CN113690336B - 单光子雪崩二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单光子雪崩二极管及其制作方法。所述单光子雪崩二极管包括由第一掺杂类型的衬底与在所述衬底中形成的第二掺杂类型阱区构成的pn结，所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄。由于第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄，反向击穿容易在第二掺杂类型阱区的下方发生，可降低击穿发生在第二掺杂类型阱区边角处的风险，确保单光子雪崩二极管击穿性能的稳定性，有助于节约工艺成本，且优化了单光子雪崩二极管的结构。所述制作方法可用于制作上述单光子雪崩二极管。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及单光子雪崩二极管以及单光子雪崩二极管的制作方法。
背景技术
单光子雪崩二极管，简称SPAD(Single Photon Avalanche Diode)，是一种基于反向偏置电压超过pn结的击穿电压来实现光电探测的固态光电探测器。在单光子雪崩二极管中，pn结在高于击穿电压的电压下被反向偏置，在内部光电效应(当一种材料被光子撞击时，电子或另一种载流子的发射)的作用下，产生雪崩电流。利用单光子雪崩二极管可以检测到非常低的信号强度，例如低至单光子水平。基于单光子雪崩二极管的单光子探测器可用于高度敏感的光子捕获环境，例如在荧光寿命成像、3D成像等领域均有着广泛的应用。
图1示出了现有的一种单光子雪崩二极管的pn结示意图。如图1所示，现有的一种单光子雪崩二极管中，在具有p型掺杂的衬底10(p Sub)中形成有n阱(NW)，n阱具有近似矩形的纵截面(指平行于衬底厚度方向的截面)，n阱和周围的p型衬底区域形成了单光子雪崩二极管的pn结，但是，这种pn结在反向偏置时，容易在n阱的边角处发生侧向击穿(如图1中虚线圈的位置)，使得雪崩二极管击穿性能不稳定。
发明内容
为了优化单光子雪崩二极管的结构，节约工艺成本，同时确保单光子雪崩二极管击穿性能的稳定性，本发明提供一种单光子雪崩二极管。另外提供一种单光子雪崩二极管的制作方法。
一方面，本发明提供一种单光子雪崩二极管，包括由第一掺杂类型的衬底与在所述衬底中形成的第二掺杂类型阱区构成的pn结，所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄。
可选的，所述第二掺杂类型阱区的注入面位于所述衬底的上表面，所述第二掺杂类型阱区还具有邻接第一掺杂类型衬底区域的体表面，所述体表面包括与所述注入面相对的底表面以及连接所述注入面和所述底表面的侧表面，所述侧表面和所述底表面的夹角为钝角。
可选的，所述侧表面与所述底表面的夹角为150°～170°。
可选的，所述第二掺杂类型阱区的注入面宽度为5μm～7μm，底表面深度为0.3μm～0.5μm。
可选的，所述第二掺杂类型阱区的纵截面形状为倒梯形或弓形。
可选的，所述第一掺杂类型为p型，所述第二掺杂类型为n型。
一方面，本发明提供一种单光子雪崩二极管的制作方法，包括以下步骤：
提供具有第一掺杂类型的衬底；
在所述衬底上形成图形化的掩膜层，所述掩膜层中形成有上宽下窄的贯穿孔；
利用所述掩膜层保护所述衬底，进行第二掺杂类型的离子注入，以在所述衬底中形成第二掺杂类型阱区，其中，掺杂物离子穿过所述贯穿孔并到达所述衬底内的不同深度，使得所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄；
去除所述掩膜层。
可选的，所述贯穿孔的侧壁与所述衬底的上表面的夹角为10°～30°。
可选的，在所述衬底上形成所述图形化的掩膜层的方法包括：
在所述衬底表面形成一氧化层；
利用氩等离子体处理所述氧化层表面，以调节所述氧化层的湿法蚀刻特性，使蚀刻速率随着在所述氧化层中的深度增加而降低；
在所述氧化层上形成图形化的光刻胶层；
利用所述光刻胶层的保护，对所述氧化层进行湿法蚀刻，直至形成所述贯穿孔，其中随着蚀刻深度增大，在所述氧化层上表面形成的开口越大；
去除所述光刻胶层，以具有所述贯穿孔的所述氧化层作为所述掩膜层。
可选的，在所述衬底上形成所述图形化的掩膜层的方法包括：
在所述衬底表面形成一氧化层，并在所述氧化层上形成图形化的光刻胶层；
