CN117913174A - 带有复合保护环结构的雪崩光电二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有复合保护环结构的雪崩光电二极管及其制作方法，属于电子器件领域。该二极管结构包括：衬底；在衬底表面外延形成的吸收区；在吸收区中通过第一导电类型的离子掺杂形成的雪崩区；在雪崩区表面通过第二导电类型的离子掺杂形成的光敏区；在雪崩区和光敏区边缘通过第二导电类型的离子掺杂形成的第一保护环；在第一保护环边缘通过第二导电类型的离子掺杂形成的第二保护环；部分覆盖二极管器件表面的场氧化层；全部覆盖二极管器件表面的复合介质层；以及二极管器件阴极和阳极的电极。本发明通过复合保护环结构优化了器件光敏区边缘的电场分布，明显降低了器件的边缘击穿风险。
Description
技术领域
本发明属于基本电子器件领域，涉及雪崩光电二极管，特别涉及一种雪崩光电二极管及其制作方法。
背景技术
雪崩光电二极管(APD)是一种具备雪崩倍增能力的高度灵敏光电二极管，其利用光电效应将接收的光信号转化为电信号。因其高增益、低漏电、高响应速度等优点，雪崩光电二极管广泛应用于长距离、高比特率光纤通信系统、近红外探测领域、高灵敏度单光子探测领域以及光谱分析领域等，且随着无人驾驶和激光测距的发展和应用，雪崩光电二极管的需求正与日俱增。
雪崩二极管需要在雪崩倍增区形成高电场以产生高的雪崩倍增系数，因此APD通常工作在雪崩区临界击穿的状态下。为达到这一状态，需要APD在雪崩区达到临界击穿前防止在其他区域提前发生雪崩击穿现象。最容易发生提前击穿的位置通常在光敏区边缘，由于重掺杂光敏区的结边缘存在一定曲率的电场弯曲，导致该处电场更集中，进而形成高电场以致提前击穿，该现象通常被称为“边缘击穿”。APD的工作模式分为两种，线性模式以及盖革模式，线性模式下往往工作在击穿电压的90％及以上，边缘击穿会导致器件在正常器件的工作电压下局部区域击穿影响器件工作性能。而对于盖革模式往往以门信号的方式控制电压在门开启时工作在击穿电压的3-5V，门关闭时工作在线性模式下即击穿电压的90％及以上，同样会面临局部击穿，以及局部门开启时高于局部击穿电压过高造成的更大的暗计数及后脉冲等的影响。
为避免边缘击穿，通常在光敏区边缘增加一个较低掺杂浓度较大结深的保护环，以避免提前击穿。在一些高压应用或特殊结构中，单个保护环的效果有限，在现有技术中有更多抑制边缘击穿的方法，包括：1)在光敏区边缘设置两个或多个间隔一定距离的保护环，即多重保护环；2)在光敏区边缘形成两个或多个相邻的结终端扩展区域，通过该区域的耗尽提高边缘耐压；3)通过浅槽或深槽对光敏区边缘进行处理，避免边缘的电场集中。所有这些方法的共同点是扩大了器件的边缘区域面积或是使器件制造工艺更为复杂，这可能导致器件产量降低、可靠性降低以及成本提高等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带有复合保护环结构的雪崩光电二极管及其制作方法，在不增加器件面积和工艺复杂度的情况下，降低边雪崩光电二极管的缘击穿风险，降低量产成本，提高器件可靠性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
方案一、一种带有复合保护环结构的雪崩光电二极管，包括：
衬底；
在衬底表面外延形成的吸收区；
在吸收区中通过第一导电类型的离子掺杂形成的雪崩区；
在雪崩区表面通过第二导电类型的离子掺杂形成的光敏区；
在雪崩区和光敏区边缘通过第二导电类型的离子掺杂形成的第一保护环；
在第一保护环边缘通过第二导电类型的离子掺杂形成的第二保护环；
部分覆盖二极管器件表面的场氧化层；
全部覆盖二极管器件表面的复合介质层；
以及二极管器件阴极和阳极的电极。
可选地，第一保护环和第二保护环相接触，且通过一次光刻和掺杂即形成第一保护环和第二保护环。
可选地，阴极的电极通过在复合介质层开孔以与光敏区连接，开孔位置处于光敏区的边缘。
可选地，场氧化层覆盖第二保护环以及第二保护环以外的二极管器件表面。
方案二、一种带有复合保护环结构的雪崩光电二极管的制作方法，该方法包括：
S1、在第一导电类型的衬底上进行第二导电类型的硅外延，形成吸收区；
S2、氧化吸收区形成一层氧化层，并刻蚀一部分氧化层形成局部场氧化层；
S3、利用光刻与离子注入进行第二导电类型的注入掺杂，然后进行高温推阱形成第一保护环，以及在局部场氧化层下方形成与第一保护环邻接的第二保护环，得到具备掺杂浓度梯度和结深梯度的复合保护环结构；
S4、在第一保护环内部区域进行第一导电类型的注入掺杂形成雪崩区，然后进行第二导电类型的掺杂在雪崩区表面形成光敏区；
S5、对器件进行干氧化以在外延吸收区表面形成薄氧化层，然后沉积氮化硅得到复合介质层；
