorption coefficient)却降低到只剩102到103cm-1左右，亦即即使硅厚度厚达1O微米，仍然有超过40％或甚至到90％的光能未被吸收。因此，为了克服这项缺点，本发明特别加厚了硅的厚度，亦即图3中的H，使H厚度达40微米。而在这种情形下，不但入射的光能可以在比较厚的硅中更有效的吸收，同时n-杂质扩散层33和p+杂质扩散层34之间的pn接面面积也因厚度变厚而变得更大，因此也大大增加了光电转换的效率。
但是，在上述这种情形下，为了让可吸收光能的硅厚度加厚，但又必须让杂质扩散层34深达绝缘层32，基于工艺的考虑，即使是高浓度的杂质扩散层会降低和n-杂质扩散层33形成的pn接面的面积而降低光电转换效率，仍然必须使用到高浓度的离子布植来形成p+杂质扩散层34。
然而，p+杂质扩散层34虽然会降低和n-杂质扩散层33形成的pn接面的面积，但却有另一项优点。在薄膜电极层38和p+杂质扩散层34的金属一半导体接触(M-S contact)当中，高浓度的p+杂质扩散层34可以让此接触有效形成欧姆接触(ohmic contact)而降低整体串联电阻。
同样的，本发明实施例的光电压产生器也采用了n+杂质扩散层36，和薄膜电极层38形成欧姆接触而降低整体串联电阻。配合前述p+杂质扩散层34和薄膜电极层38的欧姆接触，可知本发明实施例的光电压产生器整体串联电阻相当低。
图4到图11则是本发明实施例的光电压产生器剖面图，而依照工艺步骤的顺序来排列。而本发明实施例的光电压产生器制造方法如下将n-杂质浓度的SOI(silicon on insulator)晶片的表面磨平直到厚度为预设厚度，并清洗晶片表面，如图4所示；利用光刻工艺(photolithography process)将p+杂质扩散层34的区域用氧化层50定义出来，形成如图5所示之剖面图；然后施加以高浓度离子注入工艺，形成如图6所示的剖面图；利用第二道光刻工艺将p杂质扩散层35的区域用氧化层70定义出来，如图7所示的剖面图；然后利用离子注入形成p杂质扩散层35，如图8所示的剖面图；利用第三道光刻工艺将n+杂质扩散层36的区域用氧化层90定义出来，如图9的剖面图所示；然后利用离子注入形成n+杂质扩散层36，如图10所示的剖面图；利用第四道光刻工艺将隔离层37的区域定义出来，如图11的剖面图所示；再将薄膜金属层镀覆在隔离层37彼此之间的空隙中，就形成了如图3一样的本发明实施例的光电压产生器。
以上所述的都是有关本发明实施例的光电压产生器在剖面图结构上的改善。但是，本发明实施例在平面配置上也采取了一些改善的措施。
首先，本发明采用了平行线性排列为一光电压产生器阵列的方式加以配置，如图12所示，而有别于传统技术，如图2。其最大的优点在于不须在剖面结构上作任何改变，只需在平面上作任意的长-宽比例(即图12中L和W的比例)的变化，即可来控制pn接面的面积以及pn接面串联数进而设计各个应用参数，这一点对电路布局的设计者而言是相当方便的。
另外，本发明实施例的光电压产生器阵列的芯片(chip)隔离方式也和传统技术有很大的不同。在如图1B的传统技术中，先形成所有隔离层(包含每个pn接面区域的隔离层以及每个芯片的隔离层，即氧化层12)后，再依序形成pn接面半导体层、介质层以及连线金属层。本发明实施例的光电压产生器阵列则是先完成所有上述的本发明的光电压产生器结构后，最后再依需要在周边区域形成台面式结构(mesa structure)来分离每个芯片，如图12。
从上述比较中，可以知道本发明的芯片隔离方式有几个优点首先，在结构上，本发明的光电压产生器阵列仅在周边区域形成隔离，可节省许多面积；其次，就工艺而言，本发明的结构不但是较简单容易的工艺、亦可以有效提高合格率。
除此之外，本发明实施例的光电压产生器阵列另一个特点则是可和其他电路元件在同一芯片内作集成而无须增加光刻工艺来作元件隔离。如图4到图6的工艺步骤中，除了形成了p+杂质扩散层34外，同样的工艺步骤也可以设计用来作电路元件的接面隔离，换句话说，可以在同一工艺步骤中完成p+杂质扩散层34以及用以作为接面隔离的接面。
权利要求
