CN108511467A - 一种近红外宽光谱的cmos单光子雪崩二极管探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩二极管探测器，包括同轴设置的呈圆柱形的P型衬底、P外延区、深N阱区、中心N阱区、N+区以及圆环形的第一P阱区、侧N阱区、第二P阱区和P+区。本发明提出的SPAD探测器在深N阱与P‑外延层之间形成深的主雪崩区，可探测近红外短波光子；同时深N阱内部有两个浅的次雪崩环区，可探测短波光子，从而实现从蓝光到近红外短波的宽光谱光子探测。本发明可在标准CMOS工艺制作，具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩光电二极管探测器，属于光电技术领域。
背景技术
单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件具有探测效率高、响应速度快、功耗低等优点，已广泛应用于生物医学、军事和光通信等领域。基于CMOS工艺的SPAD探测器可以将SPAD器件和淬灭、计数以及读出等电路集成在一个芯片内，从而实现低成本、高集成度和高可靠性的阵列探测器。然而在距离测量、荧光寿命分析、光学层析成像和光纤通信等特定应用领域，为了避免SPAD探测器的激光光源对人眼的伤害，激光波长一般要求在1.5μm-2.5μm的红外波段，但是基于CMOS工艺的硅基雪崩二极管无法探测红外波段的光子。近红外波段激光虽然对人眼有一定的伤害，但伤害程度比蓝光有很大程度的降低。例如采用0.7μm-1.4μm的近红外激光，在测距或3D成像时可明显减小对人眼的伤害；在生物荧光寿命成像和光学层析成像时可以减少细胞损伤，并可深入组织中探测。然而传统的CMOS SPAD结构通过浅源/漏区与N阱之间或者P阱和深N阱之间形成雪崩区，由于雪崩区结深较浅，只能对蓝光和绿光进行响应，对于近红外短波光子探测效率非常低。为了实现对近红外短波光子的探测，非常迫切需要一种深结的高灵敏度的CMOS单光子雪崩二极管探测器。
发明内容
本发明旨在针对传统CMOS SPAD探测器不能探测近红外短波光子的问题，提出了一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩二极管探测器。该探测器通过P-外延层区与深N阱区之间形成的PN结作为主雪崩区，可实现对近红外短波光子的探测。而且探测器的雪崩区面积较大，雪崩电场强，可实现高的光子探测效率。
技术方案：
一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩二极管探测器，包括同轴设置的呈圆柱形的P型衬底、P外延区、深N阱区、中心N阱区、N+区以及圆环形的第一P阱区、侧N阱区、第二P阱区和P+区；
所述P-外延层区设置在所述P型衬底的上方，在所述P型衬底与所述P-外延层区之间的中间设置有P+埋层区；所述深N阱区设置在所述P-外延层的中间位置位于所述P+埋层区上端，所述深N阱区与所述P+埋层区之间设有间隙；所述中心N 阱区设置在所述深N阱区上部中间位置，所述第一P阱区设置在所述中心N阱区外侧，所述侧N阱区设置在所述第一P阱区外侧，所述侧N阱区的外径小于所述深N 阱区的直径，所述侧N阱区、第一P阱区和中心N阱区的上下端面平齐；在所述深 N阱区表面设置有N+区，所述N+区的下端面与所述侧N阱区、第一P阱区、中心 N阱区均接触，所述N+区的直径大于所述深N阱区的直径；在所述P-外延层上部位于所述深N阱区外侧设置有第二P阱区，在所述第二P阱区表面设置有P+区，所述第二P阱区的上端面与所述N阱区的上端面平齐，所述P+区的上端面与所述N+ 区的上端面平齐；在所述P+区内外侧上均设置有浅沟槽隔离区，所述浅沟槽隔离区的上端面与所述P+区的上端面平齐，所述浅沟槽隔离区的下端面深于所述P+区的下端面；在所述P+区上端引出阳极，在所述P阱区的上端引出阴极。
所述P+埋层区的形状为圆柱形或椭球形。
所述CMOS单光子雪崩二极管探测器长26μm，深11μm；其中P+埋层区长9μm，深N阱区长10μm，中心N阱区长2μm，第一P阱区长3μm，侧N阱区长1μm， N+区长11μm，第二P阱区长2μm，P+区长1μm，P+区左右侧的浅沟槽隔离区长分别为0.5μm、1.5μm，阳极长0.5μm，阴极长0.5μm；所述长度为所述探测器横截面横向长度。
所述第二P阱区与所述深N阱区之间的距离为3-5μm。
一种CMOS单光子雪崩二极管探测器的制作方法，包括步骤：
1)、在硅晶圆上离子注入P型杂质形成P型衬底；
2)、在P型衬底表面涂光刻胶，刻蚀掉P+埋层区所在位置的光刻胶后离子注入P型杂质形成P+埋层区，并去除表面光刻胶；
3)、向上外延P型杂质形成P-外延层；
4)、在所述P-外延层表面涂上光刻胶并去除P+区两侧位置上的光刻胶，刻蚀掉该位置的P-外延层并用SiO2填充分别形成浅沟槽隔离区，去除所有光刻胶；
