CN108847416A - 吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤通信及光互连领域，为提出一种吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器。所述器件结构能够提高探测器的响应度和工作速度。为此，本发明采用的技术方案是，吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器及其制备方法，由叉指型双光电探测器、第一层金属、第二层金属、氧化物介质和有机硅化物层、氧化硅/氮化硅保护层构成；第一层金属一部分作为周期性金属光栅，一部分用来收集叉指型双光电探测器中的光生载流子，引出阴阳极；第二层金属用来将光电探测器的电流引出，与接触焊盘相连作为阴阳极。本发明主要应用于光电探测器的设计制造场合。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信及光互连领域，涉及一种与硅基CMOS工艺兼容的光电探测器结构，涉及利用氧化、光刻、刻蚀、离子注入、金属化等一系列硅基CMOS工艺技术实现此种探测器的制备方法，具体讲，涉及光栅耦合型光电探测器及其制备方法。
背景技术
如今，随着处理器性能的大幅度提升，等待数据的时间已超过处理数据的时间，终端用户的信息需求已由纯文本数据转变为视频、流媒体数据，使得短距离通信和甚短距离通信的带宽需求激增，传统的电网络已难以满足短距离通信对带宽的要求。与传统的电网络相比，光通信网络能够提升数据传输速率，满足实际应用中对带宽的要求，除此之外，光通信网络还有大容量和低损耗的优势，因此，在远距离通信和核心网组建中越来越多的用户选择光通信网络，使其成为通信中的主流。
一个完整的光通信网络由发射机、中继器和光接收机三大模块组成。发射机将携带数据信息的电信号转化为光信号，中继器用来对传输过程中功率衰减的光信号进行功率放大，光接收机将光信号还原成携带数据信息的电信号。虽然光通信在远距离通信中取代了电网络得到了广泛的应用，但由于短距离通信中，信道是少量用户共享的，对成本有所要求，而现行的光通信系统多采用引线键合的方式将高性能的光电探测器和光接收机专用集成电路芯片混合集成在在同一个PCB上，其成本高昂，严重制约了其在短距离通信的市场化。相比之下，单片集成光接收机成本低，面积小，便于大规模市场化。作为单片集成光接收机的重要组成部分，研究高性能、与硅基工艺兼容的光电探测器成为实现单片集成光接收机的研究重点。
然而，在标准的硅基CMOS工艺中，受硅材料自身特性和工艺结构的限制，基于CMOS工艺研制的光电探测器难以同时兼顾速度和响应度。通常情况下，标准CMOS工艺制备的PN结光电二极管的带宽仅为数十MHz，远远不能满足高速光通信及光互连的需求。为了进一步拓展与标准CMOS工艺兼容探测器的带宽，同时实现差分输出，毛陆虹等人提出了双光电二极管结构的探测器(ZL 200310101069.5)和带平面螺旋电感的光电探测器(ZL200720098995.5)，将器件本征带宽扩展至数百MHz。谢生等人提出一种空间调制结构的光电探测器(ZL201410033300.X)和表面等离子激元的光电探测器(201611081348.3)，分别实现了探测器全差分输出和探测器响应度的提高。尽管基于标准CMOS工艺的光电探测器取得了很大进展，但响应度和响应速度的折衷问题仍需进一步优化。
发明内容
为克服现有技术的不足，解决传统结构光电探测器在速度和响应度之间相互的制约，本发明旨在提出一种吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器。所述器件结构能够提高探测器的响应度和工作速度。由于本发明所述探测器基于标准CMOS工艺，所以与CMOS电路完全兼容，可实现光电器件和电子电路的单片集成。为此，本发明采用的技术方案是，吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器，由叉指型双光电探测器、第一层金属、第二层金属、氧化物介质和有机硅化物层、氧化硅/氮化硅保护层构成；
第一层金属一部分作为周期性金属光栅，一部分用来收集叉指型双光电探测器中的光生载流子，引出阴阳极；
第二层金属用来将光电探测器的电流引出，与接触焊盘相连作为阴阳极；
叉指型双光电探测器由P型的硅基底P-sub、P-sub中用来与P-sub形成二极管收集基底深处慢生载流子的N阱、N阱内用来收集所述的N阱内载流子的P型重掺杂区域P+、N阱内与所述N阱内的P型重掺杂区域P+等间隔相邻且用来将N阱接Vdd的N型重掺杂区域N+、N阱外用来将P-sub接地的P型重掺杂区域P+，其中，叉指型双光电探测器N阱中的N+和P+在空间上形成叉指状结构，在叉指状结构所有N+区相交的上方淀积第一层金属用来引出阴极，在叉指状结构所有P+区相交的上方淀积第一层金属用来引出阳极，在叉指状结构N+和P+间隔相邻的区域上方淀积第一层金属作为周期性金属光栅，且所述周期性金属光栅与叉指型双光电探测器的指状N+和P+平行；在用来引出阴阳极的第一层金属上制作第二层金属作为对应的阴阳极，且两层金属间通过通孔相连；第一层金属与第二层金属之间是氧化物介质和有机硅化物；所述光栅耦合型硅基光电探测器最表面是氧化硅/氮化硅保护层。
吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器制备方法，步骤如下：
1)对硅片进行P型轻掺杂，形成P型的硅基底，即P-sub；
2)利用氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光步骤在P-sub上制备浅槽隔离STI，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响；
3)在浅槽隔离之间的有源区内制备一个中等掺杂浓度的N阱，与P-sub形成一个屏蔽二极管，用来屏蔽衬底深处产生的慢生载流子；
4)在N阱内外进行P型重掺杂P+，N阱外的P型重掺杂用来将衬底接地，N阱内的P型重掺杂用来与N阱形成工作二极管，收集光生载流子，N阱内的P型重掺杂P+构成插指状结构的P+部分；
5)在N阱内进行N型重掺杂N+，N+构成插指状结构的N+部分；
6)在晶片上表面淀积氧化物介质，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备出用来收集叉指型双光电探测器中的光生载流子并引出阴阳极的金属，并用第一层金属制作周期性金属光栅，其中，在叉指状结构所有N+相交的上方淀积第一层金属用来引出阴极，在叉指状结构所有P+区相交的上方淀积第一层金属用来引出阳极，在叉指状结构N+和P+间隔相邻的区域上方淀积第一层金属作为周期性金属光栅，且所述周期性金属光栅与叉指型双光电探测器的指状N+和P+平行；
7)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆有机硅化物；
8)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其他高层互连金属作为阴阳极，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘；
9)在芯片上表面顺序淀积氧化硅/氮化硅钝化层，防止芯片划伤和外界环境的影响。
一个实例中的具体制备步骤如下：
1)对硅片进行P型轻掺杂，形成P型的硅基底，即P-sub1；
2)利用氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光工艺在P-sub1上制备浅槽隔离STI2，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响；
3)在浅槽隔离区内制备一个中等掺杂浓度的N阱，N阱的宽为30μm，深为400nm，掺杂浓度为1×15cm-3；
4)在N阱内外进行P型重掺杂，掺杂浓度为5×19cm-3，N阱外的P型重掺杂用来将衬底接地，N阱内的P型重掺杂用来与N阱形成工作二极管，收集光生载流子，且N阱内的P型重掺杂区宽度为1μm；
5)在N阱内进行N型重掺杂，宽度为1μm，且N型重掺杂区与N阱中的P型重掺杂区的间距为1μm；N型重掺杂区为N+指，是指状结构的N+区；
6)在晶片上表面淀积氧化物介质，介质的厚度为1μm，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备出光电探测器的阴极和阳极，并用第一层金属制作周期性金属光栅，光栅的周期为460nm，高度为191nm，宽度为248nm；
7)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆厚度为1.28μm的有机硅化物；
8)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备第二层互连金属，金属厚度为0.58μm，用于将光电探测器的光电流引出；
9)在芯片上表面顺序淀积厚度为8.72μm氧化硅/氮化硅钝化层，防止芯片划伤和外界环境的影响。
本发明的特点及有益效果是：
(1)本发明所述光电探测器基于标准CMOS工艺，可以实现单片集成光接收机和光互连。
(2)采用二维结构的周期性金属光栅与入射光耦合，利用周期性金属光栅与介质表面产生的表面等离子体激元和周期性金属光栅狭缝间的类F-P共振将光局域在有源层表面，增加光电探测器对光的吸收；利用叉指型双光电探测器屏蔽衬底深处产生的削弱探测器工作速度的慢生光生载流子，提高探测器的工作速度。从而，解决了探测器难以同时兼顾响应度和响应速度的难题。
(3)对不同波长的入射光，通过优化调整光栅结构参数，可以改变光电探测器的峰值响应波长，可用于光纤通信、可见光通信及光互连等不同领域。
附图说明：