S6、在光敏区边缘位置对应的复合介质层处进行刻蚀形成接触孔，然后沉积金属并刻蚀出金属电极区域作为二极管阴极；在衬底底面沉积金属作为二极管阳极，得到雪崩光电二极管。
通过局部场氧化层的阻挡作用，第二保护环的掺杂浓度和结深均低于第一保护环，从而形成具备掺杂浓度梯度和结深梯度的复合保护环结构。另外，第二保护环的结深和掺杂浓度能够通过其上方局部场氧化层的厚度和第一保护环注入的条件进行控制，使优化后的第二保护环能够在器件处于工作状态时完全耗尽。
本发明的有益效果在于：本发明可在不影响器件诸如暗电流、倍增系数等性能参数的情况下，通过采用复合保护环结构优化了器件光敏区边缘的电场分布，缓解了该处电场集中现象，从而明显降低了器件的边缘击穿风险，并且有利于提高器件击穿电压的均匀性。此外，本发明提出的雪崩光电二极管的制作方法只需要一次光刻和注入即可形成具有不同掺杂浓度和结深的第一保护环和第二保护环，避免了增加工艺复杂度所造成的器件性能和良率降低问题；而且第二保护环的掺杂浓度根据第一保护环的注入条件和第二保护环上方氧化层厚度决定，恰当的掺杂浓度可以进一步抑制器件边缘击穿。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例提出的雪崩光电二极管的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提出的雪崩光电二极管的制造流程示意图；
图3为图2中步骤S1的剖面示意图；
图4为图2中步骤S3的俯视及剖面示意图；
图5为图2中步骤S4的剖面示意图；
图6为图2中步骤S5的剖面示意图；
图7为图2中步骤S6的俯视及剖面示意图。
附图标记：1-第一保护环；2-第二保护环；3-场氧化层；4-雪崩区；5-光敏区；6-复合介质层；7-金属电极Ⅰ；8-金属电极Ⅱ。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，为本发明一实施例提出的带有复合保护环结构的雪崩光电二极管，其分为下层、上层和顶层。下层包括自下而上的衬底、吸收区、雪崩区4和光敏区5，光敏区5边缘设置有由第一保护环1和第二保护环2构成的复合保护环结构，在衬底下方设置有金属电极Ⅱ8作为二极管阳极。衬底由第一导电类型的重掺杂硅材料制成，吸收区由第一导电类型的轻掺杂外延硅制成，吸收区中，光敏区5和第一、第二保护环为第二导电类型掺杂，雪崩区4为第一导电类型掺杂。
上层设置在下层硅吸收区上方，由场氧化层3和复合介质层6组成，场氧化层3覆盖区域为第一保护环1外的器件区域，复合介质层6覆盖在整个器件区域，尤其需要覆盖整个光敏区5。
顶层设置在上层的上方，由金属电极Ⅰ7组成，通过在上层结构的复合介质层6开孔与下层的光敏区5接触，其中，开孔位置在光敏区5的边缘。
本实施例中，第一保护环1紧靠光敏区5边缘，并有一定重叠，重叠区域宽度为2～5μm，第一保护环1宽度为10～20μm，掺杂浓度为2×1016～5×1017cm-3。
本实施例中，第二保护环2紧靠第一保护环1，其宽度为10～20μm，结深为1～3μm，掺杂浓度为5×1015～5×1016cm-3，其结深与掺杂浓度均低于第一保护环1。
本发明另一实施例提供一种雪崩光电二极管的制造方法，如图2所示，其包括以下步骤：
S1、首先提供第一导电类型的衬底，该衬底的厚度为200～600μm，其掺杂浓度大于1×1019cm-3，本实施例中以硅衬底为例；在硅衬底上进行第二导电类型掺杂的硅外延，形成吸收区，其厚度为10～60μm，如图3所示；
S2、接着进行湿氧化，形成厚度100～400μm的氧化层，通过光刻和刻蚀将第一保护环1和光敏区5上方氧化层刻蚀掉，形成局部场氧化层3，然后可进行一次干氧化在吸收区表面形成薄氧化层作为对裸露硅表面的保护；
S3、利用光刻与离子注入对第一保护环1和第二保护环2区域进行第二导电类型的注入掺杂，然后进行高温推阱形成第一和第二保护环结构，推阱温度为1100～1200℃，基于第二保护环2上方氧化层对离子注入的阻挡作用，第二保护环的掺杂浓度和结深要明显低于第一保护环，形成具备掺杂浓度梯度和结深梯度的复合保护环结构，如图4所示；
S4、进行第一导电类型的注入掺杂形成较深结深的雪崩区4，然后进行第二导电类型的注入或扩散掺杂形成光敏区5，如图5所示；
S5、通过干氧化在外延吸收区表面形成薄氧化层，然后沉积氮化硅，形成氧化硅加氮化硅的复合介质层6，氧化硅厚度为150～300埃米，氮化硅厚度为1000～2000埃米，如图6所示；
S6、将光敏区5边缘上面复合介质层6刻蚀开以形成接触孔，沉积金属并刻蚀出金属电极区域作为二极管阴极，在器件底面沉积金属作为二极管阳极，形成雪崩光电二极管完整结构，如图7所示。