利用所述光刻胶层的保护，对所述氧化层进行具有各向同性刻蚀特性的干法蚀刻，以在所述氧化层中形成上宽下窄的贯穿孔；
去除所述光刻胶层，以具有所述贯穿孔的所述氧化层作为所述掩膜层。
本发明提供的单光子雪崩二极管包括由第一掺杂类型的衬底与在所述衬底中形成的第二掺杂类型阱区构成的pn结，所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄。由于第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄，反向击穿容易在第二掺杂类型阱区的下方发生，可降低击穿发生在第二掺杂类型阱区边角处的风险，确保单光子雪崩二极管击穿性能的稳定性，有助于节约工艺成本，且优化了单光子雪崩二极管的结构。
本发明提供的单光子雪崩二极管制作方法中，在第二掺杂类型的离子注入采用的掩膜层中，形成的是上宽下窄的贯穿孔，掺杂物离子穿过所述贯穿孔并到达所述衬底内，使得所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄。第二掺杂类型阱区的设计可降低击穿发生在第二掺杂类型阱区边角处的风险，确保单光子雪崩二极管击穿性能的稳定性，有助于简化工艺，节约工艺成本。
附图说明
图1是一种单光子雪崩二极管的pn结示意图。
图2是本发明一实施例的单光子雪崩二极管的pn结示意图。
图3是本发明另一实施例的单光子雪崩二极管的pn结示意图。
图4是本发明一实施例的单光子雪崩二极管的制作方法的流程图。
图5A至图5F是利用本发明一实施例的单光子雪崩二极管的制作方法在制作过程中的剖面示意图。
附图标记说明：
10-衬底；101-n型区边界；102-p型区边界；20-氧化层；21-贯穿孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的单光子雪崩二极管及其制作方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。应当理解，说明书的附图均采用了非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，下文中的术语“第一”、“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够不同于本文所述的或所示的其它顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是执行这些步骤的唯一顺序，一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其它步骤可被添加到该方法。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的结构被倒置或者以其它不同方式定位(如旋转)，示例性术语“在……上”也可以包括“在……下”和其它方位关系。附图中，除非特别说明，原则上相同的元件(或结构)采用相同的标号。
现有技术采用在p型衬底形成n阱来构造单光子雪崩二极管的pn结，n阱通常具有近似矩形的纵截面，然而，该pn结在反向偏置达到击穿电压以上时，容易在矩形的两个下边角处被侧向击穿，不符合单光子雪崩二极管的设计要求，也影响单光子雪崩二极管击穿性能的稳定性。
为了优化单光子雪崩二极管的结构，节约工艺成本，同时确保单光子雪崩二极管击穿性能的稳定性，本发明提供一种单光子雪崩二极管，其包括由第一掺杂类型的衬底与在所述衬底中形成的第二掺杂类型阱区构成的pn结，所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄。所述第一掺杂类型和第二掺杂类型中的一个为p型，另一个为n型。以下的描述中，主要以在p型掺杂的衬底制作n阱来构造二极管为例进行说明，其中第一掺杂类型为p型，第二掺杂类型为n型。本领域技术人员可以理解，相关的说明同样适用于在n型掺杂的衬底制作p阱来构造二极管的情况。