图1为光栅耦合型硅基光电探测器的简化结构示意图。
图2为叉指型双光电探测器的结构示意图。
图3为探测器有源层对光的归一化吸收系数与光栅周期的关系图。
图4为探测器有源层对光的归一化吸收系数与光栅高度的关系图。
图5为探测器有源层对光的归一化吸收系数与光栅宽度的关系图。
图6为引入周期性金属光栅的叉指型双光电探测器的俯视结构图。
图7为沿图6中横截面切割线切割看到的探测器的剖面图。
具体实施方式
本发明提出的基于标准CMOS工艺的吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器主要包括叉指型双光电探测器和周期性金属光栅。当入射光从金属一侧辐照条状周期性金属光栅表面时，周期性金属光栅中自由电子的电荷密度波将与入射电磁波产生耦合作用，导致电荷密度涨落，引发集体震荡，产生沿金属与电介质表面传播的等离子体激元。且相邻周期性金属光栅间形成一个类法布里-珀罗(类F-P)腔，当类F-P腔发生共振时将光场局域在金属狭缝间。这两种效应将绝大部分入射光限制在光栅附近，即探测器的表面，降低周期性金属光栅对入射光的反射，有利于增加光电探测器的响应度。光进入到叉指型双光电探测器的有源层后，会在硅中产生光生载流子。叉指型双光电探测器的P+/N阱和N阱/P-sub分别形成工作和屏蔽二极管，工作时下都处于反偏状态。其中，工作二极管用来探测光信号，在外电场的作用下N阱中的光生载流子被P+有源区电极收集，然后经过金属互连线引出作为输出端。屏蔽二极管用来屏蔽衬底深处的慢扩散光生载流子，从而在不增加光电探测器面积的情况下提高器件的高频性能。另外，N阱和衬底分别接Vdd和Gnd，结构中的周期性金属光栅只用来减少探测器对入射光的反射，不作为光电探测器的金属电极收集光生载流子，光生载流子的收集由叉指型双光电探测器的电极收集。
实现本发明所述光电探测器的主要工艺步骤包括：
1)对硅片进行P型轻掺杂，形成P型的硅基底，即P-sub。
2)利用氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光步骤在P-sub上制备浅槽隔离STI，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响。
3)在浅槽隔离之间的有源区内制备一个中等掺杂浓度的N阱，与P-sub形成一个屏蔽二极管，用来屏蔽衬底深处产生的慢生载流子。
4)在N阱内外进行P型重掺杂(P+)，N阱外的P型重掺杂用来将衬底接地，N阱内的P型重掺杂用来与N阱形成工作二极管，收集光生载流子。
5)在N阱内进行N型重掺杂。
6)在晶片上表面淀积氧化物介质，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备出用来收集叉指型双光电探测器中的光生载流子并引出阴阳极的金属，并用第一层金属制作周期性金属光栅。
7)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆有机硅化物。
8)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其他高层互连金属作为阴阳极，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘。
9)在芯片上表面顺序淀积氧化硅/氮化硅钝化层，防止芯片划伤和外界环境的影响。
本发明所述光电探测器的优化结构参数是通过利用时域有限差分法(FDTD)求解电磁场的软件仿真得到的。评价金属光栅对探测器吸收性能影响的指标为有源层的归一化吸收系数，其定义为有/无金属光栅时有源层对光的吸收总量之比，即ANorm＝Pwith/Pwithout。
在标准CMOS工艺下，硅基底的厚度为数百微米，足以完全吸收入射光，故不考虑硅层的厚度对于器件性能的影响。在优化金属光栅结构参数时，首先考虑光栅周期对器件性能的影响，其次考虑光栅高度对器件性能的影响，最后考虑光栅宽度对器件性能的影响。
图1为器件的简化结构示意图。其中，101为叉指型双光电探测器、102为Al周期性金属光栅、103为p极化入射光。图2为叉指型双光电探测器的结构图，即101。其中，104为P-sub、105为N阱、106为P+、107为N+、108为地Gnd、109为阳极(Anode)、110为阴极(Cathode)。P+/N阱和N阱/P-sub分别形成工作二极管和屏蔽二极管。(图1的结构说明)金属光栅将入射光局域在光栅附近，即探测器表面，被局域的入射光入射到探测器中产生光生载流子，叉指型双光电探测器的屏蔽二极管将衬底深处的慢生载流子屏蔽，工作二极管在外电场的作用下收集N阱中的载流子形成光电流，完成光电转化，并由P+电极引出作为输出端。(光电探测器即图7的工作原理)。