5)、在所述P-外延层表面涂上光刻胶并刻蚀掉深N阱区4所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成深N阱区，去除所有光刻胶；
6)、在步骤5)形成的结构表面涂上光刻胶，并刻蚀掉中心N阱区和侧N阱区所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质分别形成中心N阱区和侧N阱区，去除所有光刻胶；
7)、在步骤6)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一P阱区和第二P阱区所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，高温退火，分别形成第一P阱区和第二P 阱区；去除所有光刻胶；
8)、在步骤7)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉N+区所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质，形成N+区，去除所有光刻胶；
9)、在步骤8)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉P+区所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，形成P+区，去除所有光刻胶；
10)、在步骤9)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一P阱区和第二P阱区区域的光刻胶，淀积铝，形成金属区，即为阴极和阳极，去除所有光刻胶。
有益效果：
1、本发明提出的SPAD探测器在深N阱与P-外延层之间形成深的主雪崩区，可探测近红外短波光子；同时深N阱内部有两个浅的次雪崩环区，可探测短波光子，从而实现从蓝光到近红外短波的宽光谱光子探测。
2、本发明提出的SPAD探测器在深N阱与P-外延层之间形成主雪崩区，该雪崩区很厚；且主雪崩区下方设置有重掺杂的P+埋层区，可以减小器件的串联电阻并有效增强主雪崩区的电场，因此可获得高的光子探测效率。
3、本发明提出的SPAD探测器可在标准CMOS工艺制作，具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强等优点。
附图说明
图1为本发明的单光子雪崩二极管探测器结构俯视示意图。
标识说明：1，P型衬底；2，P+埋层；3，P-外延层；4，深N阱区；5，浅沟槽隔离(STI)区；6，P+区；7，浅沟槽隔离区；8，N+区；9，侧N阱区；10，第一 P阱区；11，中心N阱区；12，第二P阱区；13，阳极；14，阴极。
图2是本发明的单光子雪崩二极管探测器横截面结构示意图。
图3为本发明单光子雪崩二极管基于0.18μm CMOS工艺的仿真电场分布图。
标识说明：1-次雪崩环区1；2-次雪崩环区2；3-主雪崩区。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的单光子雪崩二极管探测器结构俯视示意图。图2为SPAD探测器沿着图1中AB方向的剖面结构示意图。如图1、图2所示，本发明的SPAD探测器结构为：包括同轴设置的呈圆柱形的P型衬底1、P外延区3、深N阱区4、中心 N阱区11、N+区8以及圆环形的第一P阱区10、侧N阱区9、第二P阱区12、P+ 区6、浅沟槽隔离区5和浅沟槽隔离区7；在所述P型衬底1的上方设置有低掺杂的 P-外延层区3，在所述P型衬底1与所述P-外延层区3之间的中间设置有重掺杂的 P+埋层区2，在本发明中，P+埋层区2的形状为圆柱形或椭球形；在P-外延层3的中间位置位于所述P+埋层区2上端设有深N阱区4，所述深N阱区4与所述P+埋层区2之间设有间隙；在所述深N阱区4内设有侧N阱区9、第一P阱区10、中心 N阱区11，N阱区11设置在深N阱区4上部中间位置，第一P阱区10设置在中心 N阱区11外侧，侧N阱区9设置在第一P阱区10外侧，所述侧N阱区9、第一P 阱区10和中心N阱区11的上下端面平齐，在深N阱区4表面设置有重掺杂的N+ 区8，所述N+区8的下端面与所述侧N阱区9、第一P阱区10、中心N阱区11均接触，所述N+区8的直径大于所述深N阱区4的直径；在P-外延层3上部位于所述深N阱区4外侧设置有第二P阱区12，在第二P阱区12表面设置有重掺杂的P+ 区6，所述第二P阱区12的上端面与所述侧N阱区9的上端面平齐，所述P+区6 的上端面与所述N+区8的上端面平齐；在P+区6内外侧上均设置有浅沟槽隔离(STI) 区5、7，所述浅沟槽隔离(STI)区5、7的上端面与所述P+区6的上端面平齐，所述浅沟槽隔离(STI)区5、7的下端面深于所述P+区6的下端面；所述浅沟道隔离 (STI)区5用于隔离P+区6与深N阱区4，浅沟道隔离(STI)区7用于P+区6 和外围器件隔离；在所述第二P阱区12上端引出阳极13，在深N阱4中第一P阱区10的上端引出阴极14。
