CN110098270B - 雪崩光电二极管扩散结构的制备方法及二极管扩散结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了雪崩光电二极管扩散结构的制备方法及二极管扩散结构。所述方法包括：在雪崩光电二极管的外延片上，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区(1)和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区(2)；在第二光刻掩膜的作用下，进行第二次掺杂剂扩散，使所述扩散主结区的中心区域(101)或边缘区域(102)的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。实现了抑制边缘击穿的同时，调控芯片击穿电压的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，具体涉及雪崩光电二极管扩散结构的制备方法及二极管扩散结构。
背景技术
III-V族半导体材料的雪崩光电二极管广泛应用于近红外光电探测等相关领域如：光纤通信系统、近红外检测领域和量子通信单光子检测。对于具有单独的吸收和倍增层的雪崩光电二极管(Separate Absorption and Multiplication Avalanche Photodiode：SAM-APD)结构可以提供具有高保真度(即，低噪声)的电信号输出。而在此基础上增加单独的电荷控制层与过渡层的雪崩光电二极管(Separate，Absorption，Grading，Charge andMultiplication Avalanche Photodiode：SAGCM-APD)，其优化了器件的电场分布降低了异质结的能带突变进而进一步降低了暗电流并提升了器件的高频特性。雪崩光电二极管有两种工作模式。在线性模式操作中，雪崩光电二极管偏置略低于击穿电压，因此增益适度且基本上与入射光的强度成比例。在盖革模式下，雪崩光电二极管略微偏离其击穿电压，其具体目的是产生非常大的雪崩，允许检测单个光子。
雪崩光电二极管的两个重要参数是器件区域的增益和击穿电压的均匀性。增益和击穿电压是器件区域的未掺杂部分的厚度的函数，其高度依赖于其层结构和形成它的半导体层的特性。制造III-V族半导体材料的雪崩光电二极管时，当器件结构选择平面结构设计时，定义器件的有源区和倍增层需要依靠掺杂剂扩散工艺技术。半导体中的掺杂剂扩散是基本上各向同性的过程(即，掺杂剂以几乎相同的速率横向和垂直扩散)。这将会导致扩散的边界即PN结处存在中心部分(有源区)和边缘部分(边缘区)。有源区的特征在于均匀的平面结面轮廓，而边缘区具有不均匀的弯曲结面轮廓。有源区定义了器件的PN结所在处其均匀的结分布导致均匀的器件增益与击穿电压，而边缘区的结由于存在曲率不同(其曲率大于有源区)导致大的电场与大电流进而导致更高的增益与更低的击穿电压(即边缘击穿)。对于实际应用的雪崩光电二极管单个器件而言，整个器件区域的击穿电压均匀性应在10％以内，最好在1％以内。
而对于雪崩光电二极管阵列器件而言，击穿电压参数相关的半导体结构及形成的工艺，一直以来都非常难以控制晶圆与晶圆、流片工艺之间、甚至单个晶圆片间的均匀性。锌扩散工艺中的工艺参数的局部变化，例如温度和/或气体流动，可导致雪崩光电二极管芯片的击穿电压的显着变化。虽然可以根据测试结构补偿阵列内的击穿电压偏差但这种测试与补偿装置复杂且高成本不具有通用性，并且在在成像传感器，位置传感器等中，击穿电压变化的影响具有破坏性。这种阵列中的击穿电压偏差增加了外部电路的复杂度和成本并且也从一定程度上降低雪崩光电二极管阵列的性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
对于雪崩光电二极管单管器件，同一晶圆片上单器件间击穿电压的均匀性关联着器件的良品率、操作电压下的器件性能，其相关制作工艺很难将同一晶圆片上的单管器件的击穿电压均匀性控制在1％以内；对于雪崩光电二极管阵列器件而言，击穿电压参数相关的半导体结构及形成的工艺，一直以来都非常难以控制晶圆与晶圆、流片工艺之间、甚至单个晶圆片间的均匀性。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种雪崩光电二极管扩散结构的制备方法，所述方法包括：在雪崩光电二极管的外延片上，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区；在第二光刻掩膜的作用下，进行第二次掺杂剂扩散，使所述扩散主结区的中心区域或边缘区域的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。
可选地，所述使所述扩散主结区的中心区域的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，包括：所述第二光刻掩膜的扩散窗口包括中心为圆形扩散窗口，所述圆形扩散窗口的直径小于所述扩散主结区直径，且所述第二次掺杂剂扩散的深度大于所述第一次掺杂剂扩散。
