空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及光纖通信系統(tǒng)、光互連以及光電探測(cè)器。為提供PN結(jié)光電二極管響應(yīng)度高，本征帶寬寬，能夠?qū)崿F(xiàn)全差分輸出的光電探測(cè)器，提升標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝單片集成光接收機(jī)的整體性能，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，結(jié)構(gòu)為：P型襯底上制作有淺溝槽隔離區(qū)，淺溝槽隔離區(qū)內(nèi)感光二極管和遮光二極管間隔排列；感光二極管由中等摻雜濃度的N型阱區(qū)與P型襯底構(gòu)成，遮光二極管由中等摻雜濃度的N型阱區(qū)、P型襯底及第二層互連金屬構(gòu)成，在中等摻雜濃度的N型阱區(qū)上方依次設(shè)置有N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)，在中等摻雜濃度的N型阱區(qū)周圍設(shè)置有P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)。本實(shí)用新型主要應(yīng)用于光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)制造。
【專利說明】空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光纖通信系統(tǒng)、光互連以及光電探測(cè)器，具體講，涉及空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用和各種新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，用戶終端對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求日益增加，傳統(tǒng)電互連網(wǎng)絡(luò)受RC時(shí)延的限制，難以進(jìn)一步拓展頻帶。因此，采用高速、大容量的光通信及光互連提升網(wǎng)絡(luò)性能成為當(dāng)前的重要研究課題。作為光通信及光互連領(lǐng)域的一種關(guān)鍵器件，光電探測(cè)器的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能具有決定性的影響。
[0003]目前，用于光通信及光互連領(lǐng)域的接收機(jī)多為混合集成光接收機(jī)，即采用引線鍵合技術(shù)，將II1- V族半導(dǎo)體光電探測(cè)器與硅基CMOS接收電路混合集成同一基底上。這種集成方式不僅浪費(fèi)大量芯片面積，引入寄生參數(shù)，而且在探測(cè)器芯片表面引入突起的壓焊線，不利于光纖對(duì)準(zhǔn)耦合。鑒于混合集成的上述缺點(diǎn)，利用技術(shù)成熟的CMOS工藝研制低成本、高性能的光電探測(cè)器及其信息處理電路成為集成光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
[0004]受硅材料自身特性和工藝結(jié)構(gòu)的限制，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝研制的光電探測(cè)器多為PN結(jié)光電二極管，難以同時(shí)兼顧速度和響應(yīng)度。通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制備PN結(jié)光電二極管的帶寬僅為數(shù)十MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速光通信及光互連的需求。為了進(jìn)一步拓展與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容探測(cè)器的帶寬，毛陸虹等人提出了雙光電二極管結(jié)構(gòu)的探測(cè)器(ZL200310101069.5)和帶平面螺旋電感的光電探測(cè)器(ZL200720098995.5)，將器件本征帶寬擴(kuò)展至數(shù)百M(fèi)Hz。然而，上述所述探測(cè)器為偽差分結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)全差分信號(hào)輸出。