CN1607671A - 与cmos工艺兼容的硅光电探测器及制作方法 - Google Patents

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李伟
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高鹏
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Abstract

一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器，其特征在于，其中包括：一个p－型半导体衬底；一个n型阱，该n型阱制作在衬底上；一个6条叉指状的P+型扩散区，该6条叉指状的P+型扩散区设置在n型阱上；一个P+型保护环，该P+型保护环制作在n型阱中并且形成在6条叉指状的P+型扩散区的周围；一个增透膜层，该增透膜层淀积在6条叉指状的P+型扩散区的上面；由叉指状的P+型扩散区与n型阱构成光电二级管的pn结，由n型阱与P+型保护环构成屏蔽二级管。

Description

与CMOS工艺兼容的硅光电探测器及制作方法
技术领域
本发明涉及一种光电探测器的结构及制作方法，特别涉及一种与标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺完全兼容的硅基光电探测器阵列及其制作方法。
背景技术
目前主流接收机均为化合物光电探测器，它与硅基接收机专用集成电路之间用金属线键合(WIRE BONDING)混合集成。混合集成使探测器附近的表面有凸出的压焊线，这使其在与光纤耦合时，对耦合对准的夹具的活动范围有一定的限制，并且通常一个压焊盘的面积为100×100μm2，如果是阵列接收机芯片则占用的面积就更为可观。但是若接收机能实现全硅化的单片集成，则接收机的功能将更加灵活，接收模块的器件成本和封装成本会大大降低，去掉压焊线后在光纤耦合时耦合会更容易，能降低耦合成本，容易工业化。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速且与标准的CMOS工艺完全兼容的光电探测器及其制作方法，该探测器可与CMOS接收机电路单片集成。该探测器构成的1×12阵列可应用于VSR(Very Short Reach甚短距离传输)系统，以实现12路并行光信号的传输。
本发明一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器，其特征在于，其中包括：
一个p-型半导体衬底；
一个n型阱，该n型阱制作在衬底上；
一个6条叉指状的P+型扩散区，该6条叉指状的P+型扩散区设置在n型阱上；
一个P+型保护环，该P+型保护环制作在n型阱中并且形成在6条叉指状的P+型扩散区的周围；
一个增透膜层，该增透膜层淀积在6条叉指状的P+型扩散区的上面；
一钝化层，该钝化层制作在增透膜层的上面；
由叉指状的P+型扩散区与n型阱构成光电二级管的pn结，由n型阱与P+型保护环构成屏蔽二级管。
其中所述的p-型半导体衬底上还制作有P+型保护环。
其中该光电探测器的工作波长位于850nm。
其中去除了叉指状的P+型扩散区上的钝化层。
其中该增透膜是二氧化硅和氮化硅构成的增透膜。
本发明一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器的制作方法，其特征在于，其中包括如下步骤：
(1)取一个p-型半导体衬底；
(2)在p-型半导体衬底上制作一个n型阱；
(3)在n型阱上设置一个6条叉指状的P+型扩散区；
(4)在n型阱上制作一个P+型保护环，并且该P+型保护环形成在6条叉指状的P+型扩散区的周围；
(5)在6条叉指状的P+型扩散区的上面，淀积一个增透膜层；
由叉指状的P+型扩散区与n型阱构成光电二级管的pn结，由n型阱与P+型保护环构成屏蔽二级管。
其中P+型保护环的注入与引出电极均做成环状，以保证与和衬底良好的接触；n型阱的接触P+型保护环的电极也均做成环状，以保证与n型阱良好的接触；叉指状P+扩散区的电极则从上部引出。
其中该硅光电探测器可以利用传统的互补金属氧化物半导体工艺在单片上流水，实现光电探测器和互补金属氧化物半导体接收机电路的同时制备。
其中该增透膜是二氧化硅和氮化硅构成的增透膜。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是图1的剖面图；
图3是光电探测器与CMOS兼容的结构剖面图。
具体实施方式
所说的CMOS接收机电路是指将光电探测器输出的电流信号转换为数字电路需要的电压信号的硅基CMOS集成电路。
所说的VSR系统是在短距离内实现高速信息传输的方法，VSR-1协议采用波长为850nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)1×12列阵来代替传统的串行单激光器接口，通过12根多模光纤传输，单个链路的速率为1.25G bit/s，距离在300m以内，总的传输速率达10Gbit/s。其中10个信道用作传输数据信道，其余两个信道则分别完成检测各数据信道的传输状态和校验传输信息的准确性的功能，这两个信道实际上起到了对系统自动保护的作用。该发明则为VSR系统中接收部分的光电探测器。
本发明是通过以下方法来实现的：图2显示光电探测器的剖面结构图，图3示出了光电探测器与CMOS兼容的结构示意图，光电探测器是在CMOS结构形成的同时得到的。下面结合图2和图3进行详细的阐述：
首先在p-型半导体衬底1上同时做两个n型阱2和12，如图所示，左边的n型阱中用来做叉指型光电探测器，右边n型阱中做p型MOS管。然后形成p型阱11，其中做n型MOS管。
然后淀积多晶硅层，通过光刻、腐蚀后形成出NMOS和PMOS的栅极13和14。在做调栅压注入时需要用掩蔽膜将光探测器区域掩蔽起来。
叉指状P+型扩散区3和P+型保护环(Guard ring)5是同PMOS管的源极19、漏极18同时制备的，n+扩散区4是与NMOS管的源极15和漏极16同时制备的。
此后做出CMOS的各个电极与光电二级管的各个电极。NMOS管的源极15和阱接触17连在一起接地，PMOS管的源极19和阱接触20连在一起接电源，两个栅极13和14作为输入端，两个漏极16和18作为输出端。此时，右边就形成了标准的CMOS结构。
叉指状P+扩散区3上铝电极8为光电二极管的正极，n阱的引出铝电极9为负极，P+型保护环5引出铝电极10。然后在叉指状P+型扩散区3上腐蚀掉光电探测器上面的SiO2层6和钝化层21，可以减少光反射的能量损失而增加了探测器对光的吸收效率。最后在光电探测器的上面做增透膜层7，通过减少光的反射以提高对光的吸收效率。
工作时光电二极管反偏，形成耗尽区，当有光照时耗尽区内形成大量的光生载流子。保护环的电极接地，与n型阱2形成的反偏pn结可以屏蔽衬底深处产生的光生载流子的扩散，提高了光电探测器的速度。
若将光电探测器与CMOS接收机电路集成在同一半导体衬底上，则可以完成将光信号转换成电压信号的功能，由此构成的1×12阵列可以按照VSR系统的要求进行12路并行光信号到电压信号的转换功能。这样，便可以实现10G bit/s的总传输速率。
下面结合实施例和附图进一步阐述本发明。
结合图1、图2与图3，光电探测器的具体制作工艺如下：
1、在p-型半导体衬底1上制作面积为20μm×20μm的n型阱2，搀杂浓度为6×1017cm-3，阱深约为1μm；n型阱2和制作p型MOS管的n型阱12同时制作。
2、同时形成叉指状P+型扩散区3和P+型保护环5，搀杂浓度为1×1019cm-3，图中所示，共有6个叉指条均允分布在n型阱2中，每个叉指条的宽度为1μm，每两个叉指条之间的距离为1.5μm，其结深约为0.3μm；叉指状P+型扩散区3和P+型保护环5同PMOS管的源极19、漏极18同时制备。
3、进行n型阱的接触扩散区4，搀杂浓度为1×1019cm-3，3和4构成光电二极管的pn结；n+扩散区4是与NMOS管的源极15和漏极16同时制备的。
4、引出各电极，如图3所示，保护环5与n阱接触4的电极均做成环状，可以保证良好的接触，叉指状P+扩散区电极则从上部引出。
5、在叉指状P+型扩散区3上腐蚀掉光电探测器上面的二氧化硅(SiO2)层6和钝化层21，可以减少光反射的能量损失而增加了探测器对光的吸收效率。
6、在光电探测器的上面做增透膜层7，通过减少光的反射以提高探测器对光的吸收效率。
综上所述，与现有主流技术相比，本发明具有一下突出的优点：
1、硅基光电探测器与接收电路单片集成的电路(OEIC)不仅具有光电转换和放大功能，而且由于硅集成电路已经成熟，可以方便地引入电子的逻辑处理、存储和智能控制功能。
2、光电集成电路消除了封装、引线和连线等寄生参量的影响，可以实现极高的速率，同时还具有体积小、成品率高和可靠性好等优点。
3、可以广泛的用在光存储系统和短距离内多信道并行传输中。例如CD-ROM，数字化视频光盘(DVD)，波长在630-850nm通过塑料光纤传送的数字系统。

