專利名稱：一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光通信系統(tǒng)用的高靈敏度雪崩光電二極管的制作方法，特別涉及 一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法。
背景技術(shù)：
人們對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求的爆炸式增長推動(dòng)了光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展。光纖通信技 術(shù)的發(fā)展取決于光纖通信器件的發(fā)展水平，半導(dǎo)體光電探測器是光纖通信技術(shù)中接收部分 的關(guān)鍵器件，光纖通信技術(shù)正朝著高速率、大容量、長距離的方向發(fā)展。雪崩光電二極管，通 過受激吸收的方式吸收入射光子產(chǎn)生電子-空穴對。雪崩光電二極管存在一高電場區(qū)，產(chǎn) 生的電子_空穴對在高電場作用下獲得能量，撞擊晶格原子，產(chǎn)生二次電子_空穴對，二次 電子_空穴對經(jīng)過高電場作用撞擊晶格原子再產(chǎn)生新的電子_空穴對，形成雪崩倍增效應(yīng)， 從而實(shí)現(xiàn)了光信號的放大。具有雪崩倍增效應(yīng)的雪崩光電二極管，其靈敏度相對傳統(tǒng)PIN 光電二極管高3-5dBm，可廣泛應(yīng)用于E/G-PON、SDH等場合。傳統(tǒng)APD采用正面進(jìn)光型擴(kuò)散爐擴(kuò)散方式制作。正面進(jìn)光型需要采用銦鎵砷做歐 姆接觸層，在擴(kuò)散過程中銦鎵砷擴(kuò)散速率慢于磷化銦擴(kuò)散速率，使PN結(jié)界面出現(xiàn)凹陷，易 發(fā)生局部擊穿現(xiàn)象。擴(kuò)散爐擴(kuò)散方式摻雜物質(zhì)鋅的濃度固定不變，無法實(shí)現(xiàn)兩次擴(kuò)散區(qū)域 不同濃度的摻雜。背面進(jìn)光型雪崩光電二極管可以避免PN結(jié)界面凹陷，獲得一致的增益特 性?；谕庋釉O(shè)備MOCVD系統(tǒng)的擴(kuò)散方式通過控制擴(kuò)散源流量實(shí)現(xiàn)兩次擴(kuò)散區(qū)域不同濃度 的摻雜，可以更好的控制表面電場和界面電場，同時(shí)易于形成突變結(jié)。該方法制作的光電二 極管具有暗電流小、靈敏度高、串聯(lián)電阻小、可靠性高等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)狀，旨在提供一種具有高靈敏度、高可靠性的采用外 延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法。本發(fā)明目的的實(shí)現(xiàn)方式為，一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管 方法，具體步驟如下1)基于MOCVD的方法在磷化銦襯底上進(jìn)行雪崩光電二極管的一次外延，外延由七 層構(gòu)成，從下至上依次為磷化銦襯底、N型磷化銦緩沖層、I型銦鎵砷吸收層、N型銦鎵砷層、 銦鎵砷磷漸變層、N型磷化銦層和I型磷化銦層；2)在3. 5微米輕N型倍增層(7)上淀積3000埃二氧化硅，光刻第一次擴(kuò)散窗口及 保護(hù)環(huán)窗口，反應(yīng)離子刻蝕二氧化硅，保留的二氧化硅用作擴(kuò)散掩膜層；3)采用MOCVD外延設(shè)備進(jìn)行一次擴(kuò)散，擴(kuò)散工藝條件為溫度530°C，壓強(qiáng)為225 乇，二甲基鋅流量為每分鐘5標(biāo)況毫升，擴(kuò)散時(shí)間為50分鐘；4)淀積3000埃二氧化硅層，反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕出直徑為50微米的第二次擴(kuò)