若想用在全差分光接收電路中，需加入虛擬探測(cè)器來維持差分電路的輸入負(fù)載平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型旨在解決克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供PN結(jié)光電二極管響應(yīng)度高，本征帶寬寬，能夠?qū)崿F(xiàn)全差分輸出的光電探測(cè)器，提升標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝單片集成光接收機(jī)的整體性能，為此，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，結(jié)構(gòu)為:P型襯底上制作有淺溝槽隔離區(qū)，淺溝槽隔離區(qū)內(nèi)感光二極管和遮光二極管間隔排列；感光二極管由中等摻雜濃度的N型阱區(qū)與P型襯底構(gòu)成，遮光二極管由中等摻雜濃度的N型阱區(qū)、P型襯底及第二層互連金屬構(gòu)成，在中等摻雜濃度的N型阱區(qū)上方依次設(shè)置有N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)，在中等摻雜濃度的N型阱區(qū)周圍設(shè)置有P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)，P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)構(gòu)成感光二極管和遮光二極管的陽極電極；N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)構(gòu)成感光二極管和遮光二極管的陰極電極；第一層互連金屬交替連接相鄰感光二極管和遮光二極管的陰陽電極；第一層互連金屬與其上方的第二層互連金屬之間為第二層間介質(zhì)，P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)、中等摻雜濃度的N型阱區(qū)上方除陰極、陽極外與第二層間介質(zhì)之間為第一層間介質(zhì)；第二層互連金屬作為遮光二極管的遮擋材料。
[0006]層間介質(zhì)為有機(jī)硅化物介質(zhì)層。[0007]空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器制作方法，包括下列步驟:
[0008]I)利用包括氧化、淀積、光刻、刻蝕及化學(xué)機(jī)械拋光的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底上制備淺溝槽隔離區(qū)(STI)；
[0009]2)在淺溝槽隔離區(qū)內(nèi)制備數(shù)個(gè)中等摻雜濃度的N型阱區(qū)，所述N型阱區(qū)與P型襯底構(gòu)成Nwell/Psub光電二極管；
[0010]3)在N型阱區(qū)外側(cè)的襯底上制備P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)，所述襯底接觸區(qū)作為Nwell/Psub光電二極管的陽極；
[0011]4)在N型阱區(qū)內(nèi)制備N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)，所述N阱接觸區(qū)作為Nwell/Psub光電二極管的陰極；
[0012]5)在晶片上表面淀積氧化物介質(zhì)層，并利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備出所述Nwell/Psub光電二極管的陽極電極和陰極電極；
[0013]6)利用第一層互連金屬實(shí)現(xiàn)所述Nwell/Psub感光二極管和遮光二極管陽極和陰極電極的相互連接；
[0014]7)采用旋涂工藝在芯片上表面涂覆有機(jī)硅化物介質(zhì)層，該介質(zhì)層一方面充當(dāng)層間互連介質(zhì)，另一方面平坦化芯片表面；
[0015]8)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的第二層互連金屬交替遮蔽Nwell/Psub光電二極管，所述第二層互連金屬用于部分遮蔽入射光，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的空間調(diào)制，并與其下遮蔽的Nwell/Psub光電二極管構(gòu)成遮光二極管；
[0016]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。
[0017]空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器還連接有電阻做負(fù)載的差分共源級(jí)跨阻放大器，感光二極管、遮光二極管的陽極電極接GND電位，感光二極管、遮光二極管的陰極分別接差分放大器的輸入端口。
[0018]本實(shí)用新型的技術(shù)特點(diǎn)及效果:
[0019]1、利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的Nwell/Psub構(gòu)建光電二極管，比常規(guī)p+/Nwell光電二極管具有更長的吸收距離和更低的結(jié)電容，因而可獲得更好的性能。
[0020]2、在版圖設(shè)計(jì)方面，采用相互間隔的N阱結(jié)構(gòu)，增加空間耗盡區(qū)收集載流子的面積，減小光生載流子的渡越時(shí)間，有效增加光電探測(cè)器的本征帶寬和響應(yīng)度。