Claims (9)

1、一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器，其特征在于，其中包括：
一个p-型半导体衬底；
一个n型阱，该n型阱制作在衬底上；
一个6条叉指状的P+型扩散区，该6条叉指状的P+型扩散区设置在n型阱上；
一个P+型保护环，该P+型保护环制作在n型阱中并且形成在6条叉指状的P+型扩散区的周围；
一个增透膜层，该增透膜层淀积在6条叉指状的P+型扩散区的上面；
一钝化层，该钝化层制作在增透膜层的上面；
由叉指状的P+型扩散区与n型阱构成光电二级管的pn结，由n型阱与P+型保护环构成屏蔽二级管。
2、根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器阵列，其特征在于，其中所述的p-型半导体衬底上还制作有P+型保护环。
3、根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器阵列，其特征在于，其中该光电探测器的工作波长位于850nm。
4、根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器阵列，其特征在于，其中去除了叉指状的P+型扩散区上的钝化层。
5、根据权利要求1所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器阵列，其特征在于，其中该增透膜是二氧化硅和氮化硅构成的增透膜。
6、一种与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器的制作方法，其特征在于，其中包括如下步骤：
(1)取一个p-型半导体衬底；
(2)在p-型半导体衬底上制作一个n型阱；
(3)在n型阱上设置一个6条叉指状的P+型扩散区；
(4)在n型阱上制作一个P+型保护环，并且该P+型保护环形成在6条叉指状的P+型扩散区的周围；
(5)在6条叉指状的P+型扩散区的上面，淀积一个增透膜层；
由叉指状的P+型扩散区与n型阱构成光电二级管的pn结，由n型阱与P+型保护环构成屏蔽二级管。
7、根据权利要求6所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器的制作方法，其特征在于，其中P+型保护环的注入与引出电极均做成环状，以保证与和衬底良好的接触；n型阱的接触P+型保护环的电极也均做成环状，以保证与n型阱良好的接触；叉指状P+U扩散区的电极则从上部引出。
8、根据权利要求6所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器的制作方法，其特征在于，其中该硅光电探测器可以利用传统的互补金属氧化物半导体工艺在单片上流水，实现光电探测器和互补金属氧化物半导体接收机电路的同时制备。
9、根据权利要求6所述的与互补金属氧化物半导体工艺兼容的硅光电探测器的制作方法，其特征在于，其中该增透膜是二氧化硅和氮化硅构成的增透膜。
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