图2是本发明一实施例的单光子雪崩二极管的剖面结构示意图。参照图2，本实施例中，单光子雪崩二极管100包括衬底10，衬底10的材料可以是硅、锗、硅锗、碳化硅、氧化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟或锑化铟等，也可以是绝缘体上覆硅(SOI)或者绝缘体上覆锗(GOI)，或者还可以为其它的材料，例如GaAs、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP或GaInAsP等，或者还可以是上述材料的组合。衬底10可以包括掺杂的外延层、梯度半导体层和位于不同类型的其它半导体层上面的半导体层(例如锗硅层上的硅层)。衬底10中可以设置有有源区以及用于隔离有源区的隔离区(未示出)，还可以根据设计需求注入一定的掺杂离子以改变电学参数。
作为示例，本实施例中，衬底10例如为p型掺杂的硅衬底，即其有源区为p型掺杂(例如掺杂有硼B或二氟化硼BF2)，第二掺杂类型阱区即n阱(NW)在硅衬底中形成(例如掺杂有磷P)。在另外的一些实施例中，衬底10包括p型重掺杂的硅基底层(p+Sub)和p型轻掺杂的外延层(p Epi)，第二掺杂类型阱区即n阱则可在外延层中形成。
参照图2，由于掺杂类型相反，p型掺杂的衬底区域和n阱构成了单光子雪崩二极管的pn结。并且，不同于现有技术，本实施例中，n阱的宽度随着深度增大逐渐收窄。此处n阱的“宽度”指在平行于衬底上表面的横截面内，n阱的径向尺寸。由于宽度随着深度增大逐渐收窄，即n阱的底部相对于注入面的横截面范围缩小，这样可以使n阱的边角向中心收拢，使击穿更容易发生在n阱正下方，提高性能稳定性。
如图2所示，本实施例中，n阱的注入面位于衬底10的上表面，所述注入面即利用离子注入形成n阱时衬底10上表面内的注入区域。在衬底10内，n阱还具有邻接p型衬底区域的体表面，所述体表面包括与所述注入面相对的底表面(如图2中倒梯形NW的下边所示)以及连接所述注入面和所述底表面的侧表面(如图2中倒梯形NW的侧边所示)，所述侧表面和所述底表面的夹角为钝角。相对于所述侧表面，底表面的深度低，宽度窄。
图2另外示出了该二极管在反向偏置下形成的耗尽区的n型区边界101和p型区边界102。可以看出，该耗尽区虽然在n阱侧表面处的宽度(A2)与在n阱底表面处的宽度(A1)较为接近(即A2≈A1)，但由于底表面较深较窄，即n阱具有在底表面处的一“凸角”，耗尽区的p型区边界102在底表面处的曲率半径小于在侧表面处的曲率半径，因而底表面处的击穿电压较小，在反向偏置时，耗尽区更容易从底表面处被击穿，也即击穿更容易发生在n阱下方，这样有助于提高单光子雪崩二极管的性能稳定性。上述n阱的侧表面与底表面的夹角例如成130°～175°的夹角(该夹角为二面角，与图2中所示的角α互补)，更具体的n阱的侧表面与底表面的夹角为150°～170°，较大的钝角有助于进一步降低在n阱侧面及边角处发生击穿的风险。作为示例，图2中n阱的注入面宽度为5μm～7μm，底表面深度为0.3μm～0.5μm。需要说明的是，图2所示的耗尽区的n型区边界101和p型区边界102的形状仅是示意，具体器件中耗尽区的边界形状可能有所不同，不能构成对本发明技术方案的限制。
本发明实施例中，衬底10中设置的所述第二掺杂类型阱区的纵截面形状可以是倒梯形或弓形，图2中n阱为倒梯形。在另一实施例中，如图3所示，单光子雪崩二极管的pn结由p型掺杂的衬底10和在衬底10中形成的n阱构成，其中n阱的纵截面形状为弓形，更具体的例如是平底弓形(碗形)。需要说明的是，附图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括根据制造工艺特点而得到的形状，比如制造引起的偏差，例如图2和图3中n阱的下表面和侧表面之间的连接处可具有弯曲或者圆润的特点，但在附图中以尖角表示，这不应该被认为能够限制本发明的范围。
本发明提供的单光子雪崩二极管，包括由第一掺杂类型的衬底与在所述衬底中形成的第二掺杂类型阱区构成的pn结，所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄。由于第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄，反向击穿容易在第二掺杂类型阱区的下方发生，第二掺杂类型阱区的这一形状变化可降低在n阱边角处发生侧向击穿的风险，因而便于确保单光子雪崩二极管击穿性能的稳定性，可以简化工艺，节约工艺成本，且优化了单光子雪崩二极管的结构。
为了获得如上述实施例描述的单光子雪崩二极管，本发明实施例还对能够获得上述单光子雪崩二极管的制作方法进行说明。
图4是本发明一实施例的单光子雪崩二极管的制作方法的流程图。参照图4，一实施例的单光子雪崩二极管的制作方法包括以下步骤：