可选地，所述使所述扩散主结区的边缘区域的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，包括：所述第二光刻掩膜的扩散窗口包括圆环形扩散窗口，所述圆环形扩散窗口的外直径大于所述扩散主结区直径，所述圆环形扩散窗口的内直径小于所述扩散主结区直径，且所述第二次掺杂剂扩散的深度大于所述第一次掺杂剂扩散。
可选地，所述方法还包括：在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散时，还得到介于所述扩散主结区和所述扩散槽区之间的保护环区。
可选地，所述方法还包括：在第二光刻掩膜的作用下，进行第二次掺杂剂扩散时，还得到介于所述扩散主结区和所述扩散槽区之间的保护环区。
可选地，所述方法还包括：在所述第一次掺杂剂扩散后，所述第二次掺杂剂扩散前，增加一次掺杂剂扩散，得到介于所述扩散主结区和所述扩散槽区之间的保护环区。
可选地，所述方法还包括：当所述雪崩光电二极管的外延片的电荷层为中心凸起的梯形结构时，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。
可选地，所述方法还包括：当所述雪崩光电二极管的外延片的帽层为具有中心圆形凹陷的结构时，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。
可选地，所述第一次掺杂剂扩散和所述第二次掺杂剂扩散均为锌扩散。
本发明另一方面提供了一种雪崩光电二极管扩散结构，其特征在于，所述扩散结构包括：中心圆形扩散主结区和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区。
(三)有益效果
增加除有源区扩散窗口外的扩散槽区，降低被掩膜遮挡的区域尺寸，并将沉积在掩膜材料上的掺杂剂引导向扩散槽区域以减少对有源区的影响。通过二次锌扩散、阶梯电荷层、帽层扩散窗口刻蚀或是单或双圆环保护环等方法形成边缘浅结，抑制边缘击穿调控芯片击穿电压的均匀性。
并且通过增加锌扩散槽和浅结保护，使得III-V族半导体雪崩光电二极管在不改变外延片结构以及芯片的暗电流、频率响应等关键参数的性能的前提下，优化同一晶圆片上单器件的锌扩散目标深度的均匀性进而优化了同一晶圆片上单器件间击穿电压的均匀性，提高器件的良品率。对于阵列产品减小了阵列中各器件击穿电压的相对偏差值，提高样品成品率，降低集成时电路的复杂度降低成本。通过本发明采用的锌扩散方法的击穿电压偏差＜±0.5V(对于击穿电压在50V-90V的各种锌扩散设定深度)即电压相对偏差＜±1％，而这远好于没有优化前＞±3V的击穿电压偏差，即相对电压偏差＞±5％。
附图说明
图1是本发明实施例提供的雪崩光电二极管扩散结构中扩散主结区的中心区域的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的雪崩光电二极管扩散结构中扩散主结区的边缘区域的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的锌扩散的步骤示意图；
图4是本发明实施例的图1提供的雪崩光电二极管扩散结构中增加保护环区的结构示意图；
图5是本发明实施例的图2提供的雪崩光电二极管扩散结构中增加保护环区的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的当所述雪崩光电二极管的外延片的电荷层为中心凸起的梯形结构时，雪崩光电二极管扩散结构；
图7是本发明实施例提供的当所述雪崩光电二极管的外延片的帽层为具有中心圆形凹陷的结构时，雪崩光电二极管扩散结构；
图8A是本发明实施例提供的无保护环3，仅有扩散主结区1和扩散槽区2的雪崩光电二极管扩散区域的俯视图；
图8B是本发明实施例提供的有一个保护环3，并且有扩散主结区1和扩散槽区2的雪崩光电二极管扩散区域的俯视图；
图8C是本发明实施例提供的有两个保护环3，并且有扩散主结区1和扩散槽区2的雪崩光电二极管扩散区域的俯视图；
图9为本发明实施例提供的雪崩光电二极管晶圆阵列结构示意图；
图10为本发明实施例1提供的雪崩光电二极管击穿电压测试图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
本发明的一个实施例提供了一种雪崩光电二极管扩散结构的制备方法，参见图1和图2，所述方法包括：在雪崩光电二极管的外延片上，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区1和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区2；在第二光刻掩膜的作用下，进行第二次掺杂剂扩散，使所述扩散主结区的中心区域101或边缘区域102的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。
本发明实施例以所述第一次掺杂剂扩散和所述第二次掺杂剂扩散均为锌扩散为例进行举例说明，但本发明不对掺杂剂的种类、材料等进行限定。
