CN112802921B - 一种提高硅apd制结工艺精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高硅APD制结工艺精度的方法，其中，包括：活性区p、正面接触层n+、背面接触层p+制结工艺温度依次降低，工艺时间依次减少，以减少多步高温工艺对结深造成误差积累；在制结工艺过程中通入一定量的三氯乙烯进行含氯氧化，通过三氯乙烯在高温下分解产生水气控制氧化层生长速率，以抵消温度差异对结深造成的影响。本发明在硅APD制造工艺基础上，减少了多步高温工艺对结深造成的误差积累，尤其提高了硅APD活性区p、主结掺杂区n+的制结工艺精度，在制结工艺过程中控制三氯乙烯流量进行含氯氧化，通过三氯乙烯在高温下分解产生水气控制氧化层生长速率，抵消温度差异对结深造成的影响，因此提高了制结工艺精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅雪崩光电探测器的制备方法，尤其涉及一种提高硅APD制结工艺精度的方法。
背景技术
硅雪崩光电二极管(APD)是一种具有内部增益的光电探测器，其利用pn结势垒区高电场产生的载流子雪崩倍增效应来实现光电信号的放大。硅APD器件具有较低的噪声和较高的增益带宽积，具有尺寸小、功耗低、驱动简单、便于形成阵列等优点，非常符合目前探测器小型化、集成化的发展趋势，在近红外光纤通信、激光雷达、激光制导等领域有广泛应用。
硅APD器件主要通过光刻、离子注入、氧化推进、刻蚀等半导体工艺在硅片上制备形成。具有n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD通常采用硼注入和氧化推进形成活性区p掺杂，再通过磷或砷注入和氧化推进形成主结n+掺杂，形成如图1所示的具有n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD器件结构。当APD制备工艺参数发生起伏，尤其是高温制结工艺中的温度波动或温度分布不均匀等，导致n+层和p层制结精度不够高，使在同一晶圆内的硅APD击穿电压差异较大，批次间工艺重复性差等。如图2所示，活性区p推结温度分别为1100℃和1101℃，推结时间均为15h，其造成的硼掺杂浓度分布仅有微小的差异，但二者击穿电压差异较大，APD倍增为100时的电压VM＝100相差约25％左右。因此，提高硅APD制结工艺精度，降低工艺参数起伏对硅APD倍增特性的影响非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高硅APD制结工艺精度的方法，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种提高硅APD制结工艺精度的方法，其中，包括：活性区p、正面接触层n+、背面接触层p+制结工艺温度依次降低，工艺时间依次减少，以减少多步高温工艺对结深造成误差积累；在制结工艺过程中通入一定量的三氯乙烯进行含氯氧化，通过三氯乙烯在高温下分解产生水气控制氧化层生长速率，以抵消温度差异对结深造成的影响。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，活性区p推结时间最长，以获得高精度的结深，活性区p推结温度最高，获得的结深较深。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，正面接触层n+推结温度高于p+，推结时间长于p+。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，活性区p采用硼离子注入，剂量1×1013～5×1014cm-2，推结温度1050～1150℃，推结时间10～30h，结深约6～10μm。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，采用磷或砷离子注入，剂量1×1014～1×1015cm-2，推结温度以及时间均小于活性区p，推结温度950～1100℃，推结时间5～12h，结深约1～5μm，形成正面接触层n+。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，采用磷或砷离子注入，剂量1×1014～1×1015cm-2，推结温度进一步降低且时间进一步减少，推结温度850～1000℃，推结时间少于2h，结深约0.1～1μm，形成正面接触层n+。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，完成活性区p以及正面接触层n+后，在进行背面接触层p+的制结工艺时，推结温度以及时间不大于正面接触层n+，推结温度850～1000℃，推结时间少于2h，和正面接触层n+一起推结完成。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，采用氩气为载气进行鼓泡，流量为氧气流量的1‰～15‰，通过三氯乙烯在高温下分解产生水气控制氧化层生长速率，以抵消温度差异对结深造成的影响。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，通过光刻形成硅APD活性区p注入窗口后，进行硼离子注入，剂量1.5×1014cm-2，能量40keV，在1120℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间24h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的5‰；通过光刻形成硅APD正面接触层n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量3×1014cm-2，能量40keV，在1020℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间9h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的5‰；通过减薄抛光将硅片厚度减薄至150μm后，进行背面硼离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间1h，形成背面p+接触层；通过光刻形成硅APD正面接触层n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间2h，形成正面n+接触层；进行钝化和电极制备，工艺温度均低于450℃，从而形成了n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD。
