專利名稱：深亞微米cmos工藝電感補償型光電探測器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件，特別涉及一種與深亞微米標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，Complementary Metal OxideSemiconductor)工藝完全兼容的硅基光電探測器結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
信息技術(shù)的發(fā)展意味著需要以更高的速率傳輸容量更大的信息。然而傳統(tǒng)的金屬互連受到各種寄生效應(yīng)的影響無法滿足更高速率的傳輸要求，光互連無疑是一種理想的替代技術(shù)。采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝實現(xiàn)光電探測器，可以將光電子器件直接與CMOS集成電路在同一芯片上互聯(lián)，不僅可以消除混合集成中各種金屬互聯(lián)帶來的種種不利影響，而且可以充分發(fā)揮CMOS集成電路強大的信號處理能力，并能有效的降低成本。
當(dāng)CMOS晶體管的特征尺寸達到0.35μm時，傳統(tǒng)用于器件隔離的局部場氧化(LOCOS，Local Oxidation of Silicon)結(jié)構(gòu)已無法滿足晶體管按比例縮小的要求。因而在特征尺寸小于等于0.35μm的CMOS工藝中采用了淺溝道隔離技術(shù)(STI，Shallow Trench Isolation)來實現(xiàn)器件隔離。本發(fā)明設(shè)計的光電探測器利用了這種新型的STI結(jié)構(gòu)，改善了CMOS工藝兼容光電探測器的性能。
光電探測器中PN結(jié)電容是影響探測器響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素。本發(fā)明采用了新型的橫向拓撲結(jié)構(gòu)，引入了電感補償型探測器的概念，采用金屬制作平面螺旋電感與探測器陽極相連，補償了結(jié)電容帶來的不利影響，改善了探測器響應(yīng)速度特性。
此外本發(fā)明中引入陣列陽極結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以有效增大光子吸收區(qū)域，從而提高了探測器的響應(yīng)度特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用先進的深亞微米CMOS工藝實現(xiàn)光電探測器的設(shè)計，采用先進工藝對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改進，并設(shè)計了新型的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)光電探測器整體性能的改善。其制作流程與深亞微米CMOS集成電路完全兼容，有利于實現(xiàn)光電探測器與CMOS接收機電路的單片集成，并為實現(xiàn)硅基芯片上全光信息傳輸作了必要準(zhǔn)備。
本發(fā)明的深亞微米CMOS工藝是指晶體管的特征尺寸小于或等于0.35μm的CMOS集成電路工藝。深亞微米CMOS工藝中采用了淺溝道隔離(STI)作為器件的隔離結(jié)構(gòu)，可以提高器件之間的隔離效果和有效的降低襯底的噪聲對電路的影響。
本發(fā)明的CMOS接收機電路是指將光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路需要的電壓信號的硅基CMOS集成電路。
本發(fā)明一種深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器，其特征在于，其結(jié)構(gòu)包括一P襯底；一正方形N阱區(qū)，該N阱區(qū)制作在P襯底上；一環(huán)形淺溝道隔離區(qū)，該環(huán)形淺溝道隔離區(qū)制作在N阱區(qū)中，且被環(huán)形N+區(qū)環(huán)繞；一陣列形第一P+區(qū)，該陣列形第一P+區(qū)制作在N阱區(qū)中，且被環(huán)形淺溝道隔離區(qū)環(huán)繞，構(gòu)成探測器陣列陽極；一環(huán)形N+區(qū)，該N+區(qū)制作在N阱區(qū)中，且將淺溝道隔離區(qū)環(huán)繞；一環(huán)形第二P+區(qū)，該環(huán)形第二P+區(qū)制作在P襯底上，且將正方形的N阱區(qū)環(huán)繞；一平面螺旋形金屬電極，該金屬電極將陣列形第一P+區(qū)中各個單元塊逐個相連；一環(huán)形金屬電極，該金屬電極連接在N+區(qū)上；一環(huán)形金屬電極，該金屬電極連接在第二P+區(qū)上。
