TWI813464B - 光檢測裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種包括SPAD的光檢測裝置及其製造方法，所述光檢測裝置與InGaAs相比將基板製作成本抑制得充分低，且剩餘脈衝也少，DCR也得到抑制。本發明的光檢測裝置檢測來自對象物的入射光，且包括：（i）P型矽（Si）基板；（ii）P型鍺（Ge）層，在所述P型矽（Si）基板的成為表面的第一面通過磊晶成長而形成；以及（iii）P型薄膜矽（Si）層，形成於所述P型鍺（Ge）層上，並且（iv）所述P型薄膜矽（Si）層通過淺槽隔離（Shallow Trench Isolation）而劃分為第一區域與第二區域，在所述第一區域形成有經排列成陣列狀的多個單光子檢測二極體（SPAD），在所述第二區域形成有驅動所述SPAD的CMOS電晶體電路。
Description
本發明涉及一種光檢測裝置，內置有多個光檢測元件和驅動所述光檢測元件的驅動電路，所述多個光檢測元件檢測來自對象物的入射光、特別是波長為0.9 μm～1.6 μm左右的紅外光的單光子。
以往，可檢測單光子的光檢測元件通常以使用矽的單光子雪崩二極體（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）的形式實現（參照專利文獻1）。
但是此時，由於矽固有的帶隙（Eg≒1.12 eV）而導致僅可檢測波長（λ）比1 μm左右更短的光子。為了檢測具有1 μm以上的波長的紅外線的光子，需要將帶隙比矽更窄的半導體用作檢測元件。因此，通常為了檢測1 μm以上的波長的紅外線的光子而使用銦鎵砷（InGaAs）或鍺（Ge）。
關於前者的InGaAs，已知其結晶缺陷多，尤其形成有深能級的陷阱（trap），因而在作為雪崩光電二極體（APD）運行時，大量產生剩餘脈衝（after pulse）（“雜訊”）這一不良。
而且，InGaAs無法以單晶形式製造，通常是在InP基板上通過金屬有機物化學氣相反應（金屬有機化學氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD））進行磊晶成長而形成。
因此，有基板製作成本變得昂貴的缺點。
進而，難以充分提高結晶品質。
而且，無法將用來放大或處理來自APD的信號的驅動電路與APD一體化地在同一晶片內構成。
關於後者的Ge，必須在Ge內形成雪崩區域，Ge由於帶隙如上文所述那樣窄，因而容易產生經熱激發的載流子（carrier），由所述載流子引起雪崩倍增，在並無光的“暗”情況下也進行“光子”計數。這被稱為暗計數率（Dark Count Rate，DCR），有DCR變高的問題。
而且，在將光檢測裝置用作長距離被攝體探測系統（雷射成像檢測與測距（Laser Imaging Detection and Ranging，LiDAR））的情況等下，需要二維的距離信息，必須將多個SPAD排列配置成陣列狀。但是，使用InGaAs或Ge的檢測裝置的場合下，難以將多個SPAD在同一晶片內排列成陣列狀。
非專利文獻1中公開了在形成於矽基板上的鍺（Ge）層形成單光子檢測二極體（SPAD）。
非專利文獻2中公開了一種包含Ge吸收層和Si倍增層且由p摻雜Si電荷層分離而構成的倍增雪崩光電二極體（SACM-APD）。
但是，非專利文獻1、2所公開的SPAD為單一二極體的結構，且並非將多個二極體排列成陣列狀的結構，而且，驅動SPAD的電路並未形成在同一基板上。
非專利文獻3中公開了一種近紅外（Near Infrared，NIR）LiDAR接收器中使用的N
+P單端SPAD的主動複位用的電路。但是，關於如何使SPAD與複位用的電路構成在同一基板上，未作詳細公開。
非專利文獻4中，使鍺（Ge）在0°及6°截切矽（001）上磊晶成長，且公開了其特性評價結果。
非專利文獻5中，公開了使用二階段製程使鍺（Ge）薄膜在矽（100）上磊晶成長。
非專利文獻4、5僅對在矽層上磊晶成長的Ge層的特性進行了評價，關於光檢測裝置的結構，未作任何公開。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2021-150359
[非專利文獻]