根据本发明所述的提高硅APD制结工艺精度的方法的一实施例，其中，采用P型硅外延片，外延层电阻率高于1000Ω·cm，厚度40μm，衬底电阻率0.1Ω·cm；通过氧化、光刻、离子注入以及氧化推进形成隔离区以及主结n+保护环的掺杂结区，之后形成n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD，包括：通过光刻形成硅APD活性区p注入窗口后，进行硼离子注入，剂量1.2×1014cm-2，能量40keV，在1100℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间20h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的8‰；通过光刻形成硅APD正面接触层n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量4×1014cm-2，能量40keV，在1000℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间8h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的8‰；通过减薄抛光将硅片厚度减薄至200μm后，进行背面硼离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间1h，形成背面p+接触层；通过光刻形成硅APD正面接触层n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间2h，形成正面n+接触层；进行钝化和电极制备，工艺温度均低于450℃，从而形成了n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD。
本发明在硅APD制造工艺基础上，减少了多步高温工艺对结深造成的误差积累，尤其提高了硅APD活性区p、主结掺杂区n+的制结工艺精度。在制结工艺过程中控制三氯乙烯流量进行含氯氧化，通过三氯乙烯在高温下分解产生水气控制氧化层生长速率，抵消温度差异对结深造成的影响，因此提高了制结工艺精度。
附图说明
图1为n+-p-π-p+结构的硅APD及电场分布示意图；
图2为不同推结温度形成的掺杂浓度分布；
图3为APD推结温度的变化造成的倍增特性的变化；
图4为结深随推结温度、时间的变化。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1至图4所示，一种提高硅APD制结工艺精度的方法，包括：
实施例一：
采用电阻率高于9000Ω·cm的P型单晶硅片，通过氧化、光刻、离子注入、氧化推进等形成隔离区、主结n+保护环等掺杂结区，因为硅APD结构的公知性，本文不再赘述。之后经过如下步骤形成n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD。
通过光刻形成硅APD活性区p注入窗口后，进行硼离子注入，剂量1.5×1014cm-2，能量40keV，在1120℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间24h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的5‰。
通过光刻形成硅APD主结掺杂区n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量3×1014cm-2，能量40keV，在1020℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间9h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的5‰。
通过减薄抛光将硅片厚度减薄至150μm后，进行背面硼离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间1h，形成背面p+接触层。
通过光刻形成硅APD主结掺杂区n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间2h，形成正面n+接触层。
最后进行钝化和电极制备，工艺温度均低于450℃，从而形成了n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD。
实施例二：
采用P型硅外延片，外延层电阻率高于1000Ω·cm，厚度40μm，衬底电阻率0.1Ω·cm。通过氧化、光刻、离子注入、氧化推进等形成隔离区、主结n+保护环等掺杂结区。之后经过如下步骤形成n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD。
通过光刻形成硅APD活性区p注入窗口后，进行硼离子注入，剂量1.2×1014cm-2，能量40keV，在1100℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间20h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的8‰。
