本發(fā)明涉及光電檢測以及圖像傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)工藝相兼容的單光子雪崩二極管(SPAD)結(jié)構(gòu)，以及利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的氧化、光刻、刻蝕、離子注入、金屬化等工藝實(shí)現(xiàn)的制備方法。

背景技術(shù)：

單光子探測是將單個光子信號加以放大，并通過脈沖甄別和數(shù)字計數(shù)等技術(shù)進(jìn)行識別，從而達(dá)到光電探測的極限靈敏度。單光子探測由于其巨大的科研價值和戰(zhàn)略地位成為國際社會最活躍的研究領(lǐng)域之一，在高分辨率的光譜測量、微弱光成像、高速成像、天文測光以及量子通信等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。設(shè)計高效、可靠的單光子探測器是單光子探測技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。

由于單個光子的能量極低，用常規(guī)的檢測方法很難直接把這種弱信號從噪聲中提取出來。目前，常用的單光子探測器主要有光電倍增管(PMT)、單光子雪崩二極管(SAPD)、真空雪崩光電二極管(VAPD)和超導(dǎo)單光子探測器(SSPD)等。其中，光電倍增管(PMT)需要較高的工作電壓，抗外磁場性能差，且體積笨重，無法進(jìn)行大規(guī)模集成；單光子雪崩二極管(SPAD)，即工作在蓋革模式的雪崩光電二極管(GM-APD)，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊及集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)；真空雪崩光電二極管(VAPD)是由光電倍增管(PMT)和雪崩二極管(APD)結(jié)合而產(chǎn)生的一種單光子探測器件，其對推動單光子檢測及其應(yīng)用起到了積極的作用，但仍存在制作工藝復(fù)雜、價格昂貴和難以集成的問題；而超導(dǎo)單光子探測器(SSPD)由于其對工作環(huán)境要求極其苛刻，需要冷卻至低溫(<4K)才能工作，故至今無法實(shí)際應(yīng)用。綜上所述，單光子雪崩二極管(SPAD)是目前最有應(yīng)用前景的一種單光子探測器。更重要的是，由于其基本結(jié)構(gòu)近似于平面PN結(jié)，可與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，利用CMOS工藝的設(shè)計規(guī)則來研制單光子雪崩二極管，可使探測器向低成本、小型化、高集成度、高探測效率等方向發(fā)展。設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的高性能SPAD已成為了當(dāng)今光電檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

邊緣擊穿問題是影響SPAD性能和壽命的一個重要因素。由于平面形APD的PN結(jié)存在邊緣曲率效應(yīng)，電場在PN結(jié)邊緣曲率半徑較小的區(qū)域匯聚，使得器件的內(nèi)建電場尚未完全建立就提前發(fā)生擊穿。邊緣擊穿會導(dǎo)致PN結(jié)的探測效率下降，甚至不能正常工作。抑制邊緣擊穿效應(yīng)，建立符合設(shè)計意圖的內(nèi)建電場分布是研制SPAD需要解決的首要問題。抑制邊緣擊穿最常用的方法有磨角法和使用保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。前者無法與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，而目前使用的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)主要是通過在感光區(qū)邊緣引入額外的低摻雜阱區(qū)或者淺溝槽隔離(STI)來實(shí)現(xiàn)的。隨著器件尺寸的縮小，使用低摻雜阱區(qū)來實(shí)現(xiàn)的保護(hù)環(huán)可能由于耗盡而出現(xiàn)失效。此外，這兩種保護(hù)環(huán)方式都會引入額外的晶格缺陷，造成器件性能下降，尤其是STI結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的界面缺陷嚴(yán)重制約探測器的性能。

本發(fā)明通過環(huán)形柵結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)邊緣電場，是一種新型的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，在有效抑制邊緣擊穿的同時，克服了傳統(tǒng)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)引入的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免邊緣擊穿現(xiàn)象導(dǎo)致SPAD器件不能正常工作，甚至影響其壽命，本發(fā)明設(shè)計了一種利用柵電極弱化邊緣電場的新型SPAD結(jié)構(gòu)，并提出了基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的制備方法，所述結(jié)構(gòu)對于提升SPAD的探測性能具有重要意義，詳見下文描述：

