一种低暗电流的CMOS APD光电器件制造技术

本发明专利技术请求保护一种低暗电流的CMOS APD光电器件，属于半导体光电器件领域。器件结构包括P衬底，其还包括在其上离子注入的P阱，所述P阱上离子注入有一个N+层和两个P+层，N+层为阴极，P+层为阳极。将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区，并设置一个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下运动到雪崩区参与倍增；还将所述P阱层的间隙两端掺杂STI保护环和N+层两侧掺杂小尺寸STI保护环，STI的合理设置既能保证暗电流的降低，又可使光电流被有效探测；在器件电极设计上优化了光电效应及电容。该设计技术从PN结、STI保护环、电极设置三方面进行设计，降低器件的暗电流，保证光电流可被探测，电容减小。

【技术实现步骤摘要】
一种低暗电流的CMOSAPD光电器件
本专利技术属于半导体器件领域，涉及到APD光电器件的设计技术设计，尤其涉及一种低暗电流CMOSAPD光电器件的设计。
技术介绍
雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode)是一种光电探测器，能够实现高灵敏度和高带宽。它具有通过利用雪崩击穿效应使耗尽层中的光信号吸收而产生倍增载流子电子及空穴。CMOSAPD的基本设计技术类似于普通PN结的基本设计技术，但在器件结构设计中采用新的设计技术，可有效提高器件的工作带宽，降低器件的暗电流。工作在线性区的CMOSAPD以其低电压、低成本的特点被广泛运用于物联网、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)和蓝光光盘中。半导体器件隔离技术，可以按其工艺类型分为两种。一种是局部场氧化隔离工艺，它以氮化硅为掩膜实现了硅的选择氧化，在这种工艺中，除了形成有源晶体管的区域以外，在其它所有重掺杂硅区上均生长一层厚的氧化层，称为隔离或场氧化层，但是CMOS制程到了0.25μm，LOCOS的缺点就出现，第一个是因为乌嘴浪费空间，第二个是因为表面的Topography高度差太大，ILD必须很厚，所以contact无法做小。另一种是STI保护环技术，具有制程温度低、无鸟嘴效应、表面平坦化好等优点而成为CMOS器件的主要隔离技术。这种设计技术目前已广泛应用在CMOS工艺技术中，但在APD器件中的使用则存在对光电流的影响。因此本专利是在保证APD器件有一定的灵敏度的情况下，降低器件暗电流。在由工作在线性模式下的CMOSAPD器件所构成的高灵敏度传感器中，利用其光电效应和雪崩倍增效应实现光信号的探测和信号放大的器件。最近几年，针对CMOSAPD器件的的研究工作主要集中在采用不同的APD结构设计技术来设计实现低暗电流的APD器件，以及大规模APD阵列及其信号处理电路研究。这两方面的努力都需要进一步优化CMOSAPD器件设计技术及性能，尽量降低器件的暗电流。传统的APD器件设计技术均会在阴阳极两侧处加入STI保护环优化，忽略光生电子载流子的飘移距离和STI保护环的合理运用，因此并不能达到保证微弱光电流被探测到的情况下，同时保持相对低暗电流。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种低暗电流的CMOSAPD光电器件。本专利技术的技术方案如下：一种低暗电流的CMOSAPD光电器件，包括P衬底、阳极及阴极，其还包括通过离子注入于所述P衬底上的一个P阱层，P阱层与N+层可形成PN结，在P阱层上离子注入堆积有一个N+层和两个P+层，P+层上连接阳极，N+层作为光接受窗口并连接阴极，均可接入后续电路即跨阻抗放大器中，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结(与重掺杂的P+层与轻掺杂的N阱几乎采用一样的浓度数量级)，即形成雪崩区并设置一个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下漂移到雪崩区参与倍增；还将所述P阱层的间隙两端加入STI浅沟道隔离保护环，STI保护环防止PN结过早击穿，并减少暗电流，并采用透明阴阳电极，阴极采用L型结构设置，阳极采用倒置的F型结构设置，该两种结构有利于其外延电路的连接。进一步的，所述PN结为N+/P阱的重掺杂结，重掺杂的N+层与轻掺杂P阱层分别采用的掺杂浓度的数量级是19和17，在其两端设置较短的STI保护环保证了其暗电流的降低，减少了扩散载流子的渡越。进一步的，所述PN结处的电场分布均匀且一致，最大电场强度达到6.9×105V/cm。进一步的，当入射光入射在P阱层处被吸收并产生光生载流子，PN结两侧所采用的是N+层与P阱层，由于其两侧的STI保护环使P衬底中的扩散载流子无法向其扩散故而较小了暗电流，且N+/P阱处雪崩击穿，由于该PN结是重掺杂区域，作为扩散载流子的暗电流减小。进一步的，所述阴阳极均为透明的阴阳电极，可保证器件对光照的完全吸收，同时能有效降低器件电容，有利于器件集成于其他电路。进一步的，所述N+层采用不同浓度的掺杂五价杂质元素半导体，P衬底、P+层、P阱层均采用不同浓度的掺杂三价杂质元素的半导体。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术提出了一种新型设计技术，用来设计低暗电流CMOSAPD光电器件，并给出了其设计方法。