CN109148637B - 具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器及制作方法，该二极管探测器沿竖直方向从下往上依次包括有源区、内层介质区、金属隔离介质区和顶部介质区；所述金属隔离介质区内设有第一金属互连区和阶梯光栅结构；所述顶部介质区内设有第二金属互连区；所述第一金属互连区和第二金属互连区在竖直方向上不遮挡所述阶梯光栅结构。本发明通过在金属隔离介质区中引入五级阶梯光栅结构，通过光的衍射效应，增加了有源区内的雪崩区的光子产生率，从而进一步提高器件的光子探测效率，有利于增强器件探测近红外光子的能力。上述探测器可由标准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
本发明涉及一种单光子雪崩二极管探测器及制作方法，尤其涉及一种具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器及制作方法。
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，只能对波长较短的光子进行响应，对于近红外短波光子探测效率非常低，导致探测器的灵敏度低，还不能满足对近红外短波光子的探测需要。
发明内容
发明目的：针对传统CMOS SPAD探测器探测近红外短波光子效率低的问题，本发明提出了一种具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器。
本发明还提供上述具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器的制作方法。
技术方案：本发明的具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器沿竖直方向从下往上依次包括有源区、内层介质区、金属隔离介质区和顶部介质区；所述金属隔离介质区内设有第一金属互连区和阶梯光栅结构；所述顶部介质区内设有第二金属互连区；所述第一金属互连区和第二金属互连区在竖直方向上不遮挡所述阶梯光栅结构。
进一步地，所述阶梯光栅结构和所述金属隔离介质区的折射率不同。
进一步地，所述阶梯光栅结构的上端面与金属隔离介质区的上表面齐平且横截面积随着从金属隔离介质区的上表面垂直往下延伸的深度增加而呈阶梯状减小。
进一步地，所述阶梯光栅结构在沿着从金属隔离介质区的上表面垂直往下延伸的方向上依次包括级联的第一级阶梯介质区、第二级阶梯介质区、第三级阶梯介质区、第四级阶梯介质区和第五级阶梯介质区；每一级阶梯介质区的横截面积为矩形，且第一级阶梯介质区至第五级阶梯介质区的边长依次减小。
进一步地，所述透光孔的下端面与金属隔离介质区的下表面齐平。
进一步地，所述顶部介质区的上方还设有钝化层。
进一步地，所述有源区位于衬底内部且包括N型有源区和设置于所述N型有源区内部上方中心位置的P型有源区，所述N型有源区的上表面包围所述P型有源区的上表面且与衬底的上表面齐平。
上述具有阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器的制作方法包括如下步骤：S1：通过光刻和离子注入在衬底内形成有源区；S2：在步骤S1形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成内层介质区；S3：在步骤S2形成的结构表面淀积铝，刻蚀掉多余的铝以形成第一金属互连区，并磨平表面；S4：在步骤S3形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成金属隔离介质区；S5：在步骤S4形成的结构表面通过光刻和刻蚀形成阶梯光栅结构所在位置处的刻蚀槽；S6：在步骤S5形成的结构表面淀积Si3N4，并磨平表面，形成阶梯光栅结构；S7：在步骤S6形成的结构表面淀积铝，刻蚀掉多余的铝以形成第二金属互连区，并磨平表面；其中，第一金属互连区和第二金属互连区在竖直方向不遮挡阶梯光栅结构；S8：在步骤S7形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成顶部介质区；S9：在步骤S8形成的结构表面淀积SiN并磨平表面，形成钝化层。