一種防止邊緣擊穿的環(huán)形柵單光子雪崩二極管，所述環(huán)形柵單光子雪崩二極管與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，包括：

重?fù)诫sN區(qū)與P阱區(qū)共同構(gòu)成N⁺/P-well型感光二極管結(jié)構(gòu)，其中的耗盡區(qū)為雪崩倍增的主要發(fā)生區(qū)；同時，重?fù)诫s的N區(qū)也作為光電探測器的陰極接觸區(qū)；

P阱接觸區(qū)為重?fù)诫s的P型區(qū)域，該區(qū)作為光電探測器的陽極接觸區(qū)；

雪崩區(qū)域的電場由重?fù)诫sN⁺區(qū)指向P-well區(qū)，使得耗盡區(qū)下方生成的電子更容易漂移進(jìn)雪崩區(qū)，提高探測器的靈敏度；

深N阱一方面作為感光二極管的局部襯底，另一方面用來實(shí)現(xiàn)與其它電子器件的相互隔離；

氧化層區(qū)域，包括柵氧和場氧兩部分；多晶硅柵，其為包圍感光二極管的環(huán)形區(qū)域；

N⁺/P-well型感光二極管的耗盡層作為單光子探測的主要感光區(qū)域。

一種防止邊緣擊穿的環(huán)形柵單光子雪崩二極管的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

1)利用氧化、光刻、離子注入、退火等標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底上形成輕摻雜的深N阱，以實(shí)現(xiàn)與其它電子器件的電學(xué)隔離，避免其相互影響；

2)在上述深N阱區(qū)內(nèi)制備一個中等摻雜的P型阱區(qū)，然后重新生成二氧化硅薄層；

3)制作環(huán)形多晶硅柵；

4)在P型阱區(qū)內(nèi)制備N型重?fù)诫s的接觸區(qū)，形成N⁺/P-well型光電二極管，所述N型重?fù)诫s區(qū)作為N⁺/P-well型光電二極管的陰極；

5)在P型阱區(qū)內(nèi)制備P型重?fù)诫s的P阱接觸區(qū)，所述P阱接觸區(qū)作為N⁺/P-well型光電二極管的陽極；

6)制作接觸孔；

7)利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備其它高層互連金屬，用于將SPAD的電信號引出至接觸焊盤；

8)在芯片上表面順序淀積氧化硅/氮化硅鈍化層，防止芯片劃傷和外界環(huán)境影響。

其中，所述制作環(huán)形多晶硅柵的步驟具體為：

在新生長的柵氧層上用化學(xué)氣相淀積法淀積一層多晶硅，然后用干法刻蝕技術(shù)制備出多晶硅柵的圖形。

其中，所述制作接觸孔的步驟具體為：

光刻出陰極、陽極和柵極的接觸通孔，并淀積一層金屬膜，之后光刻出電極圖形；

其中，器件中央的重?fù)诫sP型區(qū)表面的光照窗口為金屬開放區(qū)，以增加透光量。

與其它結(jié)構(gòu)的單光子探測器相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容，無需引入額外的工藝步驟；

2、形成保護(hù)環(huán)不需要進(jìn)行離子注入，最大限度地降低晶格缺陷，提高了器件性能；

3、柵極電壓可調(diào)，使SPAD器件能適應(yīng)于不同的過偏壓；

4、使用N⁺/P-well結(jié)作為感光結(jié)，有利于光生載流子觸發(fā)雪崩，提高器件的探測效率；

5、深N阱可用來實(shí)現(xiàn)SPAD與其它電學(xué)器件的隔離，降低大規(guī)模集成時的串?dāng)_。

附圖說明

圖1單光子雪崩二極管的剖面圖；

圖2單光子雪崩二極管的頂視圖；

圖3為PN結(jié)邊緣處的縱向電場曲線。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本發(fā)明實(shí)施例提出一種能夠有效抑制邊緣擊穿，且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的單光子雪崩二極管探測器結(jié)構(gòu)。該探測器由深N阱中的N⁺/P-well結(jié)構(gòu)建的感光二極管和環(huán)型柵電極組成。器件工作時，加上環(huán)形柵上的電壓使感光區(qū)域邊緣的電場減小，進(jìn)而抑制邊緣擊穿。此外，本發(fā)明實(shí)施例所提出的器件結(jié)構(gòu)還可以靈活地調(diào)節(jié)柵極電壓，使SPAD適應(yīng)不同的過偏壓。