标准CMOS工艺中必备的氧化物介质和有机硅化物、器件最表面的用来防止芯片划伤和外界环境影响的氧化硅/氮化硅保护层。其中，叉指型双光电探测器N阱中的N+和P+在空间上形成叉指状结构，在N+相交的上方制作第一层金属作为探测器的阴极，在P+相交的上方制作第一层金属作为探测器的阳极，周期性金属光栅制作在N阱内N+和P+间隔相邻的区域上方，按照标准CMOS工艺流程制作第二层互连金属后在其上方淀积氧化硅/氮化硅保护层。
作为优选实施例，下面以用于光纤通信的850nm入射光为例，优化设计本发明所述光探测器的结构参数。
图3为光栅宽度和高度都为200nm，有源层厚度为半无限大，在p极化(电场方向垂直于金属光栅条且λ＝850nm)入射光照射的条件下，光电探测器有源层的归一化吸收系数随光栅周期的变化图。通过调整光栅周期可以使金属光栅与介质表面产生表等离子体激元，光栅的周期和材料的介电常数要满足如下的匹配公式：
其中，kSPP为金属-介质界面的SPP波矢，k0为入射光波矢，εm和εd分别为金属和介质的介电常数，θ为入射光与探测器法矢的夹角，m为整数，P为光栅的周期。由图2可得，当光栅周期为460nm时，探测器对光的归一化吸收系数达到最大值132％。
图4为入射光波长850nm、光栅周期460nm、光栅宽度200nm时，探测器的归一化吸收系数与光栅高度的关系。由图可知，归一化吸收系数随光栅高度的变化呈现出周期性，且当光栅高度为171nm时，归一化吸收系数达到最大值190％。
图5为入射光波长850nm、光栅周期460nm、光栅高度171nm、探测器的归一化吸收系数与光栅宽度的关系。由图可知，当光栅高度为248nm时，归一化吸收系数达到最大值210％。
由上述仿真结果可知，对于入射光波长为850nm的探测器，光栅周期为460nm、光栅高度为171nm、光栅宽度为248nm时，光电探测器对入射光的归一化吸收系数达到最大值210％，即金属光栅的引入使带有光栅耦合的双光电探测器对入射光的吸收是单纯的叉指型双光电探测器吸收的2.1倍，有利于提高工作速度高的叉指型光双电探测器的响应度。
结合附图7，下面详细叙述本发明针对850nm优化结构参数的光电探测器的制备过程。
1)对硅片进行P型轻掺杂，形成P型的硅基底，即P-sub1。
2)利用氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光等标准CMOS工艺在P-sub1上制备浅槽隔离(STI)2，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响。
3)在浅槽隔离区内制备一个中等掺杂浓度的N阱3，N阱的宽为30μm，深为400nm，掺杂浓度为1×15cm-3。
4)在N阱3内外进行P型重掺杂4，掺杂浓度为5×19cm-3，N阱外的P型重掺杂4用来将衬底接地，N阱内的P型重掺杂(P+指，指状结构的P+区)4用来与N阱形成工作二极管，收集光生载流子，且N阱内的P型重掺杂区4宽度为1μm。
5)在N阱内进行N型重掺杂(N+指，指状结构的N+区)5，宽度为1μm，且N型重掺杂区5与N阱中的P型重掺杂区4的间距为1μm。
6)在晶片上表面淀积氧化物介质6，介质的厚度为1μm，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备出光电探测器的阴极和阳极，并用第一层金属制作周期性金属光栅7，光栅的周期为460nm，高度为191nm，宽度为248nm。
7)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆厚度为1.28μm的有机硅化物8。
8)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备第二层互连金属9，金属厚度为0.58μm，用于将光电探测器的光电流引出。
9)在芯片上表面顺序淀积厚度为8.72μm氧化硅/氮化硅钝化层10，防止芯片划伤和外界环境的影响。
综上所述，本发明基于硅基CMOS工艺，在叉指型双光电探测器的表面利用第一层金属引入金属光栅，利用金属光栅-电介质表面产生的表面等离子体激元和相邻金属间形成的类F-P共振将光局域在光栅周围，即探测器表面。由于叉指型双光电探测器屏蔽了衬底深度的慢生光生载流子，其工作速度要高，再通过金属光栅对入射光的局域作用，增加了探测器对入射光的吸收，有利于提高探测器的响应度。有效的解决了硅基光电探测器难以同时兼顾响应度和响应速度的难题。本发明优选实例针对850nm波长的入射光，对光栅结构进行了优化，使器件性能最佳。本发明所提出的光栅耦合型硅基光电探测器为单片集成光接收机和光互连提供了一种解决方案。
Claims (3)
1.一种吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器，其特征是，由叉指型双光电探测器、第一层金属、第二层金属、氧化物介质和有机硅化物层、氧化硅/氮化硅保护层构成；
第一层金属一部分作为周期性金属光栅，一部分用来收集叉指型双光电探测器中的光生载流子，引出阴阳极；