非專利文獻1：《高性能矽上平面鍺單光子雪崩二極體探測器（High performance planar germanium-on-silicon single-photon avalanche diode detectors）》，彼得瓦尼斯（Peter Vines）等人，“自然通信（nature communications）,（2019）10；1086”
非專利文獻2：《鍺矽雪崩光電二極體的建模（Modelling Ge/Si Avalanche Photodiodes）》，F.吉迪（F.Gity）等人，“愛爾蘭科學基金會（Science Foundation Ireland，SFI）項目下（under grand）07/SRC/11173”
非專利文獻3：《近紅外雷射雷達接收器中使用的N+P單端SPAD的主動複位（Active-Reset for the N+P Single-Ended SPAD Used in the NIR LiDAR Receivers）》，A.卡茲（A.Katz）等人，“IE3電子設備交易（IE3 TRANSACTIONS ON ELECTRON DEIVES），Vol.66，No.12，十二月（December）2019”
非專利文獻4：《0°和6°截切矽（001）上的鍺磊晶膜的生長和特性的比較研究（Comparative Studies of the Growth and Characterization of Germanium Epitaxial Film on Silicon(001) with 0° and 6° offcut）》，李光宏（Kwang Hong Lee）等人，“電子材料雜誌（Journal of Electronic Materials），vol.42，No.6，2013”
非專利文獻5：《採用兩步製程在矽（100）上磊晶鍺薄膜（Epitaxial Germanium thin films of Silicon(100) using two-step process）》，薩洛尼喬拉（Saloni Chaurasia）等人，“來自IEEE Xplore的VTC（VTC from IEEE Xplore）”
[發明所要解決的問題]
本發明的目的在於提供一種包括SPAD的光檢測裝置及其製造方法，所述光檢測裝置與InGaAs相比將基板製作成本抑制得充分低，且剩餘脈衝也少，DCR也得到抑制。
進而，本發明的目的也在於提供下述光檢測裝置及其製造方法，所述光檢測裝置可將矽基的互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）電晶體電路排列載置在同一基板上，所述矽基的CMOS電晶體電路對經排列成陣列狀的多個SPAD進行驅動。
[解決問題的技術手段]
本發明的光檢測裝置檢測來自對象物的入射光，且包括：（i）P型矽（Si）基板；（ii）P型鍺（Ge）層，通過磊晶成長而形成在所述P型矽（Si）基板的成為表面的第一面；以及（iii）P型薄膜矽（Si）層，形成在所述P型鍺（Ge）層上，（iv）所述P型薄膜矽（Si）層通過淺槽隔離（STI：Shallow Trench Isolation）而被劃分為第一區域與第二區域，在所述第一區域形成有經排列成陣列狀的多個作為單光子檢測二極體的單光子雪崩二極體，在所述第二區域形成有驅動所述單光子雪崩二極體的互補金屬氧化物半導體電晶體電路。
本發明的光檢測裝置對於P型的矽（Si）基板和在所述矽（Si）基板上通過磊晶成長而形成的P型的鍺（Ge）層，在所述鍺（Ge）層上通過表面活化接合而接合有P型矽（Si），所述P型矽（Si）是基於下述結構而製作，即：通過使用氫離子注入的智能剝離（smart cut）技術而薄膜化至0.8 μm至1.2 μm。
在經薄膜化的P型矽（Si），通過離子注入而形成有：經排列成陣列狀的多個SPAD，檢測紅外線；以及CMOS電晶體電路，驅動所述SPAD，對所檢測到的信號進行放大、處理。
在所述P型矽（Si）的雪崩二極體部，形成有通過注入硼等III族雜質的離子從而經摻雜的APD P井層、及通過注入磷等V族雜質的離子從而經摻雜的APD N井層，在APD N井層，為了充分降低接觸電阻而形成有經砷等V族雜質高濃度地摻雜的N
