CN110416335A - 硅基近红外单光子雪崩二极管探测器及其制作方法 - Google Patents

硅基近红外单光子雪崩二极管探测器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，属于光电探测技术领域，该单光子雪崩二极管探测器包括设置在P型衬底的上方的P型外延层，在P型衬底与P型外延层之间设置N+埋层区，在N+埋层区上对称设置深N阱区，在N+埋层区上的中心位置设置深P阱区，深P阱区与N+埋层区之间形成雪崩区。本发明的单光子雪崩二极管探测器在深P阱与N+埋层之间形成深的雪崩区，同时利用低掺杂且分布均匀的P型外延层作为虚拟保护环来提高近红外光子探测效率，缩小器件尺寸和减小暗计数噪声；本发明的制作方法可基于标准硅基工艺制作，具有低成本、高集成度、低功耗和近红外探测能力等优点。

Description

硅基近红外单光子雪崩二极管探测器及其制作方法
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及硅基近红外单光子雪崩二极管探测器及其制作方法。
背景技术
单光子雪崩光电二极管（即：single photon avalanche diodes，SPAD）具有响应速度快、雪崩增益大、探测效率高、体积小、质量轻、功耗低等特点已成为制作单光子探测器的最佳器件。
SPAD探测器可以探测非常微弱的光子（达到单光子的量级），并对成像目标的光场在时间和空间上进行采样和计算，最后得到所需要的高质量成像结果，因此它在量子通讯、天文探测、生物波导、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射和量子密钥分配系统等领域显示出广泛的应用前景。基于硅基工艺制作的SPAD探测器具有低成本、高集成度、低功耗的特性已成为了国内外研究的热点。
然而基于硅基工艺的SPAD探测器对近红外波段的光子探测效率很低，很难满足具有人眼安全的工作要求。影响硅基SPAD探测器光子探测效率的因素有以下两方面：（1）雪崩区结深较浅不利于吸收近红外长波光子；（2）雪崩区的面积较小。
传统SPAD结构通过P+/N阱之间或者P阱/深N阱之间形成雪崩区，雪崩区较浅且面积较小，导致对于900nm近红外短波光子探测效率小于5%。尽管深N阱/P型外延层器件结构提供了结深较深的雪崩区，且雪崩区较宽，虽然提高了近红外光子的探测效率，但器件外延层必须接地，器件不能自隔离，导致探测器不能实现大规模集成。此外，在保证SPAD探测器的光子探测效率增长的同时，还要确保SPAD探测器串扰率、暗计数率等其他性能不受影响。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，针对传统硅基集成单光子雪崩二极管探测器对近红外光子探测效率低的问题，利用硅基集成电路工艺的N+埋层和深P阱之间形成的深PN结作为器件的雪崩区，并利用低掺杂且分布均匀的P型外延层作为虚拟保护环来提高对近红外光子的探测效率，缩小器件尺寸和降低暗计数噪声。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，包括设置在P型衬底的上方的P型外延层，在所述的P型衬底与P型外延层之间设置N+埋层区，在所述的N+埋层区上对称设置深N阱区，在N+埋层区上的中心位置设置深P阱区，所述的深P阱区与N+埋层区之间形成雪崩区。
进一步地，所述的深P阱区与两侧的深N阱区间隔设置，在深P阱区于深N阱区之间保留P型外延层，作为虚拟保护环区域。
进一步地，所述的深P阱区与深N阱区的上下端面平齐。
进一步地，在所述的深P阱区中间位置设置中心浅P阱区，在所述的中心浅P阱区中间位置设置中心P+区。
进一步地，在所述的深N阱区中间位置均设置浅N阱区，在所述的浅N阱区中间位置均设置N+区，在所述的N+区的两侧均设置浅沟槽隔离区；在所述的深N阱区的外侧均设置侧面浅P阱区；在所述的侧面浅P阱区中间位置均设置侧面P+区。
进一步地，所述的中心浅P阱区、浅N阱区以及侧面浅P阱区的上下端面平齐；所述的中心P+区、N+区以及侧面P+区的上下端面平齐；所述的浅沟槽隔离区的上端面与中心P+区、N+区以及侧面P+区的上端面平齐；所述的浅沟槽隔离区的下端面深于中心P+区、N+区以及侧面P+区的下端面。
进一步地，在所述的中心P+区上端引出阳极；在所述的侧面P+区上端引出接地电极；在所述的N+区上端引出阴极。
进一步地，所述的工作在近红外波段的硅基单光子雪崩二极管探测器的制作方法，包括以下步骤：
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N+埋层区所在位置的光刻胶后离子注入N型杂质形成N+埋层区，并去除表面光刻胶；
3）向上外延P型杂质形成P型外延层，再进行高温退火，推进N+埋层区向P型外延层再分布；
4）在所述的P型外延层表面涂上光刻胶并去除N+区两侧位置上的光刻胶，刻蚀掉该位置的P型外延层并用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型外延层表面涂上光刻胶并刻蚀掉深P阱区所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，高温退火，形成深P阱区，去除所有光刻胶；深P阱区和N+埋层区之间形成雪崩区；