其中探測器陣列陽極采用陣列形第一P+區(qū)的結(jié)構(gòu)，陣列規(guī)模是5×5、7×7、9×9，或根據(jù)探測器的尺寸進行設(shè)計。
其中探測器陣列陽極引出的平面螺旋形金屬電極構(gòu)成補償電感。
其中探測器是單路使用，或是并行陣列使用。
其中探測器吸收波長在650nm-850nm范圍，可用于多模光纖短距離傳輸。
本發(fā)明一種深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器的制作方法，其特征在于，其中包括如下步驟步驟1取一個P半導(dǎo)體襯底；步驟2在P半導(dǎo)體襯底上制作一個N阱；步驟3在N阱上制作一個淺溝道隔離區(qū)；步驟4在N阱上制作一個陣列形第一P+區(qū)，這種陣列結(jié)構(gòu)有利于在反向偏壓下形成較大的耗盡區(qū)，提高對光生載流子的作用能力；步驟5在P半導(dǎo)體襯底上制作一個環(huán)形第二P+區(qū)，該環(huán)形第二P+區(qū)將N阱環(huán)繞；步驟6在N阱內(nèi)制作一個環(huán)形N+區(qū)，該環(huán)形N+區(qū)將淺溝道隔離區(qū)環(huán)繞；步驟7在第一P+區(qū)、第二P+區(qū)、N+區(qū)上制作接觸孔，并淀積金屬；步驟8刻蝕金屬，將與第一P+區(qū)連接的金屬刻蝕成平面螺旋形電極，這種平面螺旋結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在探測器陽極串聯(lián)一個電感，此電感可補償探測器結(jié)電容對探測器響應(yīng)速度帶來的不利影響；陣列形第一P+區(qū)與N阱構(gòu)成探測器工作二級管；由N阱與P襯底構(gòu)成屏蔽二級管。
其中探測器陣列陽極采用陣列形第一P+區(qū)的結(jié)構(gòu)，陣列規(guī)模是5×5、7×7、9×9，或根據(jù)探測器的尺寸進行設(shè)計。
其中探測器陣列陽極引出的平面螺旋形金屬電極構(gòu)成補償電感。
其中探測器是單路使用，或是并行陣列使用。
其中探測器吸收波長在650nm-850nm范圍，可用于多模光纖短距離傳輸。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明設(shè)計的光電探測器具有以下特點1、與深亞微米CMOS工藝完全兼容，對工藝不作任何修改；2、顯著改善了光電探測器暗電流特性；3、顯著改善了光電探測器響應(yīng)度特性；4、顯著改善了光電探測器的響應(yīng)速度；5、室溫正常工作，具有穩(wěn)定的長期可靠性；6、吸收波長在650-850nm范圍，可滿足多模光纖傳輸?shù)囊蟆?br> 本發(fā)明可以應(yīng)用在多類需要進行光接收場合，例如CD\DVD光盤信息的讀取，波長在630-850nm通過塑料光纖傳送的數(shù)字系統(tǒng)，以及基于并行傳輸結(jié)構(gòu)的甚短距離傳輸系統(tǒng)(VSR，Very Short Reach)等。


為進一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖2為圖1的A-A剖面圖。
具體實施例方式
請參閱圖1與圖2所示，本發(fā)明一種深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器，其結(jié)構(gòu)包括一P襯底1；一正方形N阱區(qū)2，該N阱區(qū)2制作在P襯底1上；一環(huán)形淺溝道隔離區(qū)3，該環(huán)形淺溝道隔離區(qū)3制作在N阱區(qū)2中，且被環(huán)形N+區(qū)6環(huán)繞；一陣列形第一P+區(qū)4，該陣列形P+區(qū)4制作在N阱區(qū)2中，且被環(huán)形淺溝道隔離區(qū)3環(huán)繞，構(gòu)成探測器陣列陽極，該探測器陣列陽極采用陣列形P+區(qū)4的結(jié)構(gòu)，陣列規(guī)模是5×5、7×7、9×9，或根據(jù)探測器的尺寸進行設(shè)計。；一環(huán)形N+區(qū)6，該N+區(qū)6制作在N阱區(qū)2中，且將淺溝道隔離區(qū)3環(huán)繞；一環(huán)形第二P+區(qū)5，該環(huán)形第二P+區(qū)5制作在P襯底1上，且將正方形的N阱區(qū)2環(huán)繞；一平面螺旋形金屬電極7，該金屬電極7將陣列形第一P+區(qū)4中各個單元塊逐個相連，該探測器陣列陽極的引出電極金屬電極7構(gòu)成補償電感；其中探測器是單路使用，或是并行陣列使用，該探測器吸收波長在650nm-850nm范圍，可用于多模光纖短距離傳輸；一環(huán)形金屬電極8，該金屬電極8連接在N+區(qū)6上；一環(huán)形金屬電極9，該金屬電極9連接在第二P+區(qū)5上。