常规的单窗口APD是由重掺杂的P+层与轻掺杂的N阱形成PN结，形成雪崩区，设置的STI保护环长度超过耗尽层宽度。该设计方法是将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱形成PN结，在PN结两侧注入深度减半(保证光电流的可探测性以及避免PN结过早击穿)的STI形成保护环。与常规的CMOSAPD器件相比，本专利技术所设计和优化后的器件明显地降低暗电流，保证光电流的可探测。本专利技术所提出的低暗电流的CMOSAPD设计技术及优化方法如下：1.本专利技术所设计的APD器件为N+/P阱/P衬底的平面设计技术。其核心是找出影响载流子渡越时间的关键因素，有针对性的通过对器件的结构设计，减小光生载流子在器件内的最大渡越时间，进而有效提高器件的工作频率。其器件设计技术特征在于：考虑到N+/P阱结构的器件，在重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱，并设置一个光照窗口。采用重掺杂的雪崩结来降低耗尽区的纵向宽度，同时减小光照面积降低耗尽层横向宽度，减少扩散载流子进去耗尽层的数量和范围，从本质上降低器件的暗电流。此时的雪崩结为N+/P阱，当PN结发生雪崩击穿时，载流子进行成倍地增加，但该PN结并不是常规的单边突变结，所以该设计技术的耗尽区中的能带较陡峭，大多数载流子不易发生带间隧穿，这样就从本质上减少了扩散载流子的渡越，达到降低暗电流目的。2.低暗电流CMOSAPD光电器件的结构，其特征在于：该设计技术从保护环的设计以及探测窗口的合理设置。在PN结两侧注入相较于器件较短的STI环，由于无保护环的耗尽层易在其边沿处发生边缘击穿且击穿电场呈不均匀分布，因此STI的设置可使耗尽层电场均匀分布，并防止扩散电流进入耗尽层，同时保证了光电流在阴阳极间可被探测。此结构既避免了PN结过早地边缘击穿，进一步降低暗电流，并且在探测面积不变的情况下，保证了光电流可探测。3.P阱的浓度、厚度、N+厚度是可调的。通过工艺或电脑仿真调节P阱的浓度、厚度、N+厚度，通过仿真可知其暗电流达到最低值，其中透明的阴阳电极可保证器件对光照的完全吸收，同时能有效降低器件电容，有利于器件集成于其他电路。附图说明图1是常规CMOSAPD设计技术图图2是本专利技术提供优选实施例CMOSAPD设计技术图；图3是本专利技术提供优选实施例CMOSAPD电极设计技术图；图4是本专利技术提供优选实施例CMOSAPD电场分布图；图5是本专利技术提供优选实施例CMOSAPD电场强度图；图6是本专利技术提供优选实施例CMOSAPD光暗电流特性图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例。本专利技术解决上述技术问本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低暗电流的CMOS APD光电器件，包括P衬底、阳极及阴极，其特征在于，还包括通过离子注入于所述P衬底上的一个P阱层，P阱层用于与N+层形成PN结，在P阱层上离子注入堆积有一个N+层和两个P+层，P+层上连接阳极，N+层作为光接受窗口并连接阴极，均可接入后续跨阻抗放大器中，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区并设置一个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下漂移到雪崩区参与倍增；还将所述P阱层的间隙两端加入深度减半的STI浅沟道隔离保护环，STI保护环防止PN结过早击穿，并减少暗电流，并采用透明阴阳电极，阴极采用L型结构设置，阳极采用倒置的F型结构设置，该两种结构有利于其外延电路的连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种低暗电流的CMOSAPD光电器件，包括P衬底、阳极及阴极，其特征在于，还包括通过离子注入于所述P衬底上的一个P阱层，P阱层用于与N+层形成PN结，在P阱层上离子注入堆积有一个N+层和两个P+层，P+层上连接阳极，N+层作为光接受窗口并连接阴极，均可接入后续跨阻抗放大器中，将重掺杂的N+层与轻掺杂的P阱层形成PN结，即形成雪崩区并设置一个光照窗口，当光源射入器件内部被光吸收区吸收时，产生光生载流子，光生载流子在电场作用下漂移到雪崩区参与倍增；还将所述P阱层的间隙两端加入深度减半的STI浅沟道隔离保护环，STI保护环防止PN结过早击穿，并减少暗电流，并采用透明阴阳电极，阴极采用L型结构设置，阳极采用倒置的F型结构设置，该两种结构有利于其外延电路的连接。


2.根据权利要求1所述的低暗电流的CMOSAPD光电器件，其特征在于，所述PN结为N+/P阱的重掺杂结，重掺杂的N+层与轻掺杂P阱层分别采用的掺杂浓度的数量级是19和17，在其两端设置较短的STI保护环保证了其暗电流的降低，减少了扩...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍军，王巍，黎淼，丁立，樊琦，赵汝法，袁军，
申请(专利权)人：重庆中易智芯科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50