内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器及其制作方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器及其制作方法。

背景技术

在当代航空航天、生物医学等方面技术不断创新的背景下，单光子探测技术得到了广泛的应用，人们可以借助于各种光电敏感器件对整个光辐射波谱范围内的光信息进行光电变换。但在三维成像、荧光成像、水下无线光学通信等领域对微弱光探测有着严苛的要求，目前用于弱光探测的主要器件有单光子雪崩二极管、光电倍增管等，虽然随着器件的发展改良，单光子探测性能有了很好的提升，但在一些精细领域仍然无法满足需要，基于标准BCD工艺制造的硅基内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件将为提高光电探测效率，实现真正单光子探测功能的器件提供一个新的设计方向。

硅基SPAD的结构一般分为直通结构和平面结构两种。直通结构的优点在于其耗尽层较厚，从而对可见光和近红外光的光子探测概率较高，但是直通式硅基SPAD需要的偏置电压较高，制作工艺昂贵且产量低，并且其不适合单片集成。平面硅基SPAD制作成本较低，对偏置电压的要求也不高且具有良好的时间分辨率。最为重要的是，它易于集成，这符合当下探测系统向小型化、集成化发展的趋势，但传统器件的雪崩倍增区域主要是由一个重掺杂区域与轻掺杂的阱构成，光子检测概率较低。

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、兼容标准微电子工艺的内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器，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：一种内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器，包括P型衬底P-Sub；

所述P型衬底P-Sub上左侧设有第一DN-Well区，P型衬底P-Sub上右侧设有NBL区；

所述第一DN-Well区上表面中间设有第一P-Well区，所述第一P-Well区中设有第一环形N-Well区，第一P-Well区上表面从左至右依次设有第一N+注入区、第一P+注入区；

所述NBL区上设有第一环形DN-Well区，第一环形DN-Well区内设有P-epi区，P-epi区中从左至右依次设有第一N-Well区、第二P-Well区，第一N-Well区上表面从左至右依次设有第二N+注入区和第二P+注入区，第二P-Well区上表面从左至右依次设有第三N+注入区和第三P+注入区；

所述第一N+注入区引出用作器件的阳极；所述第三N+注入区、第三P+注入区连接在一起并引出用作器件的阴极；所述第一P+注入区、第二N+注入区、第二P+注入区连接在一起作为器件内部连接电极，共用一个电位。

上述内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器，所述第一P-Well区上设有第一环形浅槽隔离区，所述第一P+注入区与第二N+注入区之间设有第一浅槽隔离区，所述第二N+注入区与第三P+注入区之间设有第二环形浅槽隔离区，第二P+注入区与第三N+注入区之间设有第二浅槽隔离区，第三P+注入区右侧设有第三浅槽隔离区。

上述内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器，所述第一环形浅槽隔离区左端横跨P型衬底P-Sub、第一DN-Well区、第一P-Well区和第一环形N-Well区，第一环形浅槽隔离区左端外侧与P型衬底P-Sub左侧边缘相接触，第一环形浅槽隔离区左端内侧与第一环形N-Well区相接触，第一环形浅槽隔离区右端内侧与第一环形N-Well区相接触，第一环形浅槽隔离区右端外侧与第一P+注入区左侧相接触；所述第一浅槽隔离区横跨第一P-Well区、第一DN-Well区、P型衬底P-Sub、第一环形DN-Well区、P-epi区和第一N-Well区，第一浅槽隔离区左侧与第一P+注入区右侧相接触，第一浅槽隔离区右侧与二N+注入区左侧相接触。

上述内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器，所述第二环形浅槽隔离区左端位于第一N-Well区，第二环形浅槽隔离区左端外侧与第二N+注入区右侧相接触，第二环形浅槽隔离区左端内侧与第二P+注入区左端相接触，第二环形浅槽隔离区右端位于第二P-Well区中，第二环形浅槽隔离区右端内侧与第三N+注入区右侧相接触，第二环形浅槽隔离区右端外侧与第三P+注入区左侧相接触；所述第二浅槽隔离区横跨第一N-Well区和第二P-Well区，第二浅槽隔离区左侧与第二P+注入区右侧相接触，第二浅槽隔离区右侧与第三N+注入区左侧相接触；所述第三浅槽隔离区横跨第二P-Well区、P-epi区、第一环形DN-Well区和P型衬底P-Sub，第三浅槽隔离区左侧与第三P+注入区右侧相接触，第三浅槽隔离区右侧与P型衬底P-Sub右侧边缘相接触。