請再結(jié)合參閱圖1與圖2所示，本發(fā)明一種深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器的制作方法，其中包括如下步驟步驟1取一個P半導(dǎo)體襯底1；步驟2在P半導(dǎo)體襯底1上制作一個N阱2步驟3在N阱2上制作一個淺溝道隔離區(qū)3；步驟4在N阱2上制作一個陣列形第一P+區(qū)4，這種陣列結(jié)構(gòu)有利于在反向偏壓下形成較大的耗盡區(qū)，提高對光生載流子的作用能力，構(gòu)成探測器陣列陽極，該探測器陣列陽極采用陣列形第一P+區(qū)4的結(jié)構(gòu)，陣列規(guī)模是5×5、7×7、9×9，或根據(jù)探測器的尺寸進行設(shè)計，該探測器陣列陽極的引出電極金屬電極7構(gòu)成補償電感，該探測器是單路使用，或是并行陣列使用，該探測器吸收波長在650nm-850nm范圍，可用于多模光纖短距離傳輸；步驟5在P半導(dǎo)體襯底1上制作一個環(huán)形第二P+區(qū)5，該環(huán)形第二P+區(qū)5將N阱2環(huán)繞；步驟6在N阱2內(nèi)制作一個環(huán)形N+區(qū)6，該環(huán)形N+區(qū)6將淺溝道隔離區(qū)3環(huán)繞；步驟7在第一P+區(qū)4、第二P+區(qū)5、N+區(qū)6上制作接觸孔，并淀積金屬；步驟8刻蝕金屬，將與第一P+區(qū)4連接的金屬刻蝕成平面螺旋形電極7，這種平面螺旋結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在探測器陽極串聯(lián)一個電感，此電感可補償探測器結(jié)電容對探測器響應(yīng)速度帶來的不利影響；陣列形第一P+區(qū)4與N阱2構(gòu)成探測器工作二級管；由N阱2與P襯底構(gòu)成屏蔽二級管。
本發(fā)明為與深亞微米CMOS集成電路工藝完全兼容的光電探測器。本發(fā)明通過以下方式實現(xiàn)圖1給出光電探測器的橫向結(jié)構(gòu)，這也是采用CMOS集成電路工藝進行制作所必需的版圖結(jié)構(gòu)；圖2示出了光電探測器的縱向剖面結(jié)構(gòu)圖，主要顯示了光電探測器的縱向結(jié)構(gòu)關(guān)系及尺寸。下面結(jié)合圖1和圖2進行詳細的闡述首先在P型襯底1上做N阱2，如圖2所示，其深度約為0.95μm，注入濃度為3×1017cm-3。N阱區(qū)2與P襯底區(qū)1形成屏蔽二極管。該二極管反向偏置，使得離探測器表面較遠的擴散載流子不會進入工作二極管，避免了這些擴散速度較慢的載流子對探測器響應(yīng)速度的影響。
然后通過光刻、腐蝕，并填入二氧化硅電解質(zhì)材料后形成淺溝道隔離區(qū)(STI)3。
第一P+區(qū)4與第二P+區(qū)5是與PMOS晶體管的源/漏區(qū)同時制備。其中第一P+區(qū)4制作在N阱區(qū)2內(nèi)，并與N阱區(qū)2形成工作光電二極管。探測器在光照下產(chǎn)生的光生載流子進入耗盡區(qū)后在電場作用下會形成光生電流。本發(fā)明中，光電二極管中陽極第一P+區(qū)4設(shè)計為陣列結(jié)構(gòu)，這種拓撲結(jié)構(gòu)在反向偏壓下形成較大PN結(jié)耗盡區(qū)，如圖2中耗盡區(qū)22，從而有利于光生載流子的收集，尤其是在器件表面附近的載流子。
第二P+區(qū)5制作在P襯底區(qū)1上，用來形成P襯底區(qū)1與電極9之間的歐姆接觸。P襯底區(qū)1與第二P+區(qū)5是屏蔽二極管的陽極，為保證此屏蔽二極管反向偏置，應(yīng)將電極9接在整個芯片的最低電位。
N+區(qū)6與PMOS晶體管的源/漏區(qū)同時制備。N+區(qū)6制作在N阱區(qū)2內(nèi)，用來形成N阱區(qū)2與電極8之間的歐姆接觸。
在統(tǒng)一工藝步驟下，制作與第一P+區(qū)4相連的金屬電極7；與N+區(qū)6相連的金屬電極8；與第二P+區(qū)5相連的金屬電極9。其中，金屬電極7以螺旋方式逐個連接第一P+區(qū)4陣列陽極中每一個單元塊，最終金屬電極7形成如圖1所示的螺旋電感結(jié)構(gòu)。金屬電極7連接的是探測器的陽極，在單片集成中，金屬電極7直接和CMOS接收機電路的輸入端相連。與N+區(qū)6相連的金屬電極8為探測器的陰極，在單片集成中，金屬電極8應(yīng)接到芯片的最高電位，或接到可調(diào)節(jié)的高電位。