通过光刻形成硅APD主结掺杂区n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量4×1014cm-2，能量40keV，在1000℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间8h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的8‰。
通过减薄抛光将硅片厚度减薄至200μm后，进行背面硼离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间1h，形成背面p+接触层。
通过光刻形成硅APD主结掺杂区n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间2h，形成正面n+接触层。
最后进行钝化和电极制备，工艺温度均低于450℃，从而形成了n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD。
本发明公开了一种提高硅雪崩光电二极管(APD)制结工艺精度的方法。目的是针对具有n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD阵列及大光敏面硅APD单元等在制备过程中，易受工艺参数起伏的影响，尤其是高温制结工艺中的温度波动或温度分布不均匀等，导致n+层和p层制结精度不够高，使在同一晶圆内的硅APD击穿电压差异较大，批次间工艺重复性较差等。本发明所述一种提高硅APD制结工艺精度的方法，活性区p、主结掺杂区n+、背面接触层p+制结工艺温度依次降低，工艺时间依次减少，以减少多步高温工艺对结深造成误差积累；同时，在制结工艺过程中通入一定量的三氯乙烯进行含氯氧化，通过三氯乙烯在高温下分解产生水气控制氧化层生长速率，以抵消温度差异对结深造成的影响。因此可以提高n+-p-π-p+结构的硅APD制结工艺精度，以及对高温制结工艺温度波动或温度分布不均匀等的容忍度，从而提高硅APD阵列和大光敏面硅APD单元等的击穿电压分布的均匀性和工艺重复性等。
本发明所述一种提高硅APD制结工艺精度的方法，硅APD活性区p、主结掺杂区n+、背面接触层p+等制结工艺温度依次降低，工艺时间依次减少，以减少多步高温工艺对结深造成误差积累。其中，活性区p推结时间最长，以获得高精度的结深，如图4所示，推结时间越长，结深变化越小，结深控制精度越高；同时，活性区p推结温度最高，获得的结深较深，在后续n+、p+等制结工艺中，其较低的推结温度和较短的推结时间不易对活性区p的结深造成影响，因此提高了活性区p的制结工艺精度。类似地，主结掺杂区n+推结温度高于p+，推结时间长于p+，因此主结掺杂区n+结深不易受后续制结工艺的影响；同时，较低的推结温度利于降低磷掺杂离子的扩散速率，以获得高精度的结深，因此提高了主结掺杂区n+的制结工艺精度。
本发明所述一种提高硅APD制结工艺精度的方法，硅APD活性区p、主结掺杂区n+制结工艺过程中通入一定量的三氯乙烯进行含氯氧化，通过三氯乙烯在高温下分解产生水气控制氧化层生长速率，以抵消温度差异对结深造成的影响。制结工艺中温度的起伏会造成结深偏离，例如，推结温度偏高导致结深偏大，若氧化层因温度升高而变厚且刚好抵消增加的结深，因此可以使结深维持不变。在制结工艺过程中通入一定量的三氯乙烯进行含氯氧化，可以产生上述稳定结深的效果，从而提高制结工艺精度。
n+-p-π-p+结构的硅APD击穿电压和倍增特性受活性区p、主结掺杂区n+的结深或掺杂分布的影响最大，提高活性区p、主结掺杂区n+的制结工艺精度，可提高同一晶圆内的硅APD击穿电压一致性，批次间工艺重复性等。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种提高硅APD制结工艺精度的方法，其特征在于，包括：
活性区p、正面接触层n+、背面接触层p+制结工艺温度依次降低，工艺时间依次减少，以减少多步高温工艺对结深造成误差积累；
在制结工艺过程中通入三氯乙烯进行含氯氧化，通过三氯乙烯在高温下分解产生水气控制氧化层生长速率，以抵消温度差异对结深造成的影响；
其中，
通过光刻形成硅APD活性区p注入窗口后，进行硼离子注入，剂量1.5×1014cm-2，能量40keV，在1120℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间24h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的5‰；
通过光刻形成硅APD正面接触层n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量3×1014cm-2，能量40keV，在1020℃和含氯氧化氛围下进行推进，时间9h，三氯乙烯由氩气鼓泡携带，氩气流量为氧气流量的5‰；
通过减薄抛光将硅片厚度减薄至150μm后，进行背面硼离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间1h，形成背面p+接触层；
通过光刻形成硅APD正面接触层n+注入窗口后，进行磷离子注入，剂量5×1014cm-2，能量40keV，在900℃下进行氧化推进，时间2h，形成正面n+接触层；
进行钝化和电极制备，工艺温度均低于450℃，从而形成了n+-p-π-p+掺杂结构的硅APD。
2.如权利要求1所述的提高硅APD制结工艺精度的方法，其特征在于，活性区p推结时间最长，以获得高精度的结深，活性区p推结温度最高，获得的结深较深。
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