6）在步骤5）形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉深N阱区所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质，高温退火，形成深N阱区；去除所有光刻胶；深N阱区与深P阱区之间保留一定间距的P型外延层，作为虚拟保护环区域；
7）在步骤6）形成的结构表面涂上光刻胶，并刻蚀掉中心浅P阱区和侧面浅P阱区所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质并退火，分别形成中心浅P阱区和侧面浅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浅N阱区所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成浅N阱区，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中心P+区和侧面P+区所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质并退火，形成中心P+区和侧面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N+区所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成N+区，去除所有光刻胶；
11）在步骤10）形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉中心P+区、侧面P+区以及N+区区域的光刻胶，淀积铝，形成探测器电极，分别即为阳极、接地电极和阴极，去除所有光刻胶。
所述深P阱区和所述两侧深N阱区与所述N+埋层区接触；为了防止横向击穿，在设计时所述深P阱区与所述两侧深N阱区需保持合适的间距；所述两侧浅N阱区和两侧浅P阱区需保持合适的间距。
所述单光子雪崩二极管探测器可以制作为八边形、十六边形、二十边形以及圆形等不同形状的器件结构。
所述单光子雪崩二极管探测器可以借助接地的两侧浅P阱区进行器件之间的自隔离；所述单光子雪崩二极管探测器与后端电路之间无需电容隔离，具有很好的电路兼容性，适用于大规模探测器阵列集成。
本发明针对传统SPAD探测器存在近红外光子探测效率低的问题，提出了一种在深P阱与N+埋层之间形成深的雪崩区，同时利用低掺杂且分布均匀的P型外延层作为虚拟保护环的SPAD探测器结构，该结构不但显著提高了对近红外光子探测效率，而且能获得低的暗计数率和串扰率以及易于实现大规模阵列集成。
有益效果：与现有技术相比，本发明的硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，基于深P阱与N+埋层形成的PN结比传统P+与N阱、P阱与埋层N阱形成的PN结更深，且耗尽区更宽，可显著提高对近红外光子的探测效率。而且整个器件制作无需改变工艺流程和参数，器件制作成本低；由于不存在P阱保护环，器件有源区很容易通过改变中心P+/深P阱的直径而缩小到5μm以下。而且设置在两侧深N阱和中心深P阱中的两侧浅N阱和中心浅P阱减小了导通电阻，降低了雪崩电压；雪崩倍增区电场相对较低，减小了带-带隧穿效应引起的暗计数噪声。而且该器件设计方案大幅度提高了结深，表面虚拟保护环区域的电场很弱，能够有效降低STI界面缺陷引起暗计数的影响。
附图说明
图1为单光子雪崩二极管探测器结构俯视示意图；
图2是单光子雪崩二极管探测器A-B方向的剖面结构示意图；
图3为单光子雪崩二极管探测器自隔离示意图；
图4为单光子雪崩二极管探测器偏置电路示意图；
图5为单光子雪崩二极管探测器基于0.18μm 硅基工艺的仿真电场分布图；
附图标记：1-P型衬底、2-N+埋层、3-P型外延层、4-深P阱区、5-深N阱区、6-中心浅P阱区、7-浅N阱区、8-侧面浅P阱区、9-中心P+区、10-N+区、11-侧面P+区、12-阳极、13-阴极、14-浅沟槽隔离区（STI）、15-接地电极、16-虚拟保护环区域、17-雪崩区。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-2所示，单光子雪崩二极管探测器包括P型衬底1、N+埋层区2、P型外延层3、深P阱区4、中心浅P阱区6、中心P+区9、深N阱区5、浅N阱区7、N+区10、侧面浅P阱区8和侧面P+区11以及浅沟槽隔离区14；P型外延层3设置在P型衬底1的上方，在P型衬底1与P型外延层3之间设置有N+埋层区2；深P阱区4设置在P型外延层3的中间位置位于N+埋层区2上端，深P阱区4与N+埋层区2之间形成雪崩区17；中心浅P阱区6设置在深P阱区4中间位置，中心P+区9设置在中心浅P阱区6中间位置；深N阱区5设置在深P阱区4的外部两侧，与深P阱区4之间保留一定的间距的P型外延层3，作为虚拟保护环区域16；浅N阱区7设置在深N阱区5中间位置，N+区10设置在浅N阱区7中间位置，在N+区10内外侧均设置有浅沟槽隔离区14；侧面浅P阱区8设置在深N阱区5的外部两侧，侧面P+区11设置在侧面浅P阱区8中间位置；深P阱区4与深N阱区5的上下端面平齐；中心浅P阱区6、浅N阱区7以及边侧面浅P阱区8的上下端面平齐；中心P+区9、N+区10以及侧面P+区11的上下端面平齐；浅沟槽隔离区14的上端面与中心P+区9、N+区10以及侧面P+区11的上端面平齐；浅沟槽隔离区14的下端面深于中心P+区9、N+区10以及侧面P+区11的下端面；在中心P+区9上端引出阳极12；在侧面P+区11上端引出接地电极15；在N+区10上端引出阴极13。