进一步地，步骤S5包括如下步骤：S51：在步骤S4形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第一级阶梯介质区所在位置处形成刻蚀槽；S52：在步骤S51形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第二级阶梯介质区所在位置处形成刻蚀槽；S53：在步骤S52形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第三级阶梯介质区所在位置处形成刻蚀槽；S54：在步骤S53形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第四级阶梯介质区所在位置处形成刻蚀槽；S55：在步骤S54形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第五级阶梯介质区所在位置形成刻蚀槽。
进一步地，在步骤S1中，所述有源区位于衬底内部且包括N型有源区和设置于所述N型有源区内部上方中心位置的P型有源区，所述N型有源区的上表面包围所述P型有源区的上表面且与衬底的上表面齐平。
有益效果：本发明与现有技术相比，其优点为：
1、本发明提出的SPAD探测器在P型有源区与N型有源区界面处形成深的雪崩区；同时在金属隔离介质区中引入五级阶梯介质区，形成阶梯光栅，通过光的衍射效应，增加了雪崩区的光子产生率，从而能够进一步提高器件的光子探测效率，有利于增强器件探测近红外光子的能力。
2、本发明提出的SPAD探测器制作工艺与标准CMOS工艺兼容，具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强等优点。
附图说明
图1为本发明阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器俯视示意图；
附图标记说明：1表示第一级阶梯介质区；2表示第二级阶梯介质区；3表示第三级阶梯介质区；4表示第四级阶梯介质区；5表示第五级阶梯介质区；6表示第一金属互连区；7表示第二金属互连区；8表示内层介质区；9表示金属隔离介质区；10表示顶部介质区；11表示钝化层。
图2是本发明阶梯光栅结构的单光子雪崩二极管探测器横截面示意图；
图3为本发明单光子雪崩二极管组成的阵列示意图；
图4为本发明单光子雪崩二极管基于0.18μm CMOS工艺仿真的光子产生率分布图。
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。
如图1和图2所示，本发明的SPAD探测器沿竖直方向自下而上包括有源区、内层介质区8、金属隔离介质区9、顶部介质区10和钝化层11。有源区位于衬底内部且包括N型有源区和设置于N型内部上方中心位置的P型有源区，N型有源区的上表面包围P型有源区的上表面且与衬底的上表面齐平。P型有源区和N型有源区之间形成的耗尽区为单光子雪崩二极管的雪崩探测区。金属隔离介质区9中设有第一金属互连区6和阶梯光栅结构。第一金属互连区6与内层介质区8的上表面接触。顶部介质区10中设有第二金属互连区7。第二金属互连区7与金属隔离介质区9的上表面接触。第一金属互连区6和第二金属互连区7在垂直于衬底的方向上不遮挡所述阶梯光栅结构。阶梯光栅结构包括第一级阶梯介质区1、第二级阶梯介质区2、第三级阶梯介质区3、第四级阶梯介质区4和第五级阶梯介质区5，共五级阶梯光栅。
在阶梯光栅结构中，第一级阶梯介质区1的上端面与金属隔离介质区9的上表面平齐，第一级阶梯介质区1的下方设有第二级阶梯介质区2，第二级阶梯介质区2的长度小于第一级阶梯介质区1的长度；第二级阶梯介质区2的下方设有第三级阶梯介质区3，第三级阶梯介质区3的长度小于第二级阶梯介质区2的长度；第三级阶梯介质区3的下方设有第四级阶梯介质区4，第四级阶梯介质区4的长度小于第三级阶梯介质区3的长度；第四级阶梯介质区4的下方设有第五级阶梯介质区5，第五级阶梯介质区5的长度小于第四级阶梯介质区4的长度，第五级阶梯介质区5的下端面与金属隔离介质区9的下表面平齐。
阶梯光栅结构的折射率不同于金属隔离介质区9的折射率，从而形成透光窗口。入射光从SPAD探测器顶部入射后，经由阶梯光栅结构到达有源区中的雪崩探测区。由于光在通过阶梯光栅时发生了衍射，在雪崩区产生了阶梯状的亮条纹，增加了该区域的光子产生率，从而能够进一步提高器件的光子探测效率，有利于增强器件探测近红外光子的能力。
以下在0.18μm CMOS工艺下给出本发明阶梯光栅结构的SPAD探测器具体尺寸：P型有源区长7μm，N型有源区长13μm，P型有源区和N型有源区上方的内层介质区8厚0.75μm，内层介质区8上方的第一金属互连区6厚0.53μm，第一金属互连区6上方的第二金属互连区7厚0.53μm，第一金属互连区6和第二金属互连区7之间的金属隔离介质区9厚1.38μm，金属隔离介质区9内部的第一级阶梯介质区1厚0.276μm，长4.0μm，第一级阶梯介质区1下方的第二级阶梯介质区2厚0.276μm，长3.2μm，第二级阶梯介质区下方的第三级阶梯介质区3厚0.276μm，长2.4μm，第三级阶梯介质区下方的第四级阶梯介质区4厚0.276μm，长1.6μm，第四级阶梯介质区下方的第五级阶梯介质区5厚0.276μm，长0.8μm，第二层金属区7上方的顶部介质区10厚8.17μm，顶部介质区10上方的钝化层11厚0.6μm。