上述内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器，所述第一N+注入区与第一金属层相连接，第一金属层连接第二金属层，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器件的阳极；所述第三N+注入区与第三金属层相连接，第三P+注入区与第四金属层相连接，第五金属层上设有第二通孔，第三金属层和第四金属层均连接第五金属层，第五金属层通过第二通孔引出用作器件的阴极；所述第一P+注入区与第六金属层相连，所述第二N+注入区与第七金属层相连，所述第二P+注入区与第八金属层相连，第九金属层上设有第三通孔，第六金属层、第七金属层、第八金属层均连接第九金属层，第九金属层通过第三通孔引出作为器件内部连接电极。

上述内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器，在周期性脉冲信号的激励下，信号来到器件阳极，所述第一N+注入区、第一P-Well区和第一P+注入区构成反偏二极管结构，所述第一P+注入区与第二N+注入区、第二P+注入区连接，所述第二N+注入区与第二P-Well区以及第三N+注入区构成NPN三极管，所述第二P+注入区与第一N-Well区以及第三P+注入区构成PNP三极管，NPN三极管和PNP三极管组成SCR结构。

一种内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：第一次光刻，在P型衬底P-Sub的表面右侧制作NBL区；

步骤二：第二次光刻，在所述NBL区上由外而内依次形成第一环形DN-Well区、P-epi区，在P型衬底P-Sub的表面左侧制作第一DN-Well区；

步骤三：第三次光刻，在P型衬底P-Sub上形成第一环形浅槽隔离区、第一浅槽隔离区、第二环形浅槽隔离区、第二浅槽隔离区和第三浅槽隔离区；

步骤四：第四次光刻，在第一DN-Well区上制作第一P-Well区，在P-epi区上制作第二P-Well区；

步骤五：第五次光刻，在P-epi区上制作第一N-Well区；

步骤六：第六次光刻，在第一P-Well区上制作第一环形N-Well区；

步骤七：第七次光刻，在第一P-Well区中形成第一N+注入区，在第一N-Well区形成第二N+注入区，在第二P-Well区形成第三N+注入区；

步骤八：第八次光刻，在第一P-Well区中形成第一P+注入区，在第一N-Well区形成第二P+注入区，在第二P-Well区形成第三P+注入区；

步骤九：将第一N+注入区引出用作器件的阳极，将第三N+注入区和第三P+注入区引出用作器件的阴极，将第一P+注入区分别与第二N+注入区、第二P+注入区连接。

本发明的有益效果在于：

1、本发明器件结构在周期性脉冲信号的激励下，基于雪崩效应产生电流尖峰脉冲，通过连接所述第一P+注入区、第二N+注入区、第二P+注入区的第九金属层，将电流脉冲导入到第二N+注入区，并且在第一N-Well区中产生压降打开第一个PNP二极管，进而使得SCR结构导通，实现光电流放大作用，以便更好探测到微弱光电流。

2、本发明基于单光子雪崩二极管和双极结型晶体管设计单光子探测器件，由于单光子雪崩二极管的制备技术已经成熟且在BCD工艺上完全可以制备双极结型晶体管。内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件完全兼容标准微电子工艺，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，可实现大规模片上集成。

附图说明

图1为本发明实施例中内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件的剖面图。

图2为本发明内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件的俯视图。

图3为本发明实施例中内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件的寄生结构示意图。

图4为本发明内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件的工作原理图。

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2所示，一种内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器，包括P型衬底P-Sub101；所述P型衬底P-Sub101上左侧设有第一DN-Well区103，P型衬底P-Sub101上右侧设有NBL区102，NBL区102为N型埋层区域；所述第一DN-Well区103上表面中间设有第一P-Well区106，所述第一P-Well区106中设有第一环形N-Well区109，第一P-Well区106上表面从左至右依次设有第一N+注入区110、第一P+注入区111；所述NBL区102上设有第一环形DN-Well区104，第一环形DN-Well区104内设有P-epi区105，P-epi区105中从左至右依次设有第一N-Well区107、第二P-Well区108，第一N-Well区107上表面从左至右依次设有第二N+注入区112和第二P+注入区113，第二P-Well区108上表面从左至右依次设有第三N+注入区114和第三P+注入区115；所述第一N+注入区110引出用作器件的阳极；所述第三N+注入区114、第三P+注入区115连接在一起并引出用作器件的阴极；所述第一P+注入区111、第二N+注入区112、第二P+注入区113连接在一起作为器件内部连接电极，共用一个电位。第一环形DN-Well区104和第一DN-Well区103为深型N阱区域，P-epi区105为P型外延层区域。