+擴散層。而且，在所述N
+擴散層周圍，通過離子注入而設置有避免邊緣擊穿（edge breakdown）的NW保護環層。
在N溝道電晶體部，有通過注入硼等III族的離子從而形成的P井層，在所述P井層內，有構成電晶體的源極及汲極的、通過注入砷等V族的離子從而形成的N
+擴散層。進而，也形成有用於與P井層接觸的、由硼等所得的P
+擴散層。同樣地，在P溝道電晶體部，通過離子注入而形成有N井層、P
+擴散層、N
+擴散層。
這些電晶體的形成方法依據現有的邏輯大規模積體電路（Large Scale Integration，LSI）的製造方法，可使本發明的光檢測裝置的製造容易且實現製造成本降低。
[發明的效果]
根據本發明的光檢測裝置，可在鍺耗盡層內通過紅外線所致的光電效應而產生載流子，並在高品質的矽內的PN接合部發生所述產生的載流子的雪崩，由此可減少作為SPAD的雜訊的DCR，也減少剩餘脈衝。而且，雪崩二極體一個一個地分離，可將多個雪崩二極體配置成陣列狀，能利用一個晶片來製作二維的圖像感測器（image sensor）。
進而，可容易地搭載通常的矽CMOS電路，因而不僅是感測器二極體，而且可將對從感測器輸出的電信號進行放大、處理的電路搭載於一個晶片內，可實現裝置的尺寸、成本的降低。
此外，本發明的光檢測裝置的製造方法大致依據通常的CMOS邏輯製程，確保製造的容易性及成本降低。
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。
圖1為表示本發明的實施方式的光檢測裝置10的概略結構的圖，（a）表示平面圖，（b）表示截面圖。
本發明的光檢測裝置10中，多個單光子檢測二極體（SPAD）的畫素2在同一矽晶片1上排列成陣列狀，在其周圍形成有CMOS電晶體電路4，此CMOS電晶體電路4包含驅動所述畫素2的行（Row）控制電路4-1、列（Column）控制電路4-2及信號處理電路4-3等。
矽晶片1的表面的薄膜矽（Si）層通過下文將詳細說明的淺槽隔離（Shallow Trench Isolation，STI）而劃分為第一區域與第二區域，在第一區域形成有經排列成陣列狀的畫素2，在第二區域形成有CMOS電晶體電路4。
各畫素2間及畫素2與行控制電路4-1及列控制電路4-2之間由金屬配線3連結。
圖2為表示圖1的（b）所示的截面結構的詳細的示意截面圖。
本光檢測裝置將經P型摻雜的P型鍺磊晶層102被經P型摻雜的矽基板101與P型薄膜矽層103夾在中間的晶圓用作晶圓製程的原材料，通過進行離子注入及熱處理，從而構成檢測紅外線單光子的光電二極體（SPAD）202、和將來自光電二極體202的信號放大並進行處理的CMOS電晶體電路201。
此外，圖2中CMOS電晶體電路201及光電二極體（SPAD）202僅例示了單位個數，但實際的光檢測裝置中，如圖1所示，構成經排列成陣列狀的多個SPAD202、和將多個CMOS電晶體電路201組合而成的SPAD202驅動用的CMOS電晶體電路。
進而，通過利用現有的製程製造技術來形成光電二極體202內的元件、CMOS電晶體電路201內的元件、及光電二極體202與CMOS電晶體電路201間的配線，從而實現包含可進行信號放大的放大器或可進行信號處理的CMOS電晶體電路201的、一體型的可檢測紅外線單光子的光檢測裝置。
光電二極體（SPAD）202形成在P型矽基板101上，P型矽基板101為通用的矽晶圓，經硼等III族雜質摻雜，其載流子濃度為1×10
15cm
-3至1×10
19cm
-3，較理想為1×10
18cm
-3。
P型鍺磊晶層102為在矽基板101上通過磊晶成長而形成的層，經P型摻雜，其濃度為1×10
15cm
-3至1×10
16cm
-3，較理想為7×10
15cm
-3，厚度為4 μm至7 μm，較理想為5.5 μm。
在P型鍺磊晶層102上，形成有P型薄膜矽層103，此P型薄膜矽層103的濃度為1×10
15cm
-3至1×10
16cm
-3，較理想為7×10
15cm
-3，且厚度為0.8 μm至1.2 μm，較理想為1.0 μm。此P型薄膜矽層103通過表面活化接合而與P型鍺磊晶層102在常溫真空中接合。
而且，P型薄膜矽層103通過使用氫離子注入的智能剝離技術而以薄且均勻的膜厚的形式實現。