第二层金属用来将光电探测器的电流引出，与接触焊盘相连作为阴阳极；
叉指型双光电探测器由P型的硅基底P-sub、P-sub中用来与P-sub形成二极管收集基底深处慢生载流子的N阱、N阱内用来收集所述的N阱内载流子的P型重掺杂区域P+、N阱内与所述N阱内的P型重掺杂区域P+等间隔相邻且用来将N阱接Vdd的N型重掺杂区域N+、N阱外用来将P-sub接地的P型重掺杂区域P+，其中，叉指型双光电探测器N阱中的N+和P+在空间上形成叉指状结构，在叉指状结构所有N+区相交的上方淀积第一层金属用来引出阴极，在叉指状结构所有P+区相交的上方淀积第一层金属用来引出阳极，在叉指状结构N+和P+间隔相邻的区域上方淀积第一层金属作为周期性金属光栅，且所述周期性金属光栅与叉指型双光电探测器的指状N+和P+平行；在用来引出阴阳极的第一层金属上制作第二层金属作为对应的阴阳极，且两层金属间通过通孔相连；第一层金属与第二层金属之间是氧化物介质和有机硅化物；所述光栅耦合型硅基光电探测器最表面是氧化硅/氮化硅保护层。
2.一种吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器制备方法，其特征是，步骤如下：
1)对硅片进行P型轻掺杂，形成P型的硅基底，即P-sub；
2)利用氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光步骤在P-sub上制备浅槽隔离STI，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响；
3)在浅槽隔离之间的有源区内制备一个中等掺杂浓度的N阱，与P-sub形成一个屏蔽二极管，用来屏蔽衬底深处产生的慢生载流子；
4)在N阱内外进行P型重掺杂P+，N阱外的P型重掺杂用来将衬底接地，N阱内的P型重掺杂用来与N阱形成工作二极管，收集光生载流子，N阱内的P型重掺杂P+构成插指状结构的P+部分；
5)在N阱内进行N型重掺杂N+，N+构成插指状结构的N+部分；
6)在晶片上表面淀积氧化物介质，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备出用来收集叉指型双光电探测器中的光生载流子并引出阴阳极的金属，并用第一层金属制作周期性金属光栅，其中，在叉指状结构所有N+相交的上方淀积第一层金属用来引出阴极，在叉指状结构所有P+区相交的上方淀积第一层金属用来引出阳极，在叉指状结构N+和P+间隔相邻的区域上方淀积第一层金属作为周期性金属光栅，且所述周期性金属光栅与叉指型双光电探测器的指状N+和P+平行；
7)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆有机硅化物；
8)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其他高层互连金属作为阴阳极，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘；
9)在芯片上表面顺序淀积氧化硅/氮化硅钝化层，防止芯片划伤和外界环境的影响。
3.如权利要求2所述的吸收增强的光栅耦合型硅基光电探测器制备方法，其特征是，一个实例中的具体制备步骤如下：
1)对硅片进行P型轻掺杂，形成P型的硅基底，即P-sub1；
2)利用氧化、淀积、光刻、刻蚀及化学机械抛光工艺在P-sub1上制备浅槽隔离STI2，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响；
3)在浅槽隔离区内制备一个中等掺杂浓度的N阱，N阱的宽为30μm，深为400nm，掺杂浓度为1×15cm-3；
4)在N阱内外进行P型重掺杂，掺杂浓度为5×19cm-3，N阱外的P型重掺杂用来将衬底接地，N阱内的P型重掺杂用来与N阱形成工作二极管，收集光生载流子，且N阱内的P型重掺杂区宽度为1μm；
5)在N阱内进行N型重掺杂，宽度为1μm，且N型重掺杂区与N阱中的P型重掺杂区的间距为1μm；N型重掺杂区为N+指，是指状结构的N+区；
6)在晶片上表面淀积氧化物介质，介质的厚度为1μm，并利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备出光电探测器的阴极和阳极，并用第一层金属制作周期性金属光栅，光栅的周期为460nm，高度为191nm，宽度为248nm；
7)采用旋涂工艺在芯片上表面涂覆厚度为1.28μm的有机硅化物；
8)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备第二层互连金属，金属厚度为0.58μm，用于将光电探测器的光电流引出；
9)在芯片上表面顺序淀积厚度为8.72μm氧化硅/氮化硅钝化层，防止芯片划伤和外界环境的影响。
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