S1：提供具有第一掺杂类型的衬底；
S2：在所述衬底上形成图形化的掩膜层，所述掩膜层中形成有上宽下窄的贯穿孔；
S3：利用所述掩膜层保护所述衬底，进行第二掺杂类型的离子注入，以在所述衬底中形成第二掺杂类型阱区，其中，掺杂物离子穿过所述贯穿孔并到达所述衬底内，使得所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄；
S4：去除所述掩膜层。
图5A至图5F是利用本发明一实施例的单光子雪崩二极管的制作方法在制作过程中的剖面示意图。以下以第一掺杂类型为p型、第二掺杂类型为n型为例，结合图5A至图5F对一实施例的单光子雪崩二极管的制作方法作具体的说明。
参照图5A，在步骤S1中，提供p型掺杂的衬底10，衬底10例如为硅衬底。
在步骤S2中，在衬底10上形成上述图形化的掩膜层，其中形成有上宽下窄的贯穿孔，步骤S2具体可包括如下过程：
首先，如图5A所示，在衬底10表面形成一氧化层20，氧化层20的厚度约0.2μm～0.4μm，其沉积方法可以采用化学气相沉积或热氧化等工艺，氧化层20的材质例如为氧化硅；
接着，如图5A所示，利用氩等离子体(Ar plasma)处理氧化层20表面，以在氧化层20表面以下一定深度产生诱生缺陷，目的是调节氧化层20的湿法蚀刻特性，使蚀刻速率随着在氧化层20中的深度增加而降低；
然后，如图5B所示，在氧化层20上形成图形化的光刻胶层(PR)，光刻胶层中的开口对应于衬底10要形成n阱的区域，本实施例中，由于后续湿法刻蚀会产生侧向刻蚀使得氧化层20中形成的开口大于光刻胶层中的开口，因此光刻胶层中的开口较要形成的n阱的注入面的范围缩小；
接着，如图5C所示，利用所述光刻胶层的保护，对氧化层20进行湿法蚀刻，由于氧化层20经过了氩等离子体处理，湿法蚀刻速率从氧化层20表面到氧化层20内部深处呈逐渐降低的趋势，且由于湿法蚀刻具有各向同性的特点，在氧化层20的蚀刻过程中，垂直蚀刻和侧向蚀刻同时进行，并且随着蚀刻深度增大，在所述氧化层上表面形成的开口越大，经过一定蚀刻时间后，氧化层20中能够形成上宽下窄的贯穿孔21；
然后，如图5D所示，去除所述光刻胶层，以具有所述贯穿孔21的氧化层20作为接下来进行n型离子注入的掩膜层。可以理解，氧化层20的掩膜作用与其厚度相关，在进行n型离子注入时，由于贯穿孔21是上宽下窄的形状，进入所述贯穿孔21的离子不仅可以从被露出的衬底10表面注入衬底10内，还可以穿过被露出衬底周围的厚度较小的氧化层而注入衬底10内，而且，氧化层20的厚度越大，离子穿过氧化层20而在衬底10内形成的注入深度越小，从而可使得在衬底10内形成的n阱的宽度随着深度增大逐渐收窄。
可选的，贯穿孔21的侧壁与衬底10上表面的夹角例如为5°～50°，更具体的例如为10°～30°，较小的夹角有助于获得便于离子穿透的较小厚度的氧化层，并且可以优化后续形成的n阱的体表面。图5A至图5D所示的方法仅是形成具有上宽下窄的贯穿孔的掩膜层的一种方法。本发明也可采用其它方法来形成具有上宽下窄的贯穿孔的掩膜层。例如，另外一些实施例中，形成具有上宽下窄的贯穿孔的掩膜层包括如下过程(图未示)：
首先，在衬底表面形成一氧化层，并在所述氧化层上形成图形化的光刻胶层，图形化的光刻胶层中的开口对应于要形成n阱的区域，并且，根据后续干法刻蚀的特点，光刻胶层中的开口大小例如与要形成的n阱的注入面相同；
然后，利用所述光刻胶层的保护，采用具有各向同性刻蚀特性的干法蚀刻对所述氧化层进行刻蚀，以在所述氧化层中形成上宽下窄的贯穿孔，示例的，所述氧化层的材质为氧化硅，干法蚀刻的工艺气体采用四氟化碳(CF4)和氧气(O2)，通过调整氧气在工艺气体中的含量，使得干法刻蚀不仅在所述氧化层的法线方向还在与法线垂直的方向进行，经过一定刻蚀时间后，可在所述氧化层中形成上宽下窄的贯穿孔；
接着，去除所述光刻胶层，以具有所述贯穿孔的所述氧化层作为后续离子注入的掩膜层。该过程中，采用具有各向同性刻蚀特性的干法蚀刻对氧化层20进行刻蚀以形成上宽下窄的贯穿孔，在形成光刻胶层之前，可进行氩等离子体处理，也可以省去。
仍以图5D所示的结构为基础，参照图5E，接着，在步骤S3中，利用所述掩膜层保护衬底10，进行n型离子注入，以在衬底10中形成n阱(NW)，其中，n型掺杂物离子穿过所述贯穿孔21并进入衬底10，并且，由于贯穿孔21具有上宽下窄的形状，使得n型掺杂物离子进入衬底10后的注入深度不是均一的，所形成的n阱的宽度随着深度增大逐渐收窄。