本發(fā)明實(shí)施例所述的單光子雪崩二極管探測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。探測器由N⁺/P-well構(gòu)成感光區(qū)域，并通過控制N⁺/P-well型感光二極管周圍的環(huán)狀柵極的電壓來削弱邊緣電場，進(jìn)而抑制邊緣擊穿，提高器件的探測性能和可靠性。

此外，由于雪崩區(qū)域的電場由重?fù)诫s的N⁺區(qū)指向P-well區(qū)，這使得耗盡區(qū)下方的生成的電子更容易漂移進(jìn)雪崩區(qū)，提高探測器的靈敏度。而深N阱為SPAD與其它電學(xué)器件提供隔離，避免相互影響。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計的利用柵電極弱化邊緣電場的新型SPAD結(jié)構(gòu)，避免了邊緣擊穿現(xiàn)象導(dǎo)致SPAD器件不能正常工作，甚至影響壽命的缺陷。

實(shí)施例2

為了便于描述，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳述。圖1和圖2分別是探測器的剖面和頂視圖，為了便于說明，圖2中未畫出氧化層8和金屬電極10、11、12和13。

圖示中1為襯底。襯底材料為P型輕摻雜的硅晶圓，作為所設(shè)計的單光子雪崩二極管的支撐部分。圖示中2為深N阱，深N阱一方面作為感光二極管的局部襯底，另一方面也用來實(shí)現(xiàn)探測器和其它電子器件的相互隔離。圖示中3為P阱區(qū)域，P阱采用中等摻雜濃度。圖示中4為重?fù)诫sN區(qū)，該區(qū)域與上述P阱區(qū)共同構(gòu)成N⁺/P-well型感光二極管結(jié)構(gòu)，其中的耗盡區(qū)為雪崩倍增的主要發(fā)生區(qū)。同時，重?fù)诫s的N區(qū)也作為光電探測器的陰極接觸區(qū)。

其中，圖示中5為P阱接觸區(qū)，為重?fù)诫s的P型區(qū)域，該區(qū)作為光電探測器的陽極接觸區(qū)。圖示中6為深N阱接觸區(qū)，為重?fù)诫s的N型區(qū)域。圖示中7為襯底接觸區(qū)，為重?fù)诫s的P型區(qū)域。圖示8為氧化層區(qū)域，包括柵氧和場氧兩部分。圖示9為多晶硅柵，其為包圍感光二極管的環(huán)形區(qū)域。器件工作時，通過調(diào)整多晶硅柵的電壓來削弱感光區(qū)域邊緣的電場，抑制邊緣擊穿。

圖示中10、11、12和13分別為N⁺區(qū)、p阱、深N阱和p型襯底的金屬電極。N⁺/P-well型感光二極管的耗盡層作為單光子探測的主要感光區(qū)域，其探測倍增過程為：

1)SPAD吸收入射光子，產(chǎn)生初始電子-空穴對；

2)初始電子-空穴對在反偏電壓作用下觸發(fā)雪崩，產(chǎn)生很大的光電流。其中，半導(dǎo)體材料對入射光子的吸收隨穿透深度呈指數(shù)型衰減，入射光強(qiáng)的變化可近似表示為

I_ν(x)＝I_ν0e^-αx (1)

其中，I_v0為探測器表面的光強(qiáng)，α為吸收系數(shù)，x為距離表面的距離，I_v(x)為距離表面x處的光強(qiáng)。實(shí)際上，并不是每個入射光子都能產(chǎn)生電子-空穴對。在理想情況下，距離表面x處的光生載流子產(chǎn)生率G(x)可表示為

G(x)＝(P/hν)αe^-αx (2)

其中，P是入射光功率，hν表示光子能量，P/hv是入射光子數(shù)目。

需要說明的是，即使發(fā)生了光吸收，被激發(fā)的光生載流子也不一定能觸發(fā)雪崩倍增，因為在光電二極管的表面及耗盡層內(nèi)部可能發(fā)生載流子的復(fù)合。因此，只有在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子以及少量從耗盡層邊緣擴(kuò)散進(jìn)耗盡層的載流子才能夠觸發(fā)雪崩。通常，耗盡層寬的SPAD具有更高的探測效率。

