双极型单光子探测器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电探测领域，特别涉及一种双极型单光子探测器件及其制作方法。

背景技术

单光子探测技术由于其高增益和高灵敏度，被广泛应用于天文探测、生物光子学、荧光寿命成像、医学诊断等高端技术领域。随着微电子技术的不断进步与发展，基于标准CMOS工艺制造的硅光电探测器具有探测灵敏度高、响应速度快、工作电压低、集成度高等优点。因此设计高性能的单光子探测器件具有深远意义。

在图像传感器和其他光敏阵列中，光电二极管、光电晶体管是最常用的光电探测器。雪崩光电二极管（APD）在反向偏压下工作，通过收集由光子产生的光生电子和光生空穴来产生光响应。PIN光电二极管也是利用PN结在反向偏压下的性质来响应光子。与APD的区别是这种结构在PN结中间加入了一段低掺杂本征区，加宽了空间电荷区，将导致更深穿透光和更高响应度。另一种比APD和PIN管增益高得多的光电二极管是单光子雪崩二极管（SPAD）。SPAD工作在盖革模式，即工作电压高于雪崩击穿电压，单个光子就能触发持续的雪崩，具有很高的内部增益。与光电二极管不同，双极型光电晶体管能在低电源电压下工作，然而，当入射光功率降低时，传统的光电晶体管会极大地降低信噪比。为了实现在弱光环境下获得高光电流增益，需要对传统光电晶体管结构进行改进。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、光电流增益高的双极型单光子探测器件，并提供其制作方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种双极型单光子探测器件，包括P型衬底P-Sub；

所述P型衬底P-Sub上设有NBL区；

所述NBL区上设有圆形DN-Well区、环形P-EPI区和环形DN-Well区，且圆形DN-Well区、环形P-EPI区和环形DN-Well区从内向外依次相接分布；

所述环形DN-Well区中设有环形N+注入区，环形N+注入区外侧设有第一环形浅槽隔离区，环形N+注入区内侧设有第二环形浅槽隔离区；

所述圆形DN-Well区中设有P-Well区，所述P-Well区中设有圆形N+注入区；

所述环形N+注入区引出用作双极型单光子探测器件的阴极；所述圆形N+注入区引出用作双极型单光子探测器件的阳极。

上述双极型单光子探测器件，所述第一环形浅槽隔离区外侧与环形DN-Well区外侧边缘接触，第一环形浅槽隔离区内侧与环形N+注入区外侧接触，环形N+注入区内侧与第二环形浅槽隔离区外侧接触，第二环形浅槽隔离区内侧与环形DN-Well区内侧边缘接触。

上述双极型单光子探测器件，所述环形DN-Well区内侧和环形P-EPI区外侧边缘接触；所述圆形DN-Well区和P-Well区构成相同半径的同心圆，并与所述环形P-EPI区内侧边缘接触。

上述双极型单光子探测器件，所述圆形N+注入区位于P-Well区的表面，所述P-Well区与圆形N+注入区构成同心圆，所述圆形N+注入区半径大于所述P-Well区半径，圆形N+注入区边缘处于所述环形P-EPI区内。

上述双极型单光子探测器件，所述环形N+注入区与第一金属层相连接，第一金属层与第二金属层相连，第二金属层上设有第一通孔，第二金属层通过第一通孔引出用作双极型单光子探测器件的阴极；所述圆形N+注入区与第三金属层相连接，第三金属层与第四金属层相连，第四金属层上设有第二通孔，第四金属层通过第二通孔引出用作双极型单光子探测器件的阳极。

上述双极型单光子探测器件，所述圆形N+注入区、P-Well区、圆形DN-Well区、NBL区、环形DN-Well区、环形N+注入区构成垂直NPN型三极管结构，所述P-Well区作为三极管的基极处于浮空状态，器件阴极接地电位，器件阳极接高电位，光电流沿着所述圆形N+注入区流入P-Well区、圆形DN-Well区、NBL区、环形DN-Well区和环形N+注入区到达阴极。

一种双极型单光子探测器件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：在P型衬底P-Sub中形成N型埋层NBL区；

步骤二：在NBL区上由外而内依次形成环形DN-Well区、环形P-EPI区和圆形DN-Well区；

步骤三：在环形DN-Well区表面中间位置形成环形N+注入区，在环形DN-Well区外侧边缘与环形N+注入区外侧边缘之间形成第一浅槽隔离区，在环形DN-Well区内侧边缘与环形N+注入区内侧边缘之间形成第二环形浅槽隔离区；