所述第一P-Well区106上设有第一环形浅槽隔离区201，所述第一P+注入区111与第二N+注入区112之间设有第一浅槽隔离区202，所述第二N+注入区112与第三P+注入区115之间设有第二环形浅槽隔离区203，第二P+注入区113与第三N+注入区114之间设有第二浅槽隔离区204，第三P+注入区115右侧设有第三浅槽隔离区205。

所述第一环形浅槽隔离区201左端横跨P型衬底P-Sub101、第一DN-Well区103、第一P-Well区106和第一环形N-Well区109，第一环形浅槽隔离区201左端外侧与P型衬底P-Sub101左侧边缘相接触，第一环形浅槽隔离区201左端内侧与第一环形N-Well区109相接触，第一环形浅槽隔离区201右端内侧与第一环形N-Well区109相接触，第一环形浅槽隔离区201右端外侧与第一P+注入区111左侧相接触；所述第一浅槽隔离区202横跨第一P-Well区106、第一DN-Well区103、P型衬底P-Sub101、第一环形DN-Well区104、P-epi区105和第一N-Well区107，第一浅槽隔离区202左侧与第一P+注入区111右侧相接触，第一浅槽隔离区202右侧与二N+注入区左侧相接触。

所述第二环形浅槽隔离区203左端位于第一N-Well区107，第二环形浅槽隔离区203左端外侧与第二N+注入区112右侧相接触，第二环形浅槽隔离区203左端内侧与第二P+注入区113左端相接触，第二环形浅槽隔离区203右端位于第二P-Well区108中，第二环形浅槽隔离区203右端内侧与第三N+注入区114右侧相接触，第二环形浅槽隔离区203右端外侧与第三P+注入区115左侧相接触；所述第二浅槽隔离区204横跨第一N-Well区107和第二P-Well区108，第二浅槽隔离区204左侧与第二P+注入区113右侧相接触，第二浅槽隔离区204右侧与第三N+注入区114左侧相接触；所述第三浅槽隔离区205横跨第二P-Well区108、P-epi区105、第一环形DN-Well区104和P型衬底P-Sub101，第三浅槽隔离区205左侧与第三P+注入区115右侧相接触，第三浅槽隔离区205右侧与P型衬底P-Sub101右侧边缘相接触。

所述第一N+注入区110与第一金属层206相连接，第一金属层206连接第二金属层301，第二金属层301上设有第一通孔302，第二金属层301通过第一通孔302引出用作器件的阳极；所述第三N+注入区114与第三金属层210相连接，第三P+注入区115与第四金属层211相连接，第五金属层305上设有第二通孔306，第三金属层210和第四金属层211均连接第五金属层305，第五金属层305通过第二通孔306引出用作器件的阴极；所述第一P+注入区111与第六金属层207相连，所述第二N+注入区112与第七金属层208相连，所述第二P+注入区113与第八金属层209相连，第九金属层303上设有第三通孔304，第六金属层207、第七金属层208、第八金属层209均连接第九金属层303，第九金属层303通过第三通孔304引出作为器件内部连接电极。

所述第一环形DN-Well区104起到保护环作用，隔离了可控硅结构和单光子雪崩二极管结构，所述NBL区102可以隔绝衬底噪声。

如图3所示，在周期性脉冲信号的激励下，信号来到器件阳极，所述第一N+注入区110、第一P-Well区106和第一P+注入区111构成反偏二极管结构，所述第一P+注入区111与第二N+注入区112、第二P+注入区113连接，所述第二N+注入区112与第二P-Well区108以及第三N+注入区114构成NPN三极管，所述第二P+注入区113与第一N-Well区107以及第三P+注入区115构成PNP三极管，NPN三极管和PNP三极管组成SCR结构。