单光子雪崩二极管探测器的雪崩区17为N+埋层区2与深P阱区4形成的深PN结，可探测近红外光子。当单光子雪崩二极管工作在盖革模式下，N+埋层区2与深P阱区4交界处形成的雪崩区17具有很高的电场，且耗尽区很宽，具有高的光子探测效率。
单光子雪崩二极管探测器由于不存在P阱保护环，器件有源区很容易通过改变中心P+区9/深P阱区4的直径而缩小到5 μm以下；利用低掺杂且分布均匀的P型外延层3构成虚拟保护环，即在雪崩区17的边缘区域利用轻掺杂的P型外延层3形成较宽的耗尽层作为保护环，有效地避免了器件边缘过早被击穿，又使器件尺寸能可靠地缩小。
单光子雪崩二极管探测器使用的中心浅P阱区6、浅N阱区7主要是为了提高深P阱区4和深N阱区5区域的掺杂浓度，使得雪崩电流能流到深P阱区4和深N阱区5的下方，减小探测器的导通电阻。
图3为单光子雪崩二极管探测器自隔离示意图，图中各个区域包括：P型衬底1，P型外延层2，两侧浅P阱3。如图3所示，单光子雪崩二极管探测器可以借助接地的两侧浅P阱进行器件之间的自隔离。图4为单光子雪崩二极管偏置电路示意图，如图4所示，单光子雪崩二极管探测器与后端电路之间无需电容隔离，具有较好的兼容性，适用于大规模探测器阵列集成。
实施例1
单光子雪崩二极管探测器具体尺寸：整体器件长11μm，深9μm。其中P型衬底1正上方和P型外延层区3之间局部的重掺杂N+埋层区2长8μm，深P阱区4长4μm，中心浅P阱区6长3.8μm，中心P+区9长3.5μm，深N阱区5长1μm，浅N阱区7长0.8μm，N+区10长0.4μm，N+区10左右侧的浅沟槽隔离区14长为0.4μm，阳极12长0.5μm，阴极13长0.5μm，接地电极15长0.5μm（上述长度都为此探测器横截面横向长度）；深P阱区与两侧深N阱区之间的虚拟保护环区域16设置为1μm。通过仿真得到该单光子雪崩二极管的击穿电压为20V；图5为具体实施例1在0.18μmCMOS工艺下仿真的电场分布图，图中各个区域包括：虚拟保护环区域16和雪崩区17。从图3中可以看出：的雪崩二极管表面虚拟保护环区域16的电场很弱，能够有效降低STI界面缺陷引起暗计数的影响；中心深P阱下端与N+埋层之间形成雪崩区17，该雪崩区17位置很深，且较厚，有利于探测近红外光子。
通过硅基工艺实现的单光子雪崩二极管结构的工艺流程：
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N+埋层区2所在位置的光刻胶后离子注入N型杂质形成N+埋层区2，并去除表面光刻胶；
3）向上外延P型杂质形成P型外延层3，再进行高温退火，推进N+埋层2区向P型外延层3再分布；
4）在P型外延层3表面涂上光刻胶并去除N+区10两侧位置上的光刻胶，刻蚀掉该位置的P型外延层3并用SiO2填充分别形成浅沟槽隔离区14，去除所有光刻胶；
5）在P型外延层3表面涂上光刻胶并刻蚀掉深P阱区4所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，高温退火，形成深P阱区4，去除所有光刻胶；深P阱区4和N+埋层区2之间形成雪崩区17；
6）在步骤5）形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉深N阱区5所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质，高温退火，形成深N阱区5；去除所有光刻胶；深N阱区5与深P阱区4之间保留一定间距的P型外延层3，作为虚拟保护环区域16；
7）在步骤6）形成的结构表面涂上光刻胶，并刻蚀掉中心浅P阱区6和侧面浅P阱区8所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质并退火，分别形成中心浅P阱区6和侧面浅P阱区8，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浅N阱区7所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成浅N阱区7，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中心P+区9和侧面P+区11所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质并退火，形成中心P+区9和侧面P+区11，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N+区10所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成N+区10，去除所有光刻胶；
11）在步骤10）形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉中心P+区9、侧面P+区11以及N+区10区域的光刻胶，淀积铝，形成探测器电极，即为阳极12、接地电极15和阴极13，去除所有光刻胶。