本发明SPAD探测器的主雪崩区为P-外延层区3与深N阱区4形成的深PN结，可探测近红外短波光子。当单光子雪崩二极管工作在盖革模式下，P-外延层区3与深N阱区4交界处形成的主雪崩区具有很高的电场，且雪崩区面积较大，具有高的光子探测效率。
本发明除了P-外延层区3与深N阱区4形成的主雪崩区外，还形成两个环状的次雪崩区，即为深N阱区4内的两个对称环状雪崩区，分别由深N阱区4表面重掺杂的N+区8与中心N阱区11外侧的第一P阱区10、中心N阱区11外侧的第一P 阱区10与深N阱区4上方外侧的侧N阱区9、中心N阱区11外侧的第一P阱区 10与深N阱区4上方中间的中心N阱区11、中心N阱区11外侧的第一P阱区10 与深N阱区4形成的4个PN结构成。这两个对称的次雪崩环区由于结深浅，可实现对短波光子的探测，从而扩展了光子波长的探测范围。
本发明采用了P-外延层区3，外侧的第二P阱区12横向扩散严重，为了防止外侧的第二P阱区12与中间深N阱区4在高场下边缘击穿，需要将外侧第二P阱区 12与中间深N阱区4距离适当加大。
本发明使用的P+埋层区2主要是为了提高深N阱区4下方区域的掺杂浓度，使得雪崩电流能流到深N阱的下方，减小探测器的串联电阻，同时加强深N阱区4与 P-外延层区3之间主雪崩区的电场，提高对近红外短波光子的探测效率。
具体实施例1：
给出本发明SPAD探测器具体尺寸：整体SPAD器件长26μm，深11μm。其中 P型衬底1正上方和P-外延层区3之间局部的重掺杂P+埋层区2长9μm，P-外延层 3的上方中间的深N阱区4长10μm，深N阱区4上方中间的中心N阱区11长2μm，中心N阱区11外侧的第一P阱区10长3μm，深N阱区4上方外侧的侧N阱区9 长1μm，深N阱区4表面的重掺杂的N+区8长11μm，P-外延层上方外侧的第二P 阱区12长2μm，第二P阱区12表面的重掺杂的P+区6长1μm，P+区6两侧的浅沟槽隔离(STI)区5、7长分别为0.5μm、1.5μm，第二P阱区12上端引出的阳极13 长0.5μm，深N阱4中第一P阱10上端引出的阴极14长0.5μm。(上述长度都为此探测器横截面横向长度)。图3为具体实施例1在0.18μm CMOS工艺下仿真的电场分布图。图中各个区域包括：两个对称的次雪崩环区1、2，主雪崩区3。从图3 中可以看出：本发明的深N阱下端与P-外延层之间形成主雪崩区，该主雪崩区3很厚，有利于探测近红外光；深N阱内部有两个对称的次雪崩环区1、2，有利于探测低波长的光，从而实现宽光谱探测。
在本发明中，具体的外侧第二P阱区12与中间深N阱区4距离为3-5μm。
通过CMOS工艺实现本发明的SPAD结构的工艺流程：
1)、在硅晶圆上离子注入P型杂质形成P型衬底1；
2)、在P型衬底1表面涂光刻胶，刻蚀掉P型衬底1中间上部的位置(即P+ 埋层区2所在位置)的光刻胶后离子注入P型杂质形成P+埋层区2，并去除表面光刻胶；
3)、向上外延P型杂质形成P-外延层；
4)、在所述P-外延层3表面涂上光刻胶并去除所述P+区6两侧位置上的光刻胶，刻蚀掉该位置的P-外延层3并用SiO2填充形成浅沟槽隔离区5、7，去除所有光刻胶；
5)、在所述P-外延层3表面涂上光刻胶并刻蚀掉深N阱区4所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成深N阱区4，去除所有光刻胶；
6)、在步骤5)形成的结构表面涂上光刻胶，并刻蚀掉中心N阱区11和侧N 阱区9所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质分别形成中心N阱区11和侧N阱区 9，去除所有光刻胶；
7)、在步骤6)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一P阱区10和第二P 阱区12所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，高温退火，分别形成第一P阱区 10和第二P阱区12；去除所有光刻胶；
8)、在步骤7)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉N+区8所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质，形成N+区8，去除所有光刻胶；
9)、在步骤8)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉P+区6所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，形成P+区6，去除所有光刻胶；