与传统的光电器件相比，本器件将SCR结构运用于光电器件结构当中，在阳极施加高电位触发PN结的雪崩击穿，进而产生雪崩电流传导到SCR结构，电流脉冲在所述第二P-Well区108中产生压降时，寄生NPN三极管开启，随着SCR正反馈环路的形成，PNP三极管随即开启。由于两个三极管的具备高增益，使得光电流的数值显著提高，达到提高器件响应度的目的。

本器件可以根据实际工艺需求以及不同场景应用改变，其中SCR的设计需要进一步考虑前端光电器件的电流数量级，从而灵活选择P-Well与N-Well的层次，如光电二极管的输出电流较小，需要采用寄生电阻较大的阱层次，才能有效开启SCR的正反馈环路。而雪崩二极管的电流增益较高，采用寄生电阻较小阱层次即可达到目的。

一种内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：第一次光刻，在P型衬底P-Sub101的表面右侧制作NBL区102。

步骤二：第二次光刻，在所述NBL区102上由外而内依次形成第一环形DN-Well区104、P-epi区105，在P型衬底P-Sub101的表面左侧制作第一DN-Well区103。

具体为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。利用化学气相淀积技术沉积一层氮化硅，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，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。再用光刻胶成型阻挡离子注入，再在一侧注入磷离子注入形成局部P型区域，去除光刻胶形成第一环形DN-Well区104。后续掺杂注入同理按照方法完成。

步骤三：第三次光刻，在P型衬底P-Sub101上形成第一环形浅槽隔离区201、第一浅槽隔离区202、第二环形浅槽隔离区203、第二浅槽隔离区204和第三浅槽隔离区205。

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(LPCVD)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，在P型衬底P-Sub101上形成第一环形浅槽隔离区201、第一浅槽隔离区202、第二环形浅槽隔离区203、第二浅槽隔离区204和第三浅槽隔离区205；然后反应离子将会刻蚀掉浅槽隔离上的氮化硅，随后进行场区注入，用于防止场区开启。

步骤四：第四次光刻，在第一DN-Well区103上制作第一P-Well区106，在P-epi区105上制作第二P-Well区108。对所述第一P-Well区106、第二P-Well区108进行退火处理，修复离子注入所导致的硅表面的晶体损伤，注入杂质的激活，利用RTP工艺消除杂质的进一步扩散。

步骤五：第五次光刻，在P-epi区105上制作第一N-Well区107。

步骤六：第六次光刻，在第一P-Well区106上制作第一环形N-Well区109。

步骤七：第七次光刻，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，在第一P-Well区106中形成第一N+注入区110，在第一N-Well区107形成第二N+注入区112，在第二P-Well区108形成第三N+注入区114；进行退火处理消除杂质在注入区进行的迁移。

步骤八：第八次光刻，低能量、浅深度、低掺杂的BF2+离子注入，在第一P-Well区106中形成第一P+注入区111，在第一N-Well区107形成第二P+注入区113，在第二P-Well区108形成第三P+注入区115；进行退火处理消除杂质在注入区进行的迁移。

步骤九：将第一N+注入区110引出用作器件的阳极，将第三N+注入区114和第三P+注入区115引出用作器件的阴极，将第一P+注入区111分别与第二N+注入区112、第二P+注入区113连接。

所述内嵌可控硅整流结构复合雪崩结光电探测器件通过所述第一环形N-Well区109作为保护环结构防止所述第一N+注入区110和第一P-Well区106之间的耗尽层出现过早边缘击穿，所述P-epi区105作为器件的保护环结构，用于防止器件耗尽区发生边缘击穿效应，同时第一DN-Well区103可以隔离衬底噪声减少暗计数率。如图3和图4，器件在周期性脉冲信号的条件下达到反偏状态，通过注入的光子信号触发雪崩击穿，当信号导致器件发生雪崩击穿，雪崩电压的大小由所述第一N+注入区110和第一P-Well区106的浓度决定，产生的雪崩电流脉冲流入到第二N+注入区112、第二P+注入区113，通过SCR结构对信号电流进行放大，使得光电流的数值显著提高，达到提高器件响应度的目的。