锌扩散的具体步骤可以参见图3中的步骤进行，该过程为现有技术，本发明实施例实质上是对这些步骤中的“定义锌扩散窗口”以及“制备锌扩散的掩膜”进行了优化和改进。本领域技术人员可以理解的是，锌扩散是通过锌掺杂气源扩散掩膜中的扩散窗口形成的P型掺杂区域，在扩散过程中掩膜暴露出的区域对应的帽层上的掺杂原子扩散到帽层中，形成一定扩散深度(即图1或图2中的1)，其扩散的边缘和帽层的下边缘定义出倍增层，而掩膜遮蔽的区域掺杂剂沉积在其掩膜材料上，而其中的一部分将沿着掩膜材料表面迁移直至其到达扩散窗口，这使得扩散目标深度和浓度均增加。这部分的扩散是无法控制，进而导致了雪崩光电二极管锌扩散的轮廓的均匀性不可控，影响器件击穿电压的均匀性。而本发明通过增加除有源区扩散窗口外的扩散槽区，降低被掩膜遮挡的区域尺寸，并将沉积在掩膜材料上的掺杂剂引导向扩散槽区域以减少对有源区的影响。从而使得器件击穿电压的均匀性更好，提升了器件的性能。
另外，如图1所示，上文所述使所述扩散主结区的中心区域101的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，包括：所述第二光刻掩膜的扩散窗口包括中心为圆形扩散窗口，所述圆形扩散窗口的直径小于所述扩散主结区直径，且所述第二次掺杂剂扩散的深度大于所述第一次掺杂剂扩散。通过该第二次掺杂剂扩散以形成边缘小曲率浅结保护抑制边缘击穿。
如图2所示，所述使所述扩散主结区的边缘区域102的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，包括：所述第二光刻掩膜的扩散窗口包括圆环形扩散窗口，所述圆环形扩散窗口的外直径大于所述扩散主结区直径，所述圆环形扩散窗口的内直径小于所述扩散主结区直径，且所述第二次掺杂剂扩散的深度大于所述第一次掺杂剂扩散。通过该第二次掺杂剂扩散以形成双边缘深结以抑制边缘击穿。
需要说明的是，上文中所述的扩散主结区1的圆形直径可以为20-50μm；扩散主结区1与扩散槽区2之间间隔的预设距离L可以为30-100μm；扩散槽区2的宽度D为30-100μm；所述扩散主结区的中心区域101采用的圆形扩散窗口的直径为10-40μm；所述扩散主结区的边缘区域102采用的圆环形扩散窗口的圆环宽度为2-10μm。另外，参见图9，图9为本发明实施例提供的晶圆阵列结构示意图，其示出了晶圆片上的各扩散窗口，以w(5～10μm)的划裂片沟道分开各器件。
为了在实现器件击穿电压的均匀性更好的的前提下，更好的抑制边缘击穿，参见图4和图5，在一个可行的方式中，所述方法还包括：在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散时，还得到介于所述扩散主结区1和所述扩散槽区2之间的保护环区3。
在另一个可行的方式中，所述方法还包括：在第二光刻掩膜的作用下，进行第二次掺杂剂扩散时，还得到介于所述扩散主结区1和所述扩散槽区2之间的保护环区3。
在又一个可行的方式中，所述方法还包括：在所述第一次掺杂剂扩散后，所述第二次掺杂剂扩散前，增加一次掺杂剂扩散，得到介于所述扩散主结区1和所述扩散槽区2之间的保护环区3。
由此，在本发明实施例中，无保护环3，仅有扩散主结区1和扩散槽区2的雪崩光电二极管扩散区域的俯视图如图8A所示，有一个保护环3，并且有扩散主结区1和扩散槽区2的雪崩光电二极管扩散区域的俯视图如图8B所示，有两个保护环3，并且有扩散主结区1和扩散槽区2的雪崩光电二极管扩散区域的俯视图如图8C所示。
即可以通过上述的3种方式中的任何一种实现在扩散主结区1和扩散槽区2之间增加保护环区3，该保护环区3可以包括一个保护环，也可以包括两个保护环。其中保护环的圆环宽度为1-5μm；保护环与扩散主结区1或两个保护环之间的间隙为2-10μm。保护环的作用是利用掺杂的圆弧形貌且在有源区附近一同扩散，以调节有源区的边缘区域的掺杂浓度，并调控边缘区域的电场值使其不会由于尖峰效应而太大而导致边缘击穿。通常情况下对于III-V族半导体雪崩光电二极管的外延片结构如图1或图2中所示，但由于外延片的结构在不同的制备方法中会有所不同，如图6所示，雪崩光电二极管的外延片的电荷层可以为中心凸起的梯形结构，该凸起的的梯形结构尺寸定义了有源区，其直径为10-40μm；且中心圆形扩散主结区1和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区2与图1中的参数一致。具体地，当所述雪崩光电二极管的外延片的电荷层为中心凸起的梯形结构时，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区1和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区2，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。即由于外延片的结构不一样，只进行一次掺杂剂扩散即可。
如图7所示，在现有技术中，在III-V族半导体雪崩光电二极管的锌扩散过程中，还存在先利用刻蚀设备在外延片的帽层刻蚀定义出一个凹孔，其直径定义为器件的有源区，其直径为10-40μm；当所述雪崩光电二极管的外延片的帽层为具有中心圆形凹陷的结构时，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区1和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区2，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。该中心圆形扩散主结区1的直径可以为20-50μm。即由于外延片的结构不一样，只进行一次掺杂剂扩散即可。