(上述长度都为此探测器横截面横向长度，厚度为探测器横截面纵向长度)。图3为具有上述尺寸的SPAD探测器在0.18μm CMOS工艺下的阵列分布示意图，其中字母a代表阶梯光栅所在区域，字母b表示有源区所在区域。图4为具有上述尺寸的SPAD探测器在0.18μm CMOS工艺下仿真的光子产生率分布图。与图3中一致，其中字母a代表阶梯光栅所在区域，字母b表示有源区所在区域。从图4中可以看出：本发明通过在金属隔离介质区9中引入五级阶梯介质区形成阶梯光栅，经由光的衍射效应，增加了雪崩区的光子产生率，从而能够进一步提高器件的光子探测效率，有利于增强器件探测近红外光子的能力。
需要注意的是，虽然在上述实施例的有源区中，是P型有源区位于N型有源区内，但在其他实施例中两者的位置可以对调。同时，虽然附图2中各级阶梯介质区的形状为矩形，但在其他实施例中也可以为圆形。此外，在其他实施例中，阶梯光栅结构中各级阶梯介质区的数目也是可以随具体情况而进行调整的，最后一级阶梯介质区的下表面可以不到达金属隔离介质区9的下表面。再者，虽然在上述实施例中仅公开了由金属隔离介质区9隔离的第一金属互连区6和第二金属互连区7，但其他实施例中也可以在第二金属互连区7上方至顶部介质区10之间存在更多层的金属互连区和金属隔离介质区以实现实际电路所需的功能。
通过CMOS工艺实现本发明的SPAD结构的工艺流程为：
1)、在衬底表面涂上光刻胶并刻蚀掉N型有源区所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质，高温退火，形成N型有源区，去除所有光刻胶；
2)、在步骤1)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉P型有源区所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，高温退火，形成P型有源区，去除所有光刻胶；
3)、在步骤2)形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成内层介质区8；
4)、在步骤3)形成的结构表面淀积铝，进一步刻蚀掉第一金属互连区6以外多余的铝，形成第一金属互连区6，并磨平表面；
5)、在步骤4)形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成金属隔离介质区9；
6)、在步骤5)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第一级阶梯介质区1所在位置的光刻胶，再次刻蚀在第一级阶梯介质区1形成刻蚀槽，去除所有的光刻胶；
7)、在步骤6)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第二级阶梯介质区2所在位置的光刻胶，再次刻蚀在第二级阶梯介质区2形成刻蚀槽，去除所有的光刻胶；
8)、在步骤7)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第三级阶梯介质区3所在位置的光刻胶，再次刻在第三级阶梯介质区3形成刻蚀槽，去除所有的光刻胶；
9)、在步骤8)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第四级阶梯介质区4所在位置的光刻胶，再次刻蚀在第四级阶梯介质区4形成刻蚀槽，去除所有的光刻胶；
10)、在步骤9)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉第五级阶梯介质区5所在位置的光刻胶，再次刻蚀在第五级阶梯介质区5形成刻蚀槽，去除所有的光刻胶；
11)、在步骤10)形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉五级阶梯介质区位置的光刻胶，淀积Si3N4并去除所有光刻胶，并磨平表面，形成五级阶梯介质区。
12)、在步骤11)形成的结构表面淀积铝，进一步刻蚀掉第二金属互连区7以外多余的铝，形成第二金属互连区7，并磨平表面；其中，第一金属互连区(6)和第二金属互连区(7)在竖直方向不遮挡五级阶梯介质区；
13)、在步骤12)形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成顶部介质区10；
14)、在步骤13)形成的结构表面淀积SiN并磨平表面，形成钝化层11；
以上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 (9)