参照图5F，在完成步骤S3的n型离子注入后，可执行步骤S4，去除上述掩膜层，本实施例即将氧化层20去除。
经过上述步骤，在p型掺杂的衬底中形成了n阱，n阱和周围的p型衬底区域可作为单光子雪崩二极管的pn结，其中n阱的宽度随着深度增大逐渐收窄。本发明实施例描述的单光子雪崩二极管的制作方法中，在第二掺杂类型的离子注入采用的掩膜层中，形成了上宽下窄的贯穿孔，掺杂物离子能够穿过所述贯穿孔并到达所述衬底内的不同深度，使得在衬底内形成的第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄。第二掺杂类型阱区的形状变化可降低击穿发生在第二掺杂类型阱区边角处的风险，有助于简化工艺，节约工艺成本。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种单光子雪崩二极管，其特征在于，包括由第一掺杂类型的衬底与在所述衬底中形成的第二掺杂类型阱区构成的pn结，所述第二掺杂类型阱区的注入面位于所述衬底的上表面，沿着所述第二掺杂类型阱区的宽度方向，用于形成所述第二掺杂类型阱区的掺杂物离子在所述衬底中的最大注入深度从0逐渐增加至设定深度，再从所述设定深度逐渐降低至0，以使所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄。
2.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二掺杂类型阱区还具有邻接第一掺杂类型衬底区域的体表面，所述体表面包括与所述注入面相对的底表面以及连接所述注入面和所述底表面的侧表面，所述侧表面和所述底表面的夹角为钝角。
3.如权利要求2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述侧表面与所述底表面的夹角为150°～170°。
4.如权利要求2所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二掺杂类型阱区的注入面宽度为5μm～7μm，底表面深度为0.3μm～0.5μm。
5.如权利要求1所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第二掺杂类型阱区的纵截面形状为倒梯形或弓形。
6.如权利要求1至5任一项所述的单光子雪崩二极管，其特征在于，所述第一掺杂类型为p型，所述第二掺杂类型为n型。
7.一种单光子雪崩二极管的制作方法，其特征在于，包括：
提供具有第一掺杂类型的衬底；
在所述衬底上形成图形化的掩膜层，所述掩膜层中形成有上宽下窄的贯穿孔；
利用所述掩膜层保护所述衬底，进行第二掺杂类型的离子注入，以在所述衬底中形成第二掺杂类型阱区，其中，掺杂物离子穿过所述贯穿孔并到达所述衬底内，使得所述第二掺杂类型阱区的宽度随着深度增大逐渐收窄；
去除所述掩膜层。
8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述贯穿孔的侧壁与所述衬底的上表面的夹角为10°～30°。
9.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在所述衬底上形成所述图形化的掩膜层的方法包括：
在所述衬底表面形成一氧化层；
利用氩等离子体处理所述氧化层表面，以调节所述氧化层的湿法蚀刻特性，使蚀刻速率随着在所述氧化层中的深度增加而降低；
在所述氧化层上形成图形化的光刻胶层；
利用所述光刻胶层的保护，对所述氧化层进行湿法蚀刻，直至形成所述贯穿孔，其中随着蚀刻深度增大，在所述氧化层上表面形成的开口越大；
去除所述光刻胶层，以具有所述贯穿孔的所述氧化层作为所述掩膜层。
10.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在所述衬底上形成所述图形化的掩膜层的方法包括：
在所述衬底表面形成一氧化层，并在所述氧化层上形成图形化的光刻胶层；
利用所述光刻胶层的保护，对所述氧化层进行具有各向同性刻蚀特性的干法蚀刻，以在所述氧化层中形成上宽下窄的贯穿孔；
去除所述光刻胶层，以具有所述贯穿孔的所述氧化层作为所述掩膜层。
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