在光電二極體202的部分，在P型薄膜矽層103中從深處起通過通常的離子注入技術而形成有APD P井層105、APD N井層106及N
+擴散層108，以包圍N
+擴散層108的方式配置有保護環N井層107。
APD P井層105位於距P型薄膜矽層103的表面0.7 μm至0.8 μm的深度，為濃度1×10
16cm
-3至1×10
17cm
-3、較理想為7×10
16cm
-3的P型的擴散層，通過利用該層以降低P型薄膜矽層103與P型鍺磊晶層102的接合部的電場的方式進行控制，從而減少此界面處產生的暗電流。
APD N井層106位於距P型薄膜矽層103的表面0.2 μm至0.7 μm的深度，為濃度1×10
15cm
-3至1×10
16cm
-3、較理想為7×10
15cm
-3的N型的擴散層。
APD P井層105與APD N井層106均形成PN接合，對其接合部分以可實現雪崩倍增的方式施加充分的高電場。
為了與所述APD N井層106電連接且以充分低的電阻值與金屬配線3接觸，在距P型薄膜矽層103的表面0.2 μm的深度，形成有濃度1×10
19cm
-3至1×10
21cm
-3的N
+擴散層108。此N
+擴散層108也可與下文將述的CMOS電晶體電路201部中所用的N
+擴散層108同時形成。
進而，在所述光電二極體的N
+擴散層108的周圍，為了避免邊緣擊穿而配置有濃度1×10
17cm
-3至1×10
19cm
-3的保護環N井層107。
而且，在各光電二極體202的周圍，為了進行電性分離而配備有淺槽隔離（Shallow Trench Isolation，STI）層104。
CMOS電晶體電路201基本上是在P型薄膜矽層103內通過現有的CMOS製造技術而製作。
圖2的110及111分別為包含N溝道電晶體的P井層、及包含P溝道電晶體的N井層。在各井層內，配置有構成源極汲極的作為高濃度擴散層的N
+擴散層108、及P
+擴散層109。
而且，N
+擴散層108及P
+擴散層109成為以低電阻與井層110、111連接的井接觸。金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的柵極電極為112，電晶體的各電極通過電極插塞114電連接，由金屬配線115形成光檢測裝置的電路結構。
圖3表示晶圓的製造方法，所述晶圓成為製造本發明的可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的、基本材料。
首先，如圖3的（a）所示，在現有的以1×10
15cm
-3至1×10
19cm
-3、較理想為1×10
18cm
-3的濃度摻雜有硼等III族雜質的P型矽基板301，通過磊晶成長而形成P型鍺磊晶層302。
此時，P型鍺磊晶層302的載流子濃度為1×10
15cm
-3至1×10
16cm
-3，較理想為7×10
15cm
-3，厚度為4 μm至7 μm，較理想為5.5 μm。
另一方面，如圖3的（b）所示，對於現有的以1×10
15cm
-3至1×10
16cm
-3、較理想為7×10
15cm
-3的濃度摻雜有硼等III族雜質的P型矽基板303，以1×10
16cm
-3至1×10
17cm
-3、較理想為5×10
16cm
-3的劑量以能量110 keV注入氫離子（H
+）。
如圖3的（c）所示，利用表面活化接合技術將所述兩個基板301、303在真空中接合。所述表面活化接合中，將兩個基板導入至未圖示的真空腔室，利用氬（Ar）離子對各自的表面進行濺鍍後，使各自的表面接合，施加60秒左右的300 N左右的壓力，由此將兩個基板機械接合。
通過將所述經接合的基板在400℃至600℃的溫度進行退火，從而可如圖3的（d）所示，在氫離子注入部發生解理，在P型鍺磊晶層302上形成1 μm左右的P型矽層303。
進而，為了使P型矽層303側的表面平坦化而實施化學機械研磨（CMP），並進行用於去掉表面的損傷的、濕式蝕刻，如圖3的（e）所示那樣完成晶圓，此晶圓成為可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的原材料。