散窗口，保留的二氧化硅用作二次擴(kuò)散掩膜層；5)采用MOCVD外延設(shè)備擴(kuò)散的方法進(jìn)行二次擴(kuò)散，擴(kuò)散工藝條件為在530°C，壓強(qiáng)為225乇條件下，二甲基鋅流量為每分鐘10標(biāo)況毫升，擴(kuò)散時(shí)間為65分鐘；6)在470°C條件下退火，退火時(shí)間10分鐘；7)去除二氧化硅層，依次濺射鈦600埃、鉬800埃、金2000埃制作P面電極；8)將襯底減薄至150微米，進(jìn)行拋光；9)淀積5000埃二氧化硅，采用反應(yīng)離子刻蝕的方法，刻蝕出直徑為70微米的窗
口，反應(yīng)離子刻蝕二氧化硅，保留二氧化硅用作掩膜層；10)采用濕法腐蝕的方法腐蝕磷化銦襯底，腐蝕出深度為30微米直徑為70微米的 光入射窗口；11)生長1610埃的氮化硅，光刻直徑為70微米的圓臺，反應(yīng)離子刻蝕氮化硅，保留 的氮化硅用作增透層；12)光刻N(yùn)面電極圖形，濺射電極，帶膠剝離，得到N面電極；13)在415°C下合金時(shí)間55秒，使電極合金化。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、基于MOCVD外延設(shè)備的擴(kuò)散是在腔室內(nèi)進(jìn)行，樣品置于反應(yīng)室底座上，底座在 擴(kuò)散過程中不停旋轉(zhuǎn)。氣體通過反應(yīng)室頂部的密布小孔噴入，氣流分布為層流分布，氣流分 布均勻，因此擴(kuò)散均勻性更好，芯片單片成品率更高。2、在擴(kuò)散完成時(shí)可實(shí)時(shí)關(guān)閉擴(kuò)散源氣體閥門，阻止擴(kuò)散的進(jìn)行，在擴(kuò)散中形成突 變結(jié)。形成突變結(jié)有利于芯片獲得小暗電流、小電容和高可靠性。3、通過控制擴(kuò)散源流量大小，可以調(diào)整磷化銦倍增層摻雜濃度，實(shí)現(xiàn)漸變式摻雜。 采用雙擴(kuò)散方法，第一次擴(kuò)散在低流量條件下進(jìn)行，降低一次擴(kuò)散區(qū)域的摻雜濃度，可以控 制橫向擴(kuò)散程度及第二次無源擴(kuò)散深度，起到抑制表面電場和抑制邊緣擊穿現(xiàn)象的作用， 有利于芯片獲得高靈敏度、小暗電流和高可靠性。4、采用背面進(jìn)光結(jié)構(gòu)，可以避免磷化銦層中P型重?fù)诫s區(qū)對入射光的吸收，有利 于獲得高的響應(yīng)度和高的量子效率。芯片正面濺射金屬作為P型電極，可以降低串聯(lián)電阻。


圖1是本發(fā)明制作的雪崩光電二極管的外延結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明制作的一次擴(kuò)散區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明制作的二次擴(kuò)散區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本發(fā)明制作P面電極結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是本發(fā)明制作背面進(jìn)光孔結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是本發(fā)明制作背面進(jìn)光增透層結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是本發(fā)明制作N面電極結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用MOCVD外延設(shè)備在磷化銦襯底上進(jìn)行雪崩光電二極管的一次外延，采 用MOCVD外延設(shè)備雙擴(kuò)散方式的擴(kuò)散方法進(jìn)行摻雜、濺射P面電極，襯底減薄、背面進(jìn)光孔 濕法腐蝕、生長增透層、制作N面電極和電極合金化。下面參照附圖詳述本發(fā)明。