[0021]3、利用空間調(diào)制結(jié)構(gòu)，有效消除襯底深處光生載流子擴(kuò)散的拖尾效應(yīng)，顯著提高光電探測(cè)器的本征帶寬。
[0022]4、本實(shí)用新型提供的空間調(diào)制光電探測(cè)器為完全差分結(jié)構(gòu)，易與后繼差分放大電路匹配，提升光接收機(jī)的整體性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1空間調(diào)制光電探測(cè)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2空間調(diào)制光電探測(cè)器的頂視圖。
[0025]圖3集成空間調(diào)制光電探測(cè)器的前置放大器電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】[0026]本實(shí)用新型屬于光纖通信系統(tǒng)以及光互連領(lǐng)域，涉及一種與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)，涉及利用氧化、光刻、刻蝕、離子注入、金屬化等一系列標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)此種探測(cè)器的制備方法，具體講，涉及空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器及其制備方法。
[0027]本實(shí)用新型提供用于高速、高響應(yīng)度，且與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器。該探測(cè)器由Nwell/Psub構(gòu)建的感光二極管和第二層互連金屬/Nwell/Psub構(gòu)建的遮光二極管構(gòu)成，利用第二層互連金屬對(duì)輸入光信號(hào)的空間調(diào)制，消除襯底深處產(chǎn)生的慢擴(kuò)散載流子的拖尾效應(yīng)，提高探測(cè)器的響應(yīng)速度。此外，在版圖設(shè)計(jì)上采用相互間隔的N阱結(jié)構(gòu)，增加空間耗盡區(qū)收集載流子的面積，減小光生載流子的渡越時(shí)間，有效增加光電探測(cè)器的本征帶寬和響應(yīng)度。
[0028]本實(shí)用新型還提供用于制造所述光電探測(cè)器的方法，其主要工藝步驟包括:
[0029]I)利用氧化、淀積、光刻、刻蝕及化學(xué)機(jī)械拋光等標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底上制備淺溝槽隔離區(qū)(STI)，實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)器和電子電路間的電學(xué)隔離，避免相互影響；
[0030]2)在淺溝槽隔離區(qū)內(nèi)制備數(shù)個(gè)中等摻雜濃度的N型阱區(qū)，所述N型阱區(qū)與P型襯底構(gòu)成Nwell/Psub光電二極管；
[0031]3)在N型阱區(qū)外側(cè)的襯底上制備P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)，所述襯底接觸區(qū)作為Nwell/Psub光電二極管的陽極；
[0032]4)在N型阱區(qū)內(nèi)制備N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)，所述N阱接觸區(qū)作為Nwell/Psub光電二極管的陰極；
[0033]5)在晶片上表面淀積氧化物介質(zhì)層，并利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備出所述Nwell/Psub光電二極管的陽極電極和陰極電極；
[0034]6)利用第一層互連金屬實(shí)現(xiàn)所述Nwell/Psub感光二極管和遮光二極管陽極和陰極電極的相互連接；
[0035]7)采用旋涂工藝在芯片上表面涂覆有機(jī)硅化物介質(zhì)層，該介質(zhì)層一方面充當(dāng)層間互連介質(zhì)，另一方面平坦化芯片表面；
[0036]8)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的第二層互連金屬交替遮蔽Nwell/Psub光電二極管，所述第二層互連金屬用于部分遮蔽入射光，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的空間調(diào)制，并與其下遮蔽的Nwell/Psub光電二極管構(gòu)成遮光二極管；
[0037]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。
[0038]本實(shí)用新型提供的空間調(diào)制光電探測(cè)器如圖1所示。所述探測(cè)器由Nwell/Psub構(gòu)建的感光二極管D1和互連金屬/Nwell/Psub構(gòu)建的遮光二極管D2構(gòu)成，利用互連金屬對(duì)輸入光信號(hào)的空間調(diào)制，消除襯底深處光生載流子擴(kuò)散造成的拖尾效應(yīng)，從而顯著提高探測(cè)器的響應(yīng)速度。