探測器的暗電流噪聲主要來自于不規(guī)則運動的熱載流子，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)中，利用了集成電路中用于器件隔離的淺溝道隔離(STI)將這些熱載流子隔離在探測器之外。圖1、圖2中環(huán)形STI區(qū)3設(shè)計在工作二極管的四周，這種結(jié)構(gòu)顯著改善了探測器暗電流噪聲特性，提高了探測器的靈敏度。本發(fā)明中引入了淺溝道隔離(STI)結(jié)構(gòu)，光生載流子無法穿過STI區(qū)3，只能在縱向電場的作用下先向下運動，到達STI區(qū)3同一深度后才能在橫向電場的作用下向電極運動。STI區(qū)3屏蔽了橫向擴散成分，形成縱向探測器結(jié)構(gòu)，增加吸收深度，從而有效的提高了響應(yīng)度。
在橫向結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明將傳統(tǒng)的整體形陽極注入或插指形陽極注入?yún)^(qū)結(jié)構(gòu)擴展為陣列形陽極結(jié)構(gòu)，這樣有利于在二維上形成范圍較大耗盡區(qū)，也就是增大了對光子有效的吸收空間，從而提高探測器的響應(yīng)度。
此外，本發(fā)明采用了電感補償探測器的新結(jié)構(gòu)。此探測器中，將陽極引出的金屬線設(shè)計為螺旋形，相當(dāng)于在探測器的輸出端串聯(lián)了一個平面螺旋電感，此電感可有效補償探測器結(jié)電容對探測器速度帶來的不利影響。
實施例本發(fā)明設(shè)計的光電探測器所用生產(chǎn)工藝全部都是深亞微米CMOS工藝提供的，沒有任何對工藝的特殊要求。下面結(jié)合實施例和附圖進一步闡述本發(fā)明1.在P襯底1上制作面積為70μm×70μm的N阱2；與PMOS晶體管的N阱同時制備。深度約為0.95μm，注入濃度約為1×1017cm-3。
2.在N阱區(qū)2內(nèi)制作環(huán)形淺溝道隔離區(qū)3。深度約為0.8μm，環(huán)寬度為1μm環(huán)外邊緣距離N阱區(qū)2邊緣3.5μm。
3.在N阱區(qū)2內(nèi)制作陣列形第一P+區(qū)4。參雜濃度約為1×1020cm-3。陣列規(guī)模為7×7，陣列中每個單元的面積為6μm×6μm，單元之間間隔3μm。陽極陣列第一P+區(qū)4總共占面積60μm×60μm。第一P+區(qū)4外側(cè)邊緣與淺溝道隔離區(qū)3內(nèi)側(cè)邊緣距離0.5μm。第一P+區(qū)4是與PMOS晶體管的源/漏極同時制備。
4.在N阱區(qū)2外的P襯底1上制作環(huán)形第二P+區(qū)5。參雜濃度約為1×1020cm-3。環(huán)形第二P+區(qū)5寬度2μm，環(huán)形第二P+區(qū)5內(nèi)側(cè)邊緣與N阱區(qū)2外側(cè)邊緣距離1μm。第二P+區(qū)5是與PMOS晶體管的源/漏極同時制備。
5.在N阱區(qū)2內(nèi)制作環(huán)形N+區(qū)6。參雜濃度約為1×1020cm-3。環(huán)形N+區(qū)6寬度為2μm，環(huán)形N+區(qū)6外側(cè)邊緣與N阱區(qū)2內(nèi)側(cè)邊緣距離1μm。N+區(qū)6是與NMOS晶體管的源/漏極同時制備。
6.刻蝕接觸孔，淀積金屬。并按照圖1所示拓撲結(jié)構(gòu)將金屬刻蝕成所要求的形狀。金屬電極7刻蝕成平面螺旋形狀。金屬線寬度2μm。
權(quán)利要求
1.一種深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器，其特征在于，其結(jié)構(gòu)包括一P襯底；一正方形N阱區(qū)，該N阱區(qū)制作在P襯底上；一環(huán)形淺溝道隔離區(qū)，該環(huán)形淺溝道隔離區(qū)制作在N阱區(qū)中，且被環(huán)形N+區(qū)環(huán)繞；一陣列形第一P+區(qū)，該陣列形第一P+區(qū)制作在N阱區(qū)中，且被環(huán)形淺溝道隔離區(qū)環(huán)繞，構(gòu)成探測器陣列陽極；一環(huán)形N+區(qū)，該N+區(qū)制作在N阱區(qū)中，且將淺溝道隔離區(qū)環(huán)繞；一環(huán)形第二P+區(qū)，該環(huán)形第二P+區(qū)制作在P襯底上，且將正方形的N阱區(qū)環(huán)繞；一平面螺旋形金屬電極，該金屬電極將陣列形第一P+區(qū)中各個單元塊逐個相連；一環(huán)形金屬電極，該金屬電極連接在N+區(qū)上；一環(huán)形金屬電極，該金屬電極連接在第二P+區(qū)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器，其特征在于，其中探測器陣列陽極采用陣列形第一P+區(qū)的結(jié)構(gòu)，陣列規(guī)模是5×5、7×7、9×9，或根據(jù)探測器的尺寸進行設(shè)計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器，其特征在于，其中探測器陣列陽極引出的平面螺旋形金屬電極構(gòu)成補償電感。