1.一种光电压产生器，包含一衬底；一绝缘层，设置在该衬底上；第一杂质扩散层，设置在该绝缘层上；第二杂质扩散层，深度达到该绝缘层，而极性和该第一杂质扩散层相反，且该第二杂质扩散层和该第一杂质扩散层在平行于该衬底上表面的方向上交互配置，形成多个纵向pn接面；第三杂质扩散层，位于与该绝缘层相反侧的该第一杂质扩散层和该第二杂质扩散层的表面层，且极性与该第二杂质扩散层相同，该第三杂质扩散层一端连接到该第二杂质扩散层，而另一端横跨一该纵向pn接面，延伸入该第一杂质扩散层；第四杂质扩散层，位于与该绝缘层相反侧的该第一杂质扩散层和该第二杂质扩散层的表面层，为极性与该第一杂质扩散层相同的高浓度杂质扩散层，该第四杂质扩散层连接到一该第一杂质扩散层，且不连接于与同一该第一杂质扩散层连接的该第三杂质扩散层，而该第四杂质扩散层至多横跨一该纵向pn接面。薄膜电极层，同时连接一该第四杂质扩散层，及一该第二杂质扩散层或一该第二杂质扩散层上的该第三杂质扩散层；以及隔离层，设置在该薄膜电极层之间。
2.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该第一杂质扩散层是p型杂质扩散层，且该第二杂质扩散层是n型杂质扩散层。
3.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该第一杂质扩散层是n型杂质扩散层，且该第二杂质扩散层是p型杂质扩散层。
4.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该第二杂质扩散层使用高浓度杂质扩散层，由此和该薄膜电极层形成欧姆接触。
5.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该第二杂质扩散层使用高浓度杂质扩散层，由此增加该第一和该第二杂质扩散层在衬底垂直方向的高度。
6.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该第一和该第二杂质扩散层在衬底垂直方向的高度是10微米到40微米。
7.如权利要求5所述的光电压产生器，其中该第一和该第二杂质扩散层在衬底垂直方向的高度是10微米到40微米。
8.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该第一和该第二杂质扩散层在衬底垂直方向的高度是10微米到25微米。
9.如权利要求5所述的光电压产生器，其中该第一和该第二杂质扩散层在衬底垂直方向的高度是10微米到25微米。
10.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该第一和该第二杂质扩散层在衬底垂直方向的高度是25微米到40微米。
11.如权利要求5所述的光电压产生器，其中该第一和该第二杂质扩散层在衬底垂直方向的高度是25微米到40微米。
12.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该第一杂质扩散层和该第二杂质扩散层彼此交互配置而平行线性排列为一光电压产生器阵列。
13.如权利要求4所述的光电压产生器，其中该第一杂质扩散层和该第二杂质扩散层彼此交互配置而平行线性排列为一光电压产生器阵列。
14.如权利要求5所述的光电压产生器，其中该第一杂质扩散层和该第二杂质扩散层是彼此交互配置而平行线性排列为一光电压产生器阵列。
15.如权利要求12的光电压产生器，其中该平行线性排列的光电压产生器阵列是利用在周边区域形成台面式结构来隔离。
16.如权利要求1所述的光电压产生器，其中该光电压产生器和其他电子零部件集成在同一芯片内，而其元件的隔离是利用接面隔离技术。
17.如权利要求15所述的光电压产生器，其中该光电压产生器和其他电子零部件集成在同一芯片内，而其元件的隔离是利用接面隔离技术。
18.如权利要求16所述的光电压产生器，其中该接面隔离技术的接面和该第二杂质扩散层的接面是同一工艺步骤时产生。
19.如权利要求17所述的光电压产生器，其中该接面隔离技术的接面和该第二杂质扩散层的接面是同一工艺步骤时产生。
全文摘要
一种光电压产生器,包含:一衬底;一绝缘层,设置在衬底上;第一杂质扩散层,设置在该缘层上;第二杂质扩散层,和第一杂质扩散层在平行于衬底上表面的方向上交互配置,形成多个纵向pn接面;第三杂质扩散层,其一端连接到第二杂质扩散层,而另一端横跨一纵向Pn接面,延伸入第一杂质扩散层;第四杂质扩散层,连接到第一杂质扩散层,且不连接第三杂质扩散层,而第四杂质扩散层至多横跨一纵向pn接面;以及薄膜电极层和隔离层。
文档编号H01L31/06GK1288265SQ9911937
公开日2001年3月21日 申请日期1999年9月13日 优先权日1999年9月13日
发明者邱清彰, 赖文聪 申请人:光磊科技股份有限公司