步骤四：在圆形DN-Well区中形成P-Well区；

步骤五：在P-Well区中形成圆形N+注入区；

步骤六：对每一注入区进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；

步骤七：将环形N+注入区引出用作双极型单光子探测器件的阴极；将圆形N+注入区引出用作双极型单光子探测器件的阳极。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中的感光结位于圆形N+注入区和P-Well区形成的PN结区域，圆形N+注入区和P-Well区构成全耗尽区域，环形P-EPI区由于掺杂浓度低的特点，能够作为保护环防止圆形N+注入区和P-Well区形成的PN结边缘击穿。

2、本发明将圆形N+注入区作为双极型单光子探测器件的集电区，浮空的P-Well区作为双极型单光子探测器件的基区，圆形DN-Well区、NBL区、环形DN-Well区、环形N+区作为双极型单光子探测晶体管的发射区；当感光区即集电结吸收光子后，空间电荷区产生光生电子-空穴对，光生电子-空穴对在电场的作用下分别向相反的方向移动；由于集电结引入了单光子雪崩二极管结构原理，即光生载流子能够在集电结触发雪崩倍增效应并产生雪崩电流，因此双极型单光子探测晶体管相比传统的SPAD器件和光电三极管，具备更强的电流倍增能力。

3、本发明的制作方法，制作过程简单，操作方便，制作出的双极型单光子探测器件的版图为圆形同心环，器件结构既不会违反设计规则，也不会用到标准BCD工艺以外的层次，就能使得双极型单光子探测器件应用在极弱光探测的图像传感器等设计中，有效提高了单光子探测器的光电流增益。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的寄生结构示意图。

图3为本发明实施例的等效电路图。

图4为本发明实施例的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-图4所示，一种双极型单光子探测器件，包括P型衬底P-Sub101；所述P型衬底P-Sub101上设有NBL区102；所述NBL区102上设有圆形DN-Well区105、环形P-EPI区104和环形DN-Well区103，且圆形DN-Well区105、环形P-EPI区104和环形DN-Well区103从内向外依次相接分布；所述环形DN-Well区103中设有环形N+注入区108，环形N+注入区108外侧设有第一环形浅槽隔离区201，环形N+注入区108内侧设有第二环形浅槽隔离区202；所述圆形DN-Well区105中设有P-Well区106，所述P-Well区106中设有圆形N+注入区109；所述环形N+注入区108引出用作双极型单光子探测器件的阴极；所述圆形N+注入区109引出用作双极型单光子探测器件的阳极。P型衬底P-Sub101为P型衬底区域，NBL区102为N型埋层区域，DN-Well区为深型N阱区域，P-EPI区为P型外延层区域。

所述第一环形浅槽隔离区201外侧与环形DN-Well区103外侧边缘接触，第一环形浅槽隔离区201内侧与环形N+注入区108外侧接触，环形N+注入区108内侧与第二环形浅槽隔离区202外侧接触，第二环形浅槽隔离区202内侧与环形DN-Well区103内侧边缘接触。

所述环形DN-Well区103内侧和环形P-EPI区104外侧边缘接触；所述圆形DN-Well区105和P-Well区106构成相同半径的同心圆，并与所述环形P-EPI区104内侧边缘接触。

所述圆形N+注入区109位于P-Well区106的表面，所述P-Well区106与圆形N+注入区109构成同心圆，所述圆形N+注入区109半径大于所述P-Well区106半径，圆形N+注入区109边缘处于所述环形P-EPI区104内。

所述环形N+注入区108与第一金属层203相连接，所述第一金属层203与第二金属层302相连接，第二金属层302上设有第一通孔304，第二金属层302通过第一通孔304引出用作双极型单光子探测器件的阴极；所述圆形N+注入区109与第三金属层204相连接，所述第三金属层204与第四金属层301相连接，第四金属层301上设有第二通孔303，第四金属层301通过第二通孔303引出用作双极型单光子探测器件的阳极。

所述圆形N+注入区109、P-Well区106、圆形DN-Well区105、NBL区102、环形DN-Well区103、环形N+注入区108构成垂直NPN型三极管结构，所述P-Well区106作为三极管的基极处于浮空状态，器件阴极接地电位，器件阳极接高电位，光电流沿着所述圆形N+注入区109流入P-Well区106、圆形DN-Well区105、NBL区102、环形DN-Well区103和环形N+注入区108到达阴极。

