專利名稱：Cmos硅雙光電探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電集成電路，尤其是涉及一種CMOS硅光電探測器。
背景技術(shù)：
近年來硅光電探測器有相當(dāng)快的發(fā)展，并得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在光纖通信、光盤系統(tǒng)、光電測量等領(lǐng)域。例如，它可用于DVD和CD-ROM等的光學(xué)讀取頭、條形碼讀取器、超大規(guī)模集成電路中的各單元電路的性能檢測。在光纖通信領(lǐng)域，硅基光電探測器已經(jīng)被用在850nm光纖通信和650nm塑料光纖通信中。這些都取決于硅材料本身所決定的光譜特性。另一方面，硅基光電探測器可以采用硅集成電路工藝來實(shí)現(xiàn)，易與各種功能的硅IC電路集成，實(shí)現(xiàn)單片集成的光電集成電路(OEIC)。
在實(shí)際應(yīng)用中通常需要集成的光電探測器芯片，這是一種光電集成電路(OEIC)。光電探測器芯片主要有兩部分組成光電探測器和相應(yīng)的處理電路。以光盤信號光電探測器芯片為例，光電探測器接收從光盤上反射過來的微弱的光信號并將之轉(zhuǎn)換成電流信號，這個(gè)電流信號很小，通常只有μA量級光電探測器輸出的微弱的電流信號通過處理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。光電探測器芯片的制備可以采用混合集成或單片集成的辦法來實(shí)現(xiàn)。前者是在芯片封裝過程中通過鍵合技術(shù)把光電探測器與處理電路進(jìn)行連接；后者則與集成電路的制備方法相同，在同一襯底上實(shí)現(xiàn)光電探測器與處理電路并實(shí)現(xiàn)他們之間的連接。單片集成可以提高芯片的可靠性和整體性能，同時(shí)可以降低大批量生產(chǎn)的成本。從目前來看，各類硅光電探測器和OEIC幾乎涉及了Bipolar、CMOS、BiCMOS、SOI工藝，且以Bipolar、和BiCMOS為主；而先進(jìn)成熟、相對成本低的CMOS工藝能成為硅光電探測器和硅OEIC研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
硅光電探測器可有多種結(jié)構(gòu)，包括肖特基(SB)二極管、金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光電二極管、PN與PIN光電二極管等。雖然SB和MSM光電探測器是平面工藝，制作也很簡單，但是需要金屬與硅之間的肖特基接觸，而CMOS工藝只支持歐姆接觸；并且大多數(shù)商業(yè)的CMOS工藝不在襯底背面做電極，因此縱向結(jié)構(gòu)的PIN光電探測器在商業(yè)的CMOS工藝下不太可行。貝爾實(shí)驗(yàn)室T.k.Woodward等完全采用商業(yè)的0.35μm CMOS集成電路工藝做出了1Gbit/s速率的光接收機(jī)芯片，響應(yīng)波長為850nm，但探測器的響應(yīng)度只有0.01～0.04A/W。L.D.Garrett等采用高阻片(6×1012cm-3)研制的橫向硅PIN結(jié)構(gòu)探測器，在無抗反射膜、5V偏壓的情況下，850nm光波長的量子效率達(dá)67％(約0.45A/W)。H.Zimmermann等采用高阻外延片(2×1013cm-3)與背電極工藝，設(shè)計(jì)了多種縱向結(jié)構(gòu)的硅探測器，638nm光波長的響應(yīng)度達(dá)到0.4A/W以上。雖然L.D.Garrett與H.Zimmermann等的方法可以得到高性能的硅探測器，但是需對商業(yè)的CMOS集成電路工藝做適當(dāng)?shù)男薷?，與商業(yè)的CMOS集成電路工藝不完全兼容，一般都不能為IC代工廠所接受。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有的硅光電探測器的短波響應(yīng)差，多光電探測器應(yīng)用時(shí)需加隔離措施，制備工藝與CMOS集成電路不完全兼容等缺點(diǎn)，提供一種與商業(yè)CMOS工業(yè)完全兼容的CMOS硅雙光電探測器及其制備方法。
本發(fā)明設(shè)有P型硅襯底、N阱(N-Well)、P阱(P-Well)、P型重?fù)诫s硅(P+)、N型重?fù)诫s硅(N+)、金屬鋁(AL)、場氧層、SiO2絕緣介質(zhì)層(按制備順序從下至上共3層)和Si3N4表面鈍化層，其中P型硅襯底、N阱、P阱、P型重?fù)诫s硅和N型重?fù)诫s硅設(shè)于同一硅片材料上，場氧層為對硅片進(jìn)行氧化在硅片表面生成的氧化硅，金屬鋁為通過濺射工藝沉積在硅片表面，SiO2絕緣介質(zhì)層通過沉積工藝附著在硅襯底上、Si3N4表面鈍化層通過沉積工藝附著在SiO2絕緣介質(zhì)層上。
本發(fā)明的縱向結(jié)構(gòu)自下而上依次是第一層是低摻雜的P型硅襯底；第二層是N阱和P阱；第三層是N型重?fù)诫s硅、P型重?fù)诫s