圖4為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖。
將所述鍺402經矽401、403夾持的晶圓作為起始材料（starting material）。對所述晶圓進行美國無線電公司（Radio Company of America，RCA）等清洗後，通過熱氧化使10 nm至30 nm的墊氧化膜404成長。進而，利用減壓CVD法使100 nm至200 nm左右的氮化矽膜405堆積。然後，利用現有的光微影技術和將光阻劑406作為遮罩的蝕刻將氮化矽膜405及墊氧化膜404圖案化，由此獲得圖4（a）的結構。
然後，除去光阻劑406，通過將氮化矽膜405作為硬遮罩的蝕刻在矽膜403形成淺槽。實施RCA清洗等後，通過熱氧化在槽表面形成10 nm至20 nm的氧化矽膜。進而，通過高密度電漿（High Density Plasma，HDP）-CVD而堆積500 nm至700 nm的氧化矽膜，通過化學機械研磨（CMP）進行平坦化，由此可形成為了元件分離而嵌埋在槽內的STI氧化膜407，獲得圖4（b）的截面結構。
利用熱磷酸將氮化矽膜405除去，利用氫氟酸將墊氧化膜404除去並且使STI氧化膜的高度與矽表面一致。進而，通過熱氧化而實施10 nm至20 nm的犧牲氧化，由此獲得圖4（c）的結構。直到此步驟為止，依據通常的CMOS邏輯（LOGIC）製程。此後成為可檢測紅外線單光子的光檢測裝置所特有的追加步驟。
首先，為了形成APD P井層409，利用通常的光微影技術，將光阻劑406作為遮罩以加速能量310 keV且劑量6×10
11cm
-2注入硼離子（圖4（d））。然後，除去光阻劑406。
同樣地，為了形成APD N井層410，利用通常的光微影技術，將光阻劑406作為遮罩以加速能量330 keV且劑量7×10
11cm
-2、和加速能量90 keV且劑量2×10
15cm
-2注入磷離子（圖4（e））。然後，除去光阻劑406。
此後，為了形成保護環N井層411，同樣地利用通常的光微影技術，將光阻劑406作為遮罩以加速能量70 keV且劑量4×10
11cm
-2、和加速能量200 keV且劑量4×10
11cm
-2注入磷離子（圖4（f））。然後除去光阻劑406。
從APD P井光微影步驟到所述步驟為止，為製造可檢測紅外線單光子的光檢測裝置所需要的、對通常的CMOS邏輯製程的追加步驟。所述步驟以後，依序通常的CMOS邏輯製程，因而詳細條件省略。
首先，為了形成N溝道電晶體，也通過通常的光微影技術及以光阻劑406作為遮罩進行硼離子注入，從而形成邏輯（Logic）P井層412（圖4（g））。此步驟中也包含調整N溝道電晶體的閾值的、硼或BF2的離子注入。離子注入後將光阻劑406除去。
進而，為了形成P溝道電晶體，也通過通常的光微影技術及以光阻劑406作為遮罩進行磷離子注入，從而形成邏輯N井層413（圖4（h））。此步驟中，也包含調整P溝道電晶體的閾值的、磷離子注入。離子注入後將光阻劑406除去。
然後，利用氫氟酸等將犧牲氧化膜408除去。進行RCA等前清洗後，通過熱氧化而形成柵極氧化膜414。通過減壓CVD來堆積成為柵極電極415的多晶矽，利用通常的光微影技術和蝕刻技術將柵極電極415圖案化，除去光阻劑406，由此獲得圖4（i）的結構。
接下來，為了形成用於緩和N溝道電晶體的漏區電場及抑制短溝道效應的n
-部416，利用通常的光微影技術如圖4（j）所示那樣形成N溝道電晶體部的光阻劑406經開口的圖案後，進行砷的離子注入和硼或BF2的離子注入，除去光阻劑406，所述砷的離子注入用來形成用於緩和漏區電場的輕摻雜漏區（Lightly Doped Drain，LDD），所述BF2的離子注入用來製作用於緩和短溝道效應的口袋（pocket）。
同樣地，為了如圖4（k）所示那樣形成p
-部417，形成P溝道電晶體部的光阻劑406經開口的圖案後，進行作為LDD的BF2離子注入和作為口袋的磷離子注入，除去光阻劑406。然後，利用CVD法形成氧化矽膜，通過異向性蝕刻如圖4（l）所示那樣在柵極電極415的側壁形成側壁間隔件418。
接下來，為了形成N溝道電晶體的N
+擴散層419，如圖4（m）所示那樣形成N溝道電晶體部經開口的光阻劑406圖案。此時，為了同時形成APD的N