需要说明的是，在一个可行的方式中，为了在实现器件击穿电压的均匀性更好的的前提下，更好的抑制边缘击穿，当所述雪崩光电二极管的外延片的电荷层为中心凸起的梯形结构时，或者当所述雪崩光电二极管的外延片的帽层为具有中心圆形凹陷的结构时，在第一次掺杂剂扩散时，还可以得到介于所述扩散主结区1和所述扩散槽区2之间的保护环区3。
为了进一步说明本发明的技术效果，下面通过一个具体实施例1进行说明：
实施例1：
本实施例对32*32的雪崩光电二极管阵列，并从其中抽选近100个点进行击穿电压的测试。其中该雪崩光电二极管包括中心圆形扩散主结区1、扩散槽区2，以及介于扩散主结区1和扩散槽区2之间的2个保护环区3。
其测试结果如图10所示，可以看出测试结果中击穿电压值最大值不超过75.1V，最小值大于74.3V，即击穿电压偏差值＜±0.4V，电压相对偏差＜±1％。
说明本实施例的雪崩光电二极管抑制了边缘击穿其保证了较大的击穿电压，并且其击穿电压的均匀性极好。
本发明另一个实施例还提供了一种雪崩光电二极管扩散结构，所述扩散结构包括：中心圆形扩散主结区1和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区2。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种雪崩光电二极管扩散结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在雪崩光电二极管的外延片上，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区(1)和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区(2)；
在第二光刻掩膜的作用下，进行第二次掺杂剂扩散，使所述扩散主结区的中心区域(101)或边缘区域(102)的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，从而得到雪崩光电二极管扩散结构；
其中，沉积在所述第一光刻掩膜和所述第二光刻掩膜上的掺杂剂被引导向所述扩散槽区(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述扩散主结区的中心区域(101)的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，包括：
所述第二光刻掩膜的扩散窗口包括中心为圆形扩散窗口，所述圆形扩散窗口的直径小于所述扩散主结区直径，且所述第二次掺杂剂扩散的深度大于所述第一次掺杂剂扩散。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述扩散主结区的边缘区域(102)的深度大于通过第一次掺杂剂扩散得到的所述扩散主结区的深度，包括：
所述第二光刻掩膜的扩散窗口包括圆环形扩散窗口，所述圆环形扩散窗口的外直径大于所述扩散主结区直径，所述圆环形扩散窗口的内直径小于所述扩散主结区直径，且所述第二次掺杂剂扩散的深度大于所述第一次掺杂剂扩散。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散时，还得到介于所述扩散主结区(1)和所述扩散槽区(2)之间的保护环区(3)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第二光刻掩膜的作用下，进行第二次掺杂剂扩散时，还得到介于所述扩散主结区(1)和所述扩散槽区(2)之间的保护环区(3)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述第一次掺杂剂扩散后，所述第二次掺杂剂扩散前，增加一次掺杂剂扩散，得到介于所述扩散主结区(1)和所述扩散槽区(2)之间的保护环区(3)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述雪崩光电二极管的外延片的电荷层为中心凸起的梯形结构时，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区(1)和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区(2)，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述雪崩光电二极管的外延片的帽层为具有中心圆形凹陷的结构时，在第一光刻掩膜的作用下，进行第一次掺杂剂扩散，得到中心圆形扩散主结区(1)和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区(2)，从而得到雪崩光电二极管扩散结构。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次掺杂剂扩散和所述第二次掺杂剂扩散均为锌扩散。
10.一种雪崩光电二极管扩散结构，其特征在于，所述扩散结构包括：中心圆形扩散主结区(1)和与所述扩散主结区间隔预设距离的扩散槽区(2)。
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