半导体器件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种半导体器件(10)，其包括：衬底(11)；光子半导体层(12)；第一绝缘体层(13)，其在该光子半导体层(12)的上方；和透镜层(14)，其在该第一绝缘体层(13)的顶部上。还公开了一种用于制造半导体器件的方法。该方法包括以下步骤：形成衬底；在该衬底上形成光子半导体层；在该光子半导体层上方形成第一绝缘体层；和在该绝缘体层的顶部上形成透镜层。和在该绝缘体层的顶部上形成透镜层。和在该绝缘体层的顶部上形成透镜层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体器件及其制造方法


[0001]本文所公开的内容大体上涉及半导体器件，更具体地涉及一种具有悬置透镜的半导体器件，例如光电二极管，以及一种用于制造该半导体器件的方法。

技术介绍

[0002]铜互连技术不适用于超过每秒20千兆比特(Gb/s)的数据通信。与铜互连技术不同，光信号传输不存在任何电阻电容(Resistive
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capacitive，RC)时延限制和功耗问题，并且在很大程度上主导短距离和长距离数据传输。光纤技术的关键部件是硅光电器件，例如光电二极管、发光二极管(light emitting diodes，LED)、激光二极管等，用于光电信号转换，反之亦然。因此，提高光电子器件的速度和响应率/发射率对于像局域网和芯片间互连等应用至关重要。光电二极管可以是正入射(normal incidence，NI)型或边缘耦合(edge
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coupled，EC)型。类似地，LED可以是表面发射型或边缘发射型。在NI型光电二极管和表面发射型LED中，入射到器件上的光量由二极管的表面积决定。
[0003]因此，减小表面积的方法对于速度是有利的。这可以通过使用透镜使入射到较小二极管上的光会聚或使从较小二极管发射的光发散来实现。在这种透镜的典型应用中，高折射率的电介质被制成会聚透镜，并嵌入到低折射率的膜中。在该方案的一种形式中，这些可以分别是氮化硅(n＝2)和二氧化硅(n＝1.45)，这些材料与当今的高容量CMOS制造线兼容。然而，这种透镜的集成受到诸如氧化物包层的总厚度和常用半导体膜的折射率的限制。对于给定的几何形状，折射率更高的透镜折射更强烈，并且能够将光聚焦到更小的二极管上。这种聚焦透镜的结构如图2所示。通过比较如图1中不具有透镜的和图2中具有透镜的典型光电二极管的工作方式，可以理解，透镜减少了对更宽感光区域的需要。
[0004]美国专利公开号：US 20060073623A1公开了一种用于在半导体衬底上形成微透镜阵列的方法。该方法采用在衬底上形成透明层，并在透明层的顶部上形成化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)停止层。将透镜成形层沉积在CMP停止层的顶部上，并被蚀刻以形成凹腔。此外，通过各向异性蚀刻将腔通过CMP停止层转移到透明层中，并且将透镜材料沉积到腔中以模制微透镜。
[0005]美国专利号：US 9349765 B2公开了一种用于晶片级相机的悬置透镜系统，其中悬置弯月形透镜结合至衬底。透镜系统使用间隔件而安装在图像传感器上。悬置的弯月形透镜在单个模制步骤中被模制，然后结合至衬底。由于透镜是单独模制并结合至衬底，因此很有可能污染透镜，并且可能需要昂贵且复杂的对准系统来对该透镜系统相对于图像传感器进行精确对准。
[0006]因此，需要一种半导体器件和用于制造该半导体器件的方法，其中可以以简单的方式精确对准透镜而不污染该器件。此外，需要一种用于半导体器件的透镜，其能够减小光子半导体层的尺寸并提高器件的响应率/发射率和速度。