+擴散層419，而在APD上部也進行光阻劑開口。將此光阻劑406作為遮罩注入砷離子，由此形成N溝道電晶體的源極汲極及APD的N
+擴散層419。
同樣地，為了形成P溝道電晶體的源極汲極及P
+擴散層420，如圖4（n）所示那樣形成P溝道電晶體部經開口的光阻劑406圖案，將此光阻劑406作為遮罩進行BF2的離子注入，除去光阻劑406。進而，利用CVD法等在整個面形成氧化矽膜，以隨後的用於低電阻化的矽化物步驟中不欲形成矽化物的區域中殘留氧化矽膜422的方式進行圖案化。
所謂不欲形成矽化物的區域，本發明中具體而言為APD部分，但即便為APD部分，也以在後續將形成接觸的部分中形成矽化物的方式設為圖4（o）的結構。
然後濺鍍鈷等，在500℃左右的相對較低溫度使鈷與矽反應，未發生反應的氧化矽膜上的鈷通過選擇蝕刻而除去。進而，通過加以熱處理從而進行矽化物化，製作低電阻的矽化物層。
然後，通過現有的層間絕緣膜423的形成、接觸及接觸中的鎢插塞424的形成、第一層的配線層425的形成，而獲得圖4（p）的結構。此處雖未示，但隨後通過金屬層間膜、通道（via）形成、上層的金屬配線層的形成，而獲得多層金屬配線結構。進而，在最上層的金屬層上，為了保護晶片而形成保護膜，為了實現電性導通而將墊上的保護膜除去，經過這些步驟後，進行將晶圓設為所需厚度的背面研磨，為了背面的低電阻化而進行背面硼注入，形成背面的P
+擴散層，由此本發明的光檢測裝置的晶圓製程完成。
此外，所述實施方式中，P型薄膜矽層103是如圖3所示那樣通過表面活化接合技術和利用氫離子注入的智能剝離技術而形成，但本發明不限定於此，也可通過在P型鍺磊晶層102上使矽磊晶成長1 μm左右的方法來形成。
圖5中表示通過所述製程所形成的APD的主要部分的、由製程模擬所得的載流子濃度分佈。橫軸表示距矽膜403表面的深度，縱軸表示擴散層的濃度。可知，圖2所示的結構可通過本發明的製造方法大致實現。
此外，為了檢測來自對象物的入射光而照射SPAD的方法中，有表面照射和背面照射。本發明的SPAD中，如圖6所示，表面的n
+接合108薄至0.5 μm，在其下方的P型鍺磊晶層102內，存在產生光電效應的耗盡層（depletion layer）。P型薄膜矽層103吸收可見光，但僅0.5 μm的厚度難以吸收所有可見光。因此，表面照射的情況下，需要用來遮蔽可見光的可見光遮光濾光片120。
接下來，對背面照射的情況進行考察。
P型鍺磊晶層102薄至5 μm左右，其下方的P型矽基板101為了確保晶片的機械強度，最少需要200 μm以上的厚度。即便不在背面設置可見光遮光濾光片，所述厚的P型矽基板也吸收可見光，不到達形成於P型鍺磊晶層102的耗盡層。
相對於此，波長1.1 μm左右的紅外光通過矽（Si），到達耗盡層。因此，即便不存在可見光遮光濾光片，也可實現僅選擇性地感知紅外線的SPAD。因此，無需製作濾光片的步驟，因而可實現步驟簡化或成本降低。
1:矽晶片
2:畫素
3:金屬配線
4、201:CMOS電晶體電路
4-1:行控制電路
4-2:列控制電路
4-3:信號處理電路
10:光檢測裝置
101、301:P型矽基板
102、302:P型鍺磊晶層
103:P型薄膜矽層
104:STI層
105、409:APD P井層
106、410:APD N井層
107、411:保護環N井層
108、419:N
+擴散層
109、420:P
+擴散層
110、111:井層
112、415:柵極電極
113、423:層間絕緣膜
114:電極插塞
115:金屬配線
120:可見光遮光濾光片
202:光電二極體
303:P型矽基板、P型矽層
401:矽
402:鍺
403:矽膜
404:墊氧化膜
405:氮化矽膜
406:光阻劑
407:STI氧化膜
408:犧牲氧化膜
412:邏輯P井層
413:邏輯N井層
414:柵極氧化膜
416:n
-部
417:p
-部
418:側壁間隔件
422:氧化矽膜
424:鎢插塞
425:配線層
圖1為表示本發明的實施方式的光檢測裝置的概略結構的圖，（a）為平面圖，（b）為截面圖。
圖2為表示圖1的（b）所示的截面結構的詳細的示意截面圖。