采用MOCVD的方法在磷化銦襯底上進(jìn)行雪崩光電二極管的一次外延，外延由七層 構(gòu)成(見圖1)，從下至上依次為摻S的N型磷化銦襯底1，1微米N型磷化銦緩沖層2，2微 米摻雜濃度為lE15cnT (-3)的i型銦鎵砷吸收層3，0. 2微米N型磷化銦層4，0. 12微米銦 鎵砷磷漸變層5，0. 4微米N型磷化銦電荷控制層6和3. 5微米輕N型倍增層7。采用MOCVD外延設(shè)備進(jìn)行一次擴(kuò)散如圖2。在3. 5微米輕N型倍增層7上用等離 子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積法生長3000埃二氧化硅，光刻擴(kuò)散窗口及保護(hù)環(huán)窗口，擴(kuò)散窗口直 徑為70微米，反應(yīng)離子刻蝕二氧化硅，保留的二氧化硅用作擴(kuò)散掩膜層8。采用MOCVD外延 設(shè)備進(jìn)行一次擴(kuò)散，擴(kuò)散在MOCVD腔室內(nèi)進(jìn)行，樣品置于反應(yīng)室底座上，底座在擴(kuò)散過程中 不停旋轉(zhuǎn)，氣體通過反應(yīng)室頂部的密布小孔噴入，氣流分布為層流分布，氣流分布均勻，因 此擴(kuò)散均勻性更好，芯片單片成品率更高。擴(kuò)散工藝條件為溫度530°C，壓強(qiáng)為225乇，二甲基鋅流量為每分鐘5標(biāo)況毫升， 擴(kuò)散時(shí)間50分鐘，形成如圖2所示的一次擴(kuò)散窗口 9及保護(hù)環(huán)窗口 10。緩沖氫氟酸溶液去掉二氧化硅層8，生長3000埃二氧化硅，光刻二次擴(kuò)散窗口，二 次擴(kuò)散窗口直徑為50微米，反應(yīng)離子刻蝕二氧化硅，保留的二氧化硅用作二次擴(kuò)散掩膜層 11，采用MOCVD外延設(shè)備進(jìn)行二次擴(kuò)散。擴(kuò)散工藝條件為在530°C，壓強(qiáng)為225乇條件下， 二甲基鋅流量為每分鐘10標(biāo)況毫升，擴(kuò)散時(shí)間65分鐘，形成如圖3所示的二次擴(kuò)散窗口 12。再在470°C下退火10分鐘。本發(fā)明采用兩次擴(kuò)散，第一次擴(kuò)散和第二次擴(kuò)散在不同的源流量工藝條件下進(jìn) 行。第一次擴(kuò)散在低流量條件下進(jìn)行，摻雜的濃度為8E17cnT (-3)。擴(kuò)散在低流量下進(jìn)行， 一方面可以有效抑制橫向擴(kuò)散。因?yàn)闄M向擴(kuò)散會(huì)使得保護(hù)環(huán)和一次擴(kuò)散區(qū)域間距變小甚至 連通，保護(hù)環(huán)的作用是控制表面電場和PN結(jié)界面電場，控制表面電場可以降低暗電流，提 高芯片的可靠性。控制PN結(jié)界面電場可以有效抑制邊緣擊穿的發(fā)生。另一方面可以控制 第一擴(kuò)散區(qū)域的深度。因?yàn)樵谶M(jìn)行第二次擴(kuò)散過程中，第一次擴(kuò)散區(qū)域界面以無源擴(kuò)散方 式向前推進(jìn)。在低濃度情況下，第一次擴(kuò)散區(qū)域深度在第二次擴(kuò)散過程中變化很小，容易形 成較大的臺階。而在高濃度情況下，第一次擴(kuò)散區(qū)域深度在第二次擴(kuò)散過程中變化大，很難 形成明顯的臺階。雙擴(kuò)散形成的臺階起到控制邊緣電場及表面電場的作用。因此一次擴(kuò)散 在低流量下進(jìn)行，可以降低芯片暗電流，抑制邊緣擊穿現(xiàn)象，提高芯片的可靠性。二次擴(kuò)散 在高流量條件下進(jìn)行，摻雜濃度為2E18cnT (-3)。二次擴(kuò)散窗口要小于一次擴(kuò)散窗口，雙擴(kuò) 散區(qū)域?yàn)榫徸兣_階狀。