当双极型单光子探测器件在光照条件下，器件工作在盖革模式时，所述阳极接入高电位，所述阴极接入地电位，作为集电区的所述圆形N+注入区109和作为基区的所述P-Well区106形成反偏PN结，光子进入所述PN结内的耗尽区后，耗尽区内的晶格原子吸收光子能量从价带跃迁到导带，产生光生载流子，由于PN结内部电场非常大，光生载流子在强电场的作用下加速获得很高的动能，它们与晶格碰撞电离产生新的电子-空穴对，这些电子-空穴对又不断引起新的碰撞电离，最后造成空间电荷区内载流子的雪崩倍增。在阳极电场的作用下，电子向集电极圆形N+注入区109移动，空穴向基区所述P-Well区106移动，导致基区电位升高。除少数电子在基区所述P-Well区106与空穴复合外，其余电流均流入由圆形DN-Well区105、NBL区102、环形DN-Well区103、环形N+区108构成的发射区。

所述圆形N+注入区109、所述P-Well区106构成光电二极管结构，在强电场作用下，器件表面曲率大的地方电荷密度高，电场强大，PN结很容易在中心区域还没达到碰撞电离的程度时，边缘处提前击穿，影响光子的探测，因此在所述圆形N+注入区109、所述P-Well区106形成的PN结边缘处增加所述环形P-EPI区104作为保护环，防止PN结边缘处提前发生雪崩击穿。

一种双极型单光子探测器件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：在P型衬底P-Sub101中形成N型埋层NBL区102。

步骤二：在NBL区102上由外而内依次形成环形DN-Well区103、环形P-EPI区104和圆形DN-Well区105。然后采用热氧化形成一层二氧化硅薄膜，用来缓解后续工艺步骤形成的氮化硅造成的应力损害。利用化学气相淀积一层氮化硅，作为后续工艺步骤中CMP的停止层；

将光刻胶均匀涂抹在晶圆上，光刻胶曝光和显影，然后对氮化硅、二氧化硅和隔离浅槽进行刻蚀，去除光刻胶层，利用化学气相淀积沉积一层二氧化硅，之后利用化学机械抛光，直到氮化硅薄膜层为止，利用热磷酸湿法刻蚀去除氮化硅薄膜层。

步骤三：在环形DN-Well区103表面中间位置形成环形N+注入区108，在环形DN-Well区103外侧边缘与环形N+注入区108外侧边缘之间形成第一浅槽隔离区，在环形DN-Well区103内侧边缘与环形N+注入区108内侧边缘之间形成第二环形浅槽隔离区202。

具体为：利用场氧(LOCOS)隔离技术，使用热氧化法生长二氧化硅薄膜层作为缓冲层，然后利用化学气相淀积技术沉积氮化硅，将光刻胶涂在晶圆片上，利用光刻技术定义第一环形浅槽隔离区201、第二环形浅槽隔离区202。然后反应离子将会刻蚀掉第一环形浅槽隔离区201、第二环形浅槽隔离区202上的氮化硅，随后进行场区注入，用于防止场区开启。

步骤四：在圆形DN-Well区105中形成P-Well区106。

具体为：将光刻胶涂在晶圆上，用于所述P-Well区106的定义，然后高能硼离子注入形成局部P型区域，去除光刻胶。对所述P-Well区106进行退火处理，修复离子注入导致的硅表面的晶体损伤，注入杂质的激活，利用快速热处理工艺（RTP）消除杂质的进一步扩散。

步骤五：光刻胶成形，用于控制离子的注入，浅深度、重掺杂的砷离子注入，去除光刻胶，在P-Well区106中形成圆形N+注入区109。

步骤六：对环形N+注入区108、圆形N+注入区109进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移。

步骤七：将环形N+注入区108引出用作双极型单光子探测器件的阴极；将圆形N+注入区109引出用作双极型单光子探测器件的阳极。

本发明的制作方法，过程简单，操作方便。制作出的双极型单光子探测器件结构既不违反版图设计规则，也不会用到标准BCD工艺以外的层次。所述的双极型单光子探测器件在所述圆形N+注入区109和所述P-Well区106形成的PN结内进行光电转换产生雪崩电流，其中，光生空穴在所述P-Well区106积累降低电势，导通所述双极型单光子探测器件，从而光电流被进一步放大，得到具有高增益的光电流，满足单光子探测的要求。