[0039]作為優(yōu)選實(shí)例，本實(shí)用新型提供的空間調(diào)制光電探測(cè)器由多個(gè)Nwell/Psub光電二極管組成。為消除慢擴(kuò)散載流子的拖尾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)完成對(duì)稱的差分結(jié)構(gòu)，感光二極管D1和遮光二極管D2在版圖上間隔排列，如附圖2所示。在附圖1和附圖2中，I為P型輕摻雜襯底；2為淺溝槽隔離區(qū)(STI) ;3為N型阱區(qū)；4為P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)；5為N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)；6為第一層層間介質(zhì)；7為感光二極管D1和遮光二極管D2的陽極電極，8和9分別為感光二極管D1和遮光二極管D2的陰極電極，10為第一層互連金屬，所述金屬用于交替連接相鄰感光二極管D1和遮光二極管D2的陰陽電極；11為第二層層間介質(zhì)；12為第二層互連金屬，所述第二層互連金屬為遮光二極管D2的遮擋材料，實(shí)現(xiàn)入射光的空間調(diào)制；13為器件鈍化層。
[0040]為了便于描述，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳述。
[0041]I)利用氧化、淀積、光刻、刻蝕及化學(xué)機(jī)械拋光等標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在P型襯底I上制作出淺溝槽隔離區(qū)2，實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)器和電子電路的電學(xué)隔離；
[0042]2)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中的N阱注入形成數(shù)個(gè)間隔分布的N阱區(qū)域3，所述N型阱區(qū)3與P型襯底I構(gòu)成Nwell/Psub光電二極管；
[0043]3)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中PMOS晶體管的源漏注入在N阱區(qū)域外側(cè)形成間隔分布的P型重?fù)诫s的襯底接觸 區(qū)4，所述襯底接觸區(qū)4作為Nwell/Psub光電二極管的陽極；
[0044]4)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中NMOS晶體管的源漏注入在N阱區(qū)域內(nèi)形成間隔分布的N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)5，所述N阱接觸區(qū)5作為Nwell/Psub光電二極管的陰極；
[0045]5)在晶片表面淀積氧化硅介質(zhì)層6，并利用光刻、刻蝕工藝制備出電極接觸窗口，利用金屬化工藝制備出感光二極管D1和遮光二極管D2的陽極電極7，以及感光二極管D1和遮光二極管D2的陰極電極8和9 ;
[0046]6)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的第一層互連金屬10，交替連接相鄰感光二極管D1和遮光二極管D2的陰陽電極；
[0047]7)采用旋涂工藝在芯片上表面涂覆有機(jī)硅化物介質(zhì)層11，該介質(zhì)層一方面充當(dāng)?shù)诙訉娱g互連介質(zhì)，另一方面平坦化芯片表面；
[0048]8)利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的第二層互連金屬12交替覆蓋Nwell/Psub光電二極管，所述互連金屬12用于部分遮蔽入射光，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的空間調(diào)制，并與其下遮蔽的Nwell/Psub光電二極管構(gòu)成遮光二極管；
[0049]9)在芯片上表面順序淀積氧化硅/氮化硅鈍化層13，防止芯片劃傷和外界環(huán)境影響。
[0050]制作完成后，附圖1左半部分未被互連金屬12覆蓋的襯底接觸區(qū)4、P型襯底1、N阱區(qū)域3和N阱接觸區(qū)5形成感光二極管D1 ;右半部分被第二層互連金屬12覆蓋的襯底接觸區(qū)4、P型襯底1、N阱區(qū)域3和N阱接觸區(qū)5形成遮光二極管D2。