耗盡層寬度L主要受PN結(jié)兩側(cè)摻雜濃度的影響，即

其中，x_n和x_p分別為N區(qū)和P區(qū)一側(cè)的耗盡層寬度，ε為介電常數(shù)，q為電子電量，V_B為PN結(jié)的內(nèi)建電勢差，N_a和N_d分別為受主雜質(zhì)和施主雜質(zhì)濃度。

若PN結(jié)兩側(cè)的濃度差較大，如實(shí)施例中的n⁺/p-well結(jié)，則上式可簡化為

即耗盡層寬度主要由輕摻雜區(qū)決定，并向輕摻雜區(qū)擴(kuò)展。因此，本實(shí)施例中的P阱區(qū)內(nèi)的耗盡層寬度較大，增大了吸收區(qū)深度。此外，由于電場方向由重?fù)诫s的N⁺區(qū)指向中等摻雜的P-well區(qū)，在耗盡層下吸收的光生載流子在電場作用下漂移至高場強(qiáng)的雪崩區(qū)，觸發(fā)雪崩擊穿。與傳統(tǒng)的P⁺/N-well型感光二極管相比，本發(fā)明實(shí)施例所提出的探測器結(jié)構(gòu)對長波長的光具有更高的探測效率。

器件正常工作時，陽極電壓固定，柵電極相對陽極施加一正電壓，陰極電壓高于陽極電壓，使N⁺/P-well型感光二極管反向偏置在雪崩擊穿電壓之上，工作于蓋革模式。此時，器件處于等待接收光子信號狀態(tài)，對應(yīng)的耗盡層寬度

式中，V_R為外加反偏電壓。

當(dāng)光子到達(dá)時被硅材料吸收，并產(chǎn)生電子-空穴對，這些光生載流子在高場強(qiáng)下可能發(fā)生雪崩倍增。當(dāng)p阱電極11接地，N⁺區(qū)電極10施加20V正向偏壓，柵電極9電壓為零，則SPAD沿AA＇的電場分布如圖3中的實(shí)線所示，在N⁺區(qū)的上表面附近出現(xiàn)高電場，可能導(dǎo)致邊緣擊穿現(xiàn)象；若柵極相對陽極施加一正向電壓，在本實(shí)施例中柵極電壓為6V時，由于柵電壓產(chǎn)生的電場，導(dǎo)致柵下P型區(qū)域中載流子重新分布，削弱了表面邊緣處的電場強(qiáng)度，結(jié)果如圖3中的虛線所示，表面附近的高電場向器件內(nèi)部推移，使光生載流子在耗盡區(qū)中央發(fā)生雪崩倍增，電場強(qiáng)度可達(dá)700KV/cm。入射光子在耗盡區(qū)附近被吸收后，光生載流子漂移至雪崩區(qū)產(chǎn)生雪崩倍增，進(jìn)而輸出很大的雪崩光電流，通過檢測電路檢測到弱光信號。隨后由專用的淬滅-復(fù)位電路進(jìn)行淬滅和復(fù)位，等待接收下一個光子信號。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計的利用柵電極弱化邊緣電場的新型SPAD結(jié)構(gòu)，避免了邊緣擊穿現(xiàn)象導(dǎo)致SPAD器件不能正常工作，甚至影響壽命的缺陷。

實(shí)施例3

本發(fā)明實(shí)施例還提供用于制造所述光電探測器的方法，其主要工藝步驟包括：

1)利用氧化、光刻、離子注入、退火等標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底1上形成輕摻雜的深N阱2，以實(shí)現(xiàn)與其它電子器件的電學(xué)隔離，避免其相互影響；

2)在上述深N阱區(qū)內(nèi)制備一個中等摻雜的P型阱區(qū)3，然后重新生成二氧化硅薄層；

3)制作環(huán)形多晶硅柵9。首先在新生長的柵氧層上用化學(xué)氣相淀積法(CVD)淀積一層多晶硅，然后用干法刻蝕技術(shù)制備出多晶硅柵9的圖形；