10)、在步骤9)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一P阱区10和第二P 阱区12区域的光刻胶，淀积铝，形成金属区，即为阴极和阳极，去除所有光刻胶。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种近红外宽光谱的CMOS单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：包括同轴设置的呈圆柱形的P型衬底、P外延区、深N阱区、中心N阱区、N+区以及圆环形的第一P阱区、侧N阱区、第二P阱区和P+区；
所述P-外延层区设置在所述P型衬底的上方，在所述P型衬底与所述P-外延层区之间的中间设置有P+埋层区；所述深N阱区设置在所述P-外延层的中间位置位于所述P+埋层区上端，所述深N阱区与所述P+埋层区之间设有间隙；所述中心N阱区设置在所述深N阱区上部中间位置，所述第一P阱区设置在所述中心N阱区外侧，所述侧N阱区设置在所述第一P阱区外侧，所述侧N阱区的外径小于所述深N阱区的直径，所述侧N阱区、第一P阱区和中心N阱区的上下端面平齐；在所述深N阱区表面设置有N+区，所述N+区的下端面与所述侧N阱区、第一P阱区、中心N阱区均接触，所述N+区的直径大于所述深N阱区的直径；在所述P-外延层上部位于所述深N阱区外侧设置有第二P阱区，在所述第二P阱区表面设置有P+区，所述第二P阱区的上端面与所述N阱区的上端面平齐，所述P+区的上端面与所述N+区的上端面平齐；在所述P+区内外侧上均设置有浅沟槽隔离区，所述浅沟槽隔离区的上端面与所述P+区的上端面平齐，所述浅沟槽隔离区的下端面深于所述P+区的下端面；在所述P+区上端引出阳极，在所述P阱区的上端引出阴极。
2.根据权利要求1所述的CMOS单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：所述P+埋层区的形状为圆柱形或椭球形。
3.根据权利要求1所述的CMOS单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：所述CMOS单光子雪崩二极管探测器长26μm，深11μm；其中P+埋层区长9μm，深N阱区长10μm，中心N阱区长2μm，第一P阱区长3μm，侧N阱区长1μm，N+区长11μm，第二P阱区长2μm，P+区长1μm，P+区左右侧的浅沟槽隔离区长分别为0.5μm、1.5μm，阳极长0.5μm，阴极长0.5μm；所述长度为所述探测器横截面的横向长度。
4.根据权利要求3所述的CMOS单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：所述第二P阱区与所述深N阱区之间的距离为3-5μm。
5.一种如权利要求1所述的CMOS单光子雪崩二极管探测器的制作方法，其特征在于：包括步骤：
1)、在硅晶圆上离子注入P型杂质形成P型衬底；
2)、在P型衬底表面涂光刻胶，刻蚀掉P+埋层区所在位置的光刻胶后离子注入P型杂质形成P+埋层区，并去除表面光刻胶；
3)、向上外延P型杂质形成P-外延层；
4)、在所述P-外延层表面涂上光刻胶并去除P+区两侧位置上的光刻胶，刻蚀掉该位置的P-外延层并用SiO2填充分别形成浅沟槽隔离区，去除所有光刻胶；
5)、在所述P-外延层表面涂上光刻胶并刻蚀掉深N阱区4所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成深N阱区，去除所有光刻胶；
6)、在步骤5)形成的结构表面涂上光刻胶，并刻蚀掉中心N阱区和侧N阱区所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质分别形成中心N阱区和侧N阱区，去除所有光刻胶；
7)、在步骤6)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一P阱区和第二P阱区所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，高温退火，分别形成第一P阱区和第二P阱区；去除所有光刻胶；
8)、在步骤7)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉N+区所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质，形成N+区，去除所有光刻胶；
9)、在步骤8)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉P+区所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，形成P+区，去除所有光刻胶；
10)、在步骤9)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一P阱区和第二P阱区区域的光刻胶，淀积铝，形成金属区，即为阴极和阳极，去除所有光刻胶。
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