圖3為表示晶圓的製造方法的圖，所述晶圓成為製造本發明的可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的、基本材料。
圖4（a）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其一）。
圖4（b）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其二）。
圖4（c）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其三）。
圖4（d）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其四）。
圖4（e）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其五）。
圖4（f）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其六）。
圖4（g）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其七）。
圖4（h）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其八）。
圖4（i）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其九）。
圖4（j）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其十）。
圖4（k）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其十一）。
圖4（l）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其十二）。
圖4（m）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其十三）。
圖4（n）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其十四）。
圖4（o）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其十五）。
圖4（p）為說明可檢測紅外線單光子的光檢測裝置的晶圓製程的概略截面圖（其十六）。
圖5為表示APD的主要部分的、由製程模擬所得的載流子濃度分佈的圖。
圖6為入射光的表面照射和背面照射的說明圖。
101:P型矽基板
102:P型鍺磊晶層
103:P型薄膜矽層
104:STI層
105:APD P井層
106:APD N井層
107:保護環N井層
108:N+擴散層
109:P+擴散層
110、111:井層
112:柵極電極
113:層間絕緣膜
114:電極插塞
115:金屬配線
201:CMOS電晶體電路
202:光電二極體
Claims (4)
- 一種光檢測裝置，檢測來自對象物的入射光，且包括： （i）P型矽（Si）基板； （ii）P型鍺（Ge）層，通過磊晶成長而形成在所述P型矽（Si）基板的成為表面的第一面；以及 （iii）P型薄膜矽（Si）層，形成在所述P型鍺（Ge）層上， （iv）所述P型薄膜矽（Si）層通過淺槽隔離（STI：Shallow Trench Isolation）而被劃分為第一區域與第二區域，在所述第一區域形成有經排列成陣列狀的多個作為單光子檢測二極體的單光子雪崩二極體，在所述第二區域形成有驅動所述單光子雪崩二極體的互補金屬氧化物半導體電晶體電路。
- 如請求項1所述的光檢測裝置，其中， 所述P型薄膜矽（Si）層是通過表面活化接合技術及利用氫離子注入的智能剝離技術而形成。
- 如請求項1所述的光檢測裝置，其中， 所述P型薄膜矽（Si）層是通過矽（Si）的磊晶成長薄膜化而形成在所述P型鍺（Ge）層上。
- 如請求項1至請求項3中任一項所述的光檢測裝置，其中， 構成為接收來自所述P型矽（Si）基板的成為背面的第二面的所述入射光。
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