4)在P型阱區(qū)3內(nèi)制備N型重?fù)诫s的接觸區(qū)4，形成N⁺/P-well型光電二極管，所述N型重?fù)诫s區(qū)4作為N⁺/P-well型光電二極管的陰極；

5)在P型阱區(qū)3內(nèi)制備P型重?fù)诫s的P阱接觸區(qū)，所述P阱接觸區(qū)作為N⁺/P-well型光電二極管的陽極；

6)制作接觸孔。光刻出陰極、陽極和柵極的接觸通孔，并淀積一層金屬膜，之后光刻出電極圖形。其中，器件中央的重?fù)诫sP型區(qū)表面的光照窗口為金屬開放區(qū)(除必要的金屬電極外，不加其它金屬層)，以增加透光量；

7)金屬互連。利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備其它高層互連金屬，用于將SPAD的電信號引出至接觸焊盤；

8)在芯片上表面順序淀積氧化硅/氮化硅鈍化層，防止芯片劃傷和外界環(huán)境影響。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計的利用柵電極弱化邊緣電場的新型SPAD結(jié)構(gòu)，避免了邊緣擊穿現(xiàn)象導(dǎo)致SPAD器件不能正常工作，甚至影響壽命的缺陷。

實(shí)施例4

下面結(jié)合圖片和實(shí)例對所述光電探測器的制備方法進(jìn)行詳細(xì)敘述：

1)利用氧化、光刻、離子注入、退火等標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底1上形成深N阱區(qū)域2，以實(shí)現(xiàn)與其他電子器件的電學(xué)隔離，避免其相互影響。其中，摻雜濃度約為10¹⁶cm^-3，結(jié)深1.5μm，面積為14×14μm²。

2)在深N阱區(qū)域2里制作P阱。首先，在表面生成二氧化硅墊層和氮化硅薄膜，然后在二氧化硅和氮化硅薄層上光刻，并刻蝕出面積11×11μm²的P阱窗口，進(jìn)行P阱雜質(zhì)注入(如硼離子注入)，所述P阱的摻雜濃度為5×10¹⁶cm^-3，然后高溫退火，重新生成二氧化硅層。

3)確定重?fù)诫sP型區(qū)域及重?fù)诫sN型區(qū)域4的位置，完成場氧生長，然后重新生長一層高質(zhì)量的二氧化硅柵氧層。

4)制作環(huán)形多晶硅柵9。首先，在新生長的柵氧層上用化學(xué)氣相淀積法(CVD)淀積0.3μm的多晶硅，然后用干法刻蝕技術(shù)制備出環(huán)形多晶硅柵9的圖形。

5)利用光刻和離子注入技術(shù)在p型阱區(qū)內(nèi)制備出面積為7×7μm²、摻雜濃度～10¹⁹cm^-3的N型重?fù)诫s區(qū)，和之前形成的p阱區(qū)構(gòu)成N⁺/P-well型光電二極管。所述N型重?fù)诫s區(qū)作為N⁺/P-well型光電二極管的陰極。在此步工藝中，同時形成重?fù)诫s的深N阱接觸區(qū)(摻雜濃度～10¹⁹cm^-3，面積0.5×0.5μm²)。

6)在P阱區(qū)內(nèi)制備P型重?fù)诫s的P阱接觸區(qū)(摻雜濃度～～10¹⁹cm^-3，面積0.5×0.5μm²)，所述P阱接觸區(qū)作為N⁺/P-well型光電二極管的陽極。在此步工藝中，同時形成重?fù)诫s的P型襯底接觸區(qū)(摻雜濃度～10¹⁹cm^-3，面積0.5×0.5μm²)。

7)制作接觸孔。光刻出陰極、陽極和柵極的接觸通孔，并淀積一層鋁膜，之后光刻出電極圖形。其中，多晶硅柵表面的光照窗口為金屬開放區(qū)(除必要的電極金屬外，不加其它金屬層)，增加透光量。

8)金屬互連。利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備其它高層互連金屬，用于將SPAD的電信號引出至接觸焊盤。

9)在芯片上表面順序淀積氧化硅/氮化硅鈍化層，防止芯片劃傷和外界環(huán)境影響。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。