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，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：包括设置在P型衬底（1）的上方的P型外延层（3），在所述的P型衬底（1）与P型外延层（3）之间设置N+埋层区（2），在所述的N+埋层区（2）上对称设置深N阱区（5），在N+埋层区（2）上的中心位置设置深P阱区（4），所述的深P阱区（4）与N+埋层区（2）之间形成雪崩区。
2.根据权利要求1所述的硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：所述的深P阱区（4）与两侧的深N阱区（5）间隔设置，在深P阱区（4）于深N阱区（5）之间保留P型外延层（3），作为虚拟保护环区域（16）。
3.根据权利要求1所述的硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：所述的深P阱区（4）与深N阱区（5）的上下端面平齐。
4.根据权利要求1所述的硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：在所述的深P阱区（4）中间位置设置中心浅P阱区（6），在所述的中心浅P阱区（6）中间位置设置中心P+区（9）。
5.根据权利要求4所述的硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：在所述的深N阱区（5）中间位置均设置浅N阱区（7），在所述的浅N阱区（7）中间位置均设置N+区（10），在所述的N+区（10）的两侧均设置浅沟槽隔离区（14）；在所述的深N阱区（5）的外侧均设置侧面浅P阱区（8）；在所述的侧面浅P阱区（8）中间位置均设置侧面P+区（11）。
6.根据权利要求5所述的硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：所述的中心浅P阱区（6）、浅N阱区（7）以及侧面浅P阱区（8）的上下端面平齐；所述的中心P+区（9）、N+区（10）以及侧面P+区（11）的上下端面平齐；所述的浅沟槽隔离区（14）的上端面与中心P+区（9）、N+区（10）以及侧面P+区（11）的上端面平齐；所述的浅沟槽隔离区（14）的下端面深于中心P+区（9）、N+区（10）以及侧面P+区（11）的下端面。
7.根据权利要求5所述的硅基近红外单光子雪崩二极管探测器，其特征在于：在所述的中心P+区（9）上端引出阳极（12）；在所述的侧面P+区（11）上端引出接地电极（15）；在所述的N+区（10）上端引出阴极（13）。
8.权利要求1-7中任意一项所述的工作在近红外波段的硅基单光子雪崩二极管探测器的制作方法，包括以下步骤：
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N+埋层区（2）所在位置的光刻胶后离子注入N型杂质形成N+埋层区（2），并去除表面光刻胶；
3）在所述的P型衬底（1）上向上外延含有P型杂质的半导体层形成P型外延层（3），再进行高温退火，推进N+埋层（2）区向P型外延层（3）再分布；
4）在所述的P型外延层（3）表面涂上光刻胶并去除N+区（10）两侧位置上的光刻胶，刻蚀掉该位置的P型外延层（3）并用SiO2填充分别形成浅沟槽隔离区（14），去除所有光刻胶；
5）在所述P型外延层（3）表面涂上光刻胶并刻蚀掉深P阱区（4）所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质，高温退火，形成深P阱区（4），去除所有光刻胶；深P阱区（4）和N+埋层区（2）之间形成雪崩区（17）；
6）在步骤5）形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉深N阱区（5）所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质，高温退火，形成深N阱区（5），去除所有光刻胶；深N阱区（5）与深P阱区（4）之间保留一定间距的P型外延层（3），作为虚拟保护环区域（16）；
7）在步骤6）形成的结构表面涂上光刻胶，并刻蚀掉中心浅P阱区（6）和侧面浅P阱区（8）所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质并退火，分别形成中心浅P阱区（6）和侧面浅P阱区（8），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浅N阱区（7）所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成浅N阱区（7），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中心P+区（9）和侧面P+区（11）所在位置的光刻胶，离子注入P型杂质并退火，形成中心P+区（9）和侧面P+区（11），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N+区（10）所在位置的光刻胶，离子注入N型杂质并退火，形成N+区（10），去除所有光刻胶；
11）在步骤10）形成的结构表面涂上光刻胶并刻蚀掉中心P+区（9）、侧面P+区（11）以及N+区（10）区域的光刻胶，淀积铝，形成探测器电极，分别即为阳极（12）、接地电极（15）和阴极（13），去除所有光刻胶。
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