[0051]遮擋材料12與晶片表面平行，當(dāng)入射光照射到空間調(diào)制探測(cè)器芯片表面時(shí)，互連金屬12阻擋二極管D2上的入射光，因此，入射光只在感光二極管D1區(qū)域產(chǎn)生光生載流子，這樣探測(cè)器內(nèi)部的光生載流子分布就被芯片表面的互連金屬12“調(diào)制”了。在初始時(shí)刻h，一束高速光脈沖入射到探測(cè)器表面時(shí)，光信號(hào)只在感光二極管D1區(qū)域產(chǎn)生光生載流子。在空間耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子被電場(chǎng)快速掃出，到達(dá)感光二極管D1的陰極電極8，而耗盡區(qū)外的光生載流子則通過擴(kuò)散向感光二極管D1和遮蔽二極管D2的兩端移動(dòng)。隨著時(shí)間的推進(jìn)，遮蔽二極管仏區(qū)域的光生載流子密度逐漸增加，而感光二極管01區(qū)域的光生載流子密度降低。在某一時(shí)刻，兩個(gè)區(qū)域的載流子數(shù)目接近相等，載流子分布不再被調(diào)制。此后，兩個(gè)區(qū)域的載流子或復(fù)合消失，或擴(kuò)散到耗盡區(qū)邊界被電場(chǎng)抽運(yùn)到兩種二極管的陽極和陰極電極。
[0052]圖3為集成空間調(diào)制光電探測(cè)器的差分共源級(jí)跨阻放大器。圖3中D1和D2分別為探測(cè)器等效的感光二極管和遮光二極管。圖中的放大器是電阻做負(fù)載的共源級(jí)跨阻放大器。圖中節(jié)點(diǎn)I和節(jié)點(diǎn)2為探測(cè)器和跨阻放大器級(jí)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)，既是探測(cè)器的輸出端又是后端放大器的輸入端；節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4為差分放大器的輸出端?？臻g調(diào)制光電探測(cè)器等效為感光二極管D1和遮光二極管D2, 二極管的陽極電極7接GND電位，陰極8和9分別接差分放大器的輸入端口，在電源電壓為3.3V的情況下，差分放大器輸入端可提供1.5V-1.8V左右偏置電壓。MOS晶體管M1和M2作為差分跨阻放大器的輸入器件，電阻R1和R2作為放大器的負(fù)載，電流源I1作為差分結(jié)構(gòu)放大器的尾電流源，電阻R3和R4作為放大器的反饋電阻，整個(gè)差分共源級(jí)電路實(shí)現(xiàn)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大的作用。
[0053]在圖2中的物理結(jié)構(gòu)中，使用第一層互連金屬10將所有感光二極管D1的陰極短路連接在一起，接至差分放大器的輸入晶體管M1的柵極；將所有遮光二極管D2的陰極接在一起，連接至差分放大器的輸入晶體管M2的柵極。晶體管M1和M2的漏極分別與負(fù)載電阻相連，負(fù)載電阻的另一端連接至電源VDD。晶體管M1和M2的源極連接至差分放大器的尾電流源I1，尾電流源的另一端與GND相連。
【權(quán)利要求】
1.一種空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，其特征是，結(jié)構(gòu)為:p型襯底上制作有淺溝槽隔離區(qū)，淺溝槽隔離區(qū)內(nèi)感光二極管和遮光二極管間隔排列；感光二極管由中等摻雜濃度的N型阱區(qū)與P型襯底構(gòu)成，遮光二極管由中等摻雜濃度的N型阱區(qū)、P型襯底及第二層互連金屬構(gòu)成，在中等摻雜濃度的N型阱區(qū)上方依次設(shè)置有N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)，在中等摻雜濃度的N型阱區(qū)周圍設(shè)置有P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)，P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)構(gòu)成感光二極管和遮光二極管的陽極電極；N型重?fù)诫s的N阱接觸區(qū)構(gòu)成感光二極管和遮光二極管的陰極電極；第一層互連金屬交替連接相鄰感光二極管和遮光二極管的陰陽電極；第一層互連金屬與其上方的第二層互連金屬之間為第二層間介質(zhì)，P型重?fù)诫s的襯底接觸區(qū)、中等摻雜濃度的N型阱區(qū)上方除陰極、陽極外與第二層間介質(zhì)之間為第一層間介質(zhì)；第二層互連金屬作為遮光二極管的遮擋材料。
2.如權(quán)利要求1所述的空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，其特征是，層間介質(zhì)為有機(jī)硅化物介質(zhì)層。
3.如權(quán)利要求1所述的空間調(diào)制結(jié)構(gòu)的光電探測(cè)器，其特征是，還連接有電阻做負(fù)載的差分共源級(jí)跨阻放大器，感光二極管、遮光二極管的陽極電極接GND電位，感光二極管、遮光二極管的陰極分別接差分放大器的輸入端口。
【文檔編號(hào)】H01L27/14GK203690302SQ201420044756
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】謝生, 劉娜, 毛陸虹, 張世林 申請(qǐng)人:天津大學(xué)