本实施例中，第二保护环2的结深和掺杂浓度能够通过上方氧化层厚度和保护环注入的条件进行控制，通过优化后的第二保护环2能够在器件处于工作状态时完全耗尽，从而起到分担更多电压的作用，进一步缓解光敏区5边缘的电场集中现象，从而抑制边缘击穿。
本实施例中，由氧化层和氮化硅构成复合介质层6，氧化层的厚度和氮化硅的厚度可精心设计，能够对特定波长的入射光具备更高的透过率，从而提高器件的响应度性能。
本实施例中，根据具体需求，可在阴极金属电极上方沉积低温二氧化硅或低温氮化硅，作为钝化层保护器件，防止芯片划伤和外界环境影响，在压焊位置开孔作为电极引出区域。
本实施例中，根据具体需求，可在阳极金属沉积前进行机械研磨减薄将器件衬底厚度降低到指定厚度，然后进行背面金属电极的沉积。
综上所述，本发明的工艺步骤简单，与现有常规雪崩光电二极管的工艺相兼容，避免了复杂工艺流程导致的良率下降、成本上升等问题。不增加工艺复杂度的情况下制作的复合保护环结构能够比单一保护环更有效的缓解光敏器边缘电场集中现象，抑制边缘击穿，提高了器件的可靠性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种带有复合保护环结构的雪崩光电二极管，其特征在于：其包括：
衬底；
在所述衬底表面外延形成的吸收区；
在所述吸收区中通过第一导电类型的离子掺杂形成的雪崩区；
在所述雪崩区表面通过第二导电类型的离子掺杂形成的光敏区；
在所述雪崩区和光敏区边缘通过第二导电类型的离子掺杂形成的第一保护环；
在所述第一保护环边缘通过第二导电类型的离子掺杂形成的第二保护环；
部分覆盖二极管器件表面的场氧化层；
全部覆盖二极管器件表面的复合介质层；以及
二极管器件阴极和阳极的电极。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述第一保护环和第二保护环相接触。
3.根据权利要求1或2所述的雪崩光电二极管，其特征在于：通过一次光刻和掺杂形成第一保护环和第二保护环。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述阴极的电极通过在所述复合介质层开孔与所述光敏区连接，开孔位置处于光敏区的边缘。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其特征在于：所述场氧化层覆盖所述第二保护环以及第二保护环以外的二极管器件表面。
6.一种带有复合保护环结构的雪崩光电二极管的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、在第一导电类型的衬底上进行第二导电类型的硅外延，形成吸收区；
S2、氧化所述吸收区形成一层氧化层，并刻蚀一部分氧化层形成局部场氧化层；
S3、利用光刻与离子注入进行第二导电类型的注入掺杂，然后进行高温推阱形成第一保护环，以及在局部场氧化层下方形成与第一保护环邻接的第二保护环，得到具备掺杂浓度梯度和结深梯度的复合保护环结构；
S4、在所述第一保护环内部区域进行第一导电类型的注入掺杂形成雪崩区，然后进行第二导电类型的掺杂在雪崩区表面形成光敏区；
S5、对器件进行干氧化以在外延吸收区表面形成薄氧化层，然后沉积氮化硅得到复合介质层；
S6、在光敏区边缘位置对应的复合介质层处进行刻蚀形成接触孔，然后沉积金属并刻蚀出金属电极区域作为二极管阴极；在衬底底面沉积金属作为二极管阳极，得到雪崩光电二极管。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：通过局部场氧化层的阻挡作用，第二保护环的掺杂浓度和结深均低于第一保护环，从而形成具备掺杂浓度梯度和结深梯度的复合保护环结构。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于：第二保护环的结深和掺杂浓度能够通过其上方局部场氧化层的厚度和第一保护环注入的条件进行控制，使优化后的第二保护环能够在器件处于工作状态时完全耗尽。
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| CN202410030011.8A Pending CN117913174A (zh) | 2024-01-09 | 2024-01-09 | 带有复合保护环结构的雪崩光电二极管及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117913174A (zh) |
-
2024
- 2024-01-09 CN CN202410030011.8A patent/CN117913174A/zh active Pending
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