1.一种单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，沿竖直方向从下往上依次包括有源区、内层介质区(8)、金属隔离介质区(9)和顶部介质区(10)；
所述金属隔离介质区(9)内设有第一金属互连区(6)和阶梯光栅结构；
所述顶部介质区(10)内设有第二金属互连区(7)；
所述第一金属互连区(6)和第二金属互连区(7)在竖直方向上不遮挡所述阶梯光栅结构；
所述阶梯光栅结构的折射率不同于金属隔离介质区(9)的折射率，从而形成透光窗口。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述阶梯光栅结构的上端面与金属隔离介质区(9)的上表面齐平且横截面积随着从金属隔离介质区(9)的上表面垂直往下延伸的深度增加而呈阶梯状减小。
3.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述阶梯光栅结构在沿着从金属隔离介质区(9)的上表面垂直往下延伸的方向上依次包括级联的第一级阶梯介质区(1)、第二级阶梯介质区(2)、第三级阶梯介质区(3)、第四级阶梯介质区(4)和第五级阶梯介质区(5)；每一级阶梯介质区的横截面积为矩形，且第一级阶梯介质区(1)至第五级阶梯介质区(5)的边长依次减小。
4.根据权利要求2所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述透光窗口的下端面与金属隔离介质区(9)的下表面齐平。
5.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述顶部介质区(10)的上方还设有钝化层(11)。
6.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器，其特征在于，所述有源区位于衬底内部且包括N型有源区和设置于所述N型有源区内部上方中心位置的P型有源区，所述N型有源区的上表面包围所述P型有源区的上表面且与衬底的上表面齐平。
7.一种单光子雪崩二极管探测器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过光刻和离子注入在衬底内形成有源区；
S2：在步骤S1形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成内层介质区(8)；
S3：在步骤S2形成的结构表面淀积铝，刻蚀掉多余的铝以形成第一金属互连区(6)，并磨平表面；
S4：在步骤S3形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成金属隔离介质区(9)；
S5：在步骤S4形成的结构表面通过光刻和刻蚀形成阶梯光栅结构所在位置处的刻蚀槽；
S6：在步骤S5形成的结构表面淀积Si3N4，并磨平表面，形成阶梯光栅结构；
S7：在步骤S6形成的结构表面淀积铝，刻蚀掉多余的铝以形成第二金属互连区(7)，并磨平表面；其中，第一金属互连区(6)和第二金属互连区(7)在竖直方向不遮挡所述阶梯光栅结构；
S8：在步骤S7形成的结构表面淀积SiO2并磨平表面，形成顶部介质区(10)；
S9：在步骤S8形成的结构表面淀积SiN并磨平表面，形成钝化层(11)。
8.根据权利要求7所述的单光子雪崩二极管探测器的制作方法，其特征在于，步骤S5进一步包括如下步骤：
S51：在步骤S4形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第一级阶梯介质区(1)所在位置处形成刻蚀槽；
S52：在步骤S51形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第二级阶梯介质区(2)所在位置处形成刻蚀槽；
S53：在步骤S52形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第三级阶梯介质区(3)所在位置处形成刻蚀槽；
S54：在步骤S53形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第四级阶梯介质区(4)所在位置处形成刻蚀槽；
S55：在步骤S54形成的结构表面通过光刻和刻蚀在第五级阶梯介质区(5)所在位置形成刻蚀槽。
9.根据权利要求7所述的单光子雪崩二极管探测器的制作方法，其特征在于，在步骤S1中，所述有源区位于衬底内部且包括N型有源区和设置于所述N型有源区内部上方中心位置的P型有源区，所述N型有源区的上表面包围所述P型有源区的上表面且与衬底的上表面齐平。
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