雪崩光電二極管的有效增益為中心區(qū)域的光倍增，在二次擴(kuò)散區(qū)域 實(shí)行高摻雜，可以增強(qiáng)中心區(qū)域電場，在一定偏壓下工作，使得中心區(qū)域增益大于邊緣區(qū)域 增益，從而提高了芯片的性能。在擴(kuò)散完成時(shí)可實(shí)時(shí)關(guān)閉擴(kuò)散源氣體閥門，阻止擴(kuò)散的進(jìn)行，因此在擴(kuò)散截止界 面形成突變結(jié)。形成突變結(jié)，有利于芯片獲得小暗電流、高可靠性。依次濺射鈦600埃、鉬800埃、金2000埃13制作如圖4所示的P面電極。在芯片 正面濺射金屬作為P型電極，可以降低串聯(lián)電阻。將摻S的N型磷化銦襯底1減薄至150微 米如圖5，用溴甲醇拋光14，淀積5000埃二氧化硅，光刻直徑為70微米的光入射窗口，反應(yīng) 離子刻蝕二氧化硅，保留二氧化硅用作掩膜層15，去掉光刻膠，用體積比為1 1的磷酸 鹽酸溶液腐蝕10分鐘，腐蝕出深度為30微米直徑為70微米的窗口 16。參照圖6，淀積1610埃的氮化硅，光刻直徑為70微米的圓臺，反型，反應(yīng)離子刻蝕去掉氮化硅，保留的氮化硅用作增透層17。參照圖7，采用濺射的方式制作N面電極，光刻N(yùn)面電極圖形，在增透層17外依次 濺射鈦400埃、鉬500埃、金2500埃，金屬剝離，得到N面電極18，在415°C下，合金55秒， 使電極合金化。本發(fā)明中基于MOCVD外延設(shè)備的擴(kuò)散機(jī)理在MOCVD反應(yīng)室內(nèi)，條件設(shè)定為壓力 225乇，溫度530°C，砷烷和磷烷作為催化反應(yīng)氣體和保護(hù)氣體，擴(kuò)散源為二甲基鋅，氫氣作 為載氣帶入反應(yīng)室。二甲基鋅與磷烷在擴(kuò)散溫度分解并發(fā)生有機(jī)化學(xué)反應(yīng)形成磷化鋅的化 合物。本發(fā)明采用背面進(jìn)光方式。傳統(tǒng)正面進(jìn)光型雪崩光電二極管，在正面生長銦鎵砷 層，用擴(kuò)散的方式進(jìn)行重?fù)诫s以形成歐姆接觸。由于鋅在銦鎵砷中的擴(kuò)散速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于 在磷化銦中的擴(kuò)散速率，且鋅在銦鎵砷層中容易堆積，使得雙擴(kuò)散區(qū)域中心界面處易產(chǎn)生 凹陷。在相同偏壓下凹陷處電場強(qiáng)，易發(fā)生提前擊穿。通過采用背面進(jìn)光方式，正面大面積 濺射金屬，無需采用銦鎵砷作為歐姆接觸層，避免了因PN結(jié)界面的凹陷導(dǎo)致的提前擊穿現(xiàn) 象的發(fā)生。采用背面進(jìn)光方式，可以避免磷化銦層中P型重?fù)诫s區(qū)對光的吸收，有利于獲得 高的響應(yīng)度和高的量子效率，還可以消除芯片寄生參數(shù)，如降低芯片的接觸電阻，有利于提 高芯片的響應(yīng)速率。
權(quán)利要求
一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法，其特征在于具體步驟如下1)基于MOCVD的方法在磷化銦襯底上進(jìn)行雪崩光電二極管的一次外延，外延由七層構(gòu)成，從下至上依次為磷化銦襯底、N型磷化銦緩沖層、I型銦鎵砷吸收層、N型銦鎵砷層、銦鎵砷磷漸變層、N型磷化銦層和I型磷化銦層；2)在3.5微米輕N型倍增層(7)上淀積3000埃二氧化硅，光刻第一次擴(kuò)散窗口及保護(hù)環(huán)窗口，反應(yīng)離子刻蝕二氧化硅，保留的二氧化硅用作擴(kuò)散掩膜層；3)采用MOCVD外延設(shè)備進(jìn)行一次擴(kuò)散，擴(kuò)散工藝條件為溫度530℃，壓強(qiáng)為225乇，二甲基鋅流量為每分鐘5標(biāo)況毫升，擴(kuò)散時(shí)間為50分鐘；4)淀積3000埃二氧化硅層，反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕出直徑為50微米的第二次擴(kuò)散窗口，保留的二氧化硅用作二次擴(kuò)散掩膜層；5)采用MOCVD外延設(shè)備擴(kuò)散的方法進(jìn)行二次擴(kuò)散，擴(kuò)散工藝條件為在530℃，壓強(qiáng)為225乇條件下，二甲基鋅流量為每分鐘10標(biāo)況毫升，擴(kuò)散時(shí)間為65分鐘；6)在470℃條件下退火，退火時(shí)間10分鐘；7)去除二氧化硅層，依次濺射鈦600埃、鉑800埃、金2000埃制作P面電極；8)將襯底減薄至150微米，進(jìn)行拋光；9)淀積5000埃二氧化硅，采用反應(yīng)離子刻蝕的方法，刻蝕出直徑為70微米的窗口，反應(yīng)離子刻蝕二氧化硅，保留二氧化硅用作掩膜層；10)采用濕法腐蝕的方法腐蝕磷化銦襯底，腐蝕出深度為30微米直徑為70微米的光入射窗口；11)生長1610埃的氮化硅，光刻直徑為70微米的圓臺，反應(yīng)離子刻蝕氮化硅，保留的氮化硅用作增透層；12)光刻N(yùn)面電極圖形，濺射電極，帶膠剝離，得到N面電極；13)在415℃下合金時(shí)間55秒，使電極合金化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法， 其特征在于外延從下至上依次為摻S的N型磷化銦襯底(1)，1微米N型磷化銦緩沖層(2)， 2微米摻雜濃度為lX1015cnT3的i型銦鎵砷吸收層(3)，0. 2微米N型磷化銦層(4)，0. 12微 米銦鎵砷磷漸變層(5)，0. 4微米N型磷化銦電荷控制層(6)和3. 5微米輕N型倍增層(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法， 其特征在于第一次擴(kuò)散窗口直徑為70微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法， 其特征在于擴(kuò)散在MOCVD腔室內(nèi)進(jìn)行，樣品置于反應(yīng)室底座上，底座在擴(kuò)散過程中不停旋 轉(zhuǎn)，氣體通過反應(yīng)室頂部的密布小孔噴入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法， 其特征在于用體積比為1 1的磷酸鹽酸溶液腐蝕10分鐘，腐蝕出深度為30微米、直徑 為70微米的窗口(16)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法， 其特征在于光刻N(yùn)面電極圖形，在增透層(17)外依次濺射鈦400埃、鉬500埃、金2500埃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用外延設(shè)備制作雙擴(kuò)散式背面入光的光雪崩管方法。采用MOCVD外延設(shè)備在磷化銦襯底上進(jìn)行雪崩光電二極管的一次外延，采用MOCVD外延設(shè)備的雙擴(kuò)散法進(jìn)行摻雜，濺射的方法制作P面電極，襯底減薄、拋光，采用濕法腐蝕方法制作光入射窗口，增透層，濺射的方法制作N面電極，合金化。本發(fā)明采用雙擴(kuò)散方法，在擴(kuò)散過程中，通過控制擴(kuò)散源流量，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同濃度的漸變式摻雜；在擴(kuò)散中形成突變結(jié)。采用本發(fā)明擴(kuò)散均勻性好，片成品率高，制作的背面進(jìn)光雪崩光電二極管，具有暗電流小、靈敏度高、串聯(lián)電阻小、可靠性高等特點(diǎn)。
文檔編號H01L31/18GK101950775SQ20101025684
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者吳瑞華, 唐琦, 秦龍 申請人:武漢華工正源光子技術(shù)有限公司