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器，其特征在于，其中探測器是單路使用，或是并行陣列使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器，其特征在于，其中探測器吸收波長在650nm-850nm范圍，可用于多模光纖短距離傳輸。
6.一種深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器的制作方法，其特征在于，其中包括如下步驟步驟1取一個P半導(dǎo)體襯底；步驟2在P半導(dǎo)體襯底上制作一個N阱；步驟3在N阱上制作一個淺溝道隔離區(qū)；步驟4在N阱上制作一個陣列形第一P+區(qū)，這種陣列結(jié)構(gòu)有利于在反向偏壓下形成較大的耗盡區(qū)，提高對光生載流子的作用能力；步驟5在P半導(dǎo)體襯底上制作一個環(huán)形第二P+區(qū)，該環(huán)形第二P+區(qū)將N阱環(huán)繞；步驟6在N阱內(nèi)制作一個環(huán)形N+區(qū)，該環(huán)形N+區(qū)將淺溝道隔離區(qū)環(huán)繞；步驟7在第一P+區(qū)、第二P+區(qū)、N+區(qū)上制作接觸孔，并淀積金屬；步驟8刻蝕金屬，將與第一P+區(qū)連接的金屬刻蝕成平面螺旋形電極，這種平面螺旋結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在探測器陽極串聯(lián)一個電感，此電感可補償探測器結(jié)電容對探測器響應(yīng)速度帶來的不利影響；陣列形第一P+區(qū)與N阱構(gòu)成探測器工作二級管；由N阱與P襯底構(gòu)成屏蔽二級管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器的制作方法，其特征在于，其中探測器陣列陽極采用陣列形第一P+區(qū)的結(jié)構(gòu)，陣列規(guī)模是5×5、7×7、9×9，或根據(jù)探測器的尺寸進行設(shè)計。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器的制作方法，其特征在于，其中探測器陣列陽極引出的平面螺旋形金屬電極構(gòu)成補償電感。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器的制作方法，其特征在于，其中探測器是單路使用，或是并行陣列使用。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8或9所述的深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器的制作方法，其特征在于，其中探測器吸收波長在650nm-850nm范圍，可用于多模光纖短距離傳輸。
全文摘要
一種深亞微米CMOS工藝電感補償型光電探測器，包括一P襯底；一正方形N阱區(qū)制作在P襯底上；一環(huán)形淺溝道隔離區(qū)制作在N阱區(qū)中，且被環(huán)形N+區(qū)環(huán)繞；一陣列形第一P+區(qū)制作在N阱區(qū)中，且被環(huán)形淺溝道隔離區(qū)環(huán)繞，構(gòu)成探測器陣列陽極；一環(huán)形N+區(qū)制作在N阱區(qū)中，且將淺溝道隔離區(qū)環(huán)繞；一環(huán)形第二P+區(qū)制作在P襯底上，且將正方形的N阱區(qū)環(huán)繞；一平面螺旋形金屬電極將陣列形第一P+區(qū)中各個單元塊逐個相連；一環(huán)形金屬電極連接在N+區(qū)上；一環(huán)形金屬電極連接在第二P+區(qū)上。
文檔編號H01L21/822GK1937232SQ20051008648
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月22日
發(fā)明者陳弘達, 高鵬, 顧明, 劉海軍 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所