技术实现思路

[0007]本专利技术涉及一种半导体器件，其中该半导体器件包括：衬底；光子半导体层；第一绝缘体层，其在该光子半导体层的上方；和透镜层，其在所述第一绝缘体层的顶部上。透镜层包括透镜部分，并且第一绝缘体层包括与透镜部分同轴对准的空腔，其中空腔的周长至少等于透镜部分的周长。
[0008]在优选实施例中，透镜层包括围绕透镜部分的一个或多个孔，并且第一绝缘体层包括透镜部分下方的空腔，以悬置透镜部分。在光子半导体层和第一绝缘体层之间形成一个或多个第二绝缘体层和电介质层的堆叠。第二绝缘体层和电介质层彼此交替地布置以形成该堆叠。
[0009]此外，在半导体器件中提供两个或更多个电连接器，用于将光子半导体层电连接到外部设备。半导体器件是光电二极管、发光二极管(LED)、激光二极管或光伏电池，并且外部设备是电源、电子部件、电子控制器等。透镜层由例如氮化硅的电介质材料形成。
[0010]在本专利技术的一个方面，光子半导体层能够发射电磁辐射。在本专利技术的另一方面，光子半导体层能够吸收电磁辐射。
[0011]悬置的透镜部分的最大厚度大于平面部分的最大厚度。此外，在透镜层沉积在第一绝缘体层上之后，形成空腔。因此，本专利技术允许透镜层直接形成在绝缘体层的顶部上，这又避免了单独模制透镜然后将其组装在半导体器件上的需要，因此消除了在制造期间污染半导体器件的任何机会。此外，由于透镜层直接形成在器件本身上，因此透镜部分可以与光子半导体层精确对准，而不使用任何复杂的组装系统。
[0012]本专利技术还涉及一种用于制造半导体器件的方法。该方法包括以下步骤：形成衬底，在衬底上外延生长光子半导体层，在光子半导体层上方形成第一绝缘体层，在该绝缘体层的顶部上形成透镜层；其中该透镜层包括透镜部分和平面部分。该透镜层通过以下方式形成：通过蚀刻第一绝缘体层以在绝缘体层的顶表面上形成凹陷(pit)，在第一绝缘体层的顶表面上沉积电介质层以在该凹陷中形成透镜部分和在顶表面的剩余部分上形成平面部分；其中透镜部分的厚度大于平面部分的厚度。此外，移除透镜部分下方的绝缘体层的一部分以悬置该透镜部分。
附图说明
[0013]从下面给出的详细描述和附图，可以充分理解本专利技术，附图仅作为示例给出，因此不限制本专利技术，其中：
[0014]在附图中：
[0015]图1示出了没有透镜的传统光电二极管的剖面图；
[0016]图2示出了具有透镜的传统光电二极管的剖面透视图；
[0017]图3A
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3I示出了根据本专利技术示例性实施例的在制造过程中半导体器件的剖面图；和
[0018]图4示出了根据本专利技术示例性实施例的半导体器件的剖面透视图；
[0019]图5示出了根据本专利技术示例性实施例的半导体器件的剖开前视图；
[0020]图6示出了根据本专利技术示例性实施例的制造半导体器件的方法的流程图；
[0021]图7示出了在透镜部分下方没有空腔和在透镜部分下方具有空腔的半导体器件中
的光线路线的剖面图；以及
[0022]图8示出了半导体器件的剖面图，该半导体器件具有支撑透镜部分的20％底表面的第一绝缘体层。
具体实施方式
[0023]本文公开了本专利技术的优选实施例的详细描述。然而，应当理解，实施例仅仅是本专利技术的示例性实施例，本专利技术可以以各种形式体现。因此，本文所公开的细节不应被解释为限制性的，而仅作为权利要求的基础和对本专利
的技术人员的教导。本说明书中使用的数值数据或范围不应被解释为限制性的。现在将根据附图单独地或组合地描述优选实施例的以下详细描述。
[0024]本文中使用的各种术语定义如下。如果权利要求中使用的术语未在下文中定义，则应理解为所属领域的人员对出版物(例如，词典、文章或已公开的专利申请)和申请日已发布的专利中所反映的该术语所给出的最广泛的定义。
[0025]定义：
[0026]悬置的透镜(suspended l本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体器件(10)，包括：(a)衬底(11)；(b)至少一个光子半导体层(12)；(c)至少一个第一绝缘体层(13)，其在所述光子半导体层(12)的上方；(d)至少一个透镜层(14)，其在所述第一绝缘体层(13)的顶部上，其特征在于：
‑
所述透镜层(14)沉积在所述第一绝缘体层(13)上，并包括至少一个透镜部分(15)；和
‑
所述第一绝缘体层(13)包括位于所述透镜部分(15)下方的空腔(13a)。2.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，其中，所述光子半导体层(12)能够发射电磁辐射。3.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，其中，所述光子半导体层(12)能够吸收电磁辐射。4.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，其中，所述半导体器件(10)是光电二极管、发光二极管、激光二极管和光伏电池中的至少一个。5.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，其中，所述透镜层(14)的折射率在1.46
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2.6的范围内。6.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，其中，在所述光子半导体层(12)和所述第一绝缘体层(13)之间形成一个或多个第二绝缘体层(17a)和电介质层(17b)的堆叠(17)。7.根据权利要求6所述的半导体器件(10)，其中，所述第二绝缘体层(17a)和电介质层(17b)彼此交替地布置以形成所述堆叠(17)。8.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，还包括用于将所述光子半导体层(12)电连接到至少一个外部设备的两个或更多个电连接器(18)。9.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，其中，所述透镜层(14)包括围绕所述透镜部分(15)的一个或多个孔(14a)。10.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，其中，所述第一绝缘体层(13)包括位于所述透镜部分(15)下方的空腔(13a)以悬置所述透镜部分(15)。11.根据权利要求10所述的半导体器件(10)，其中，所述空腔(13a)具有平坦的底表面。12...

【专利技术属性】
技术研发人员：加纳赛格，
申请(专利权)人：康庞泰克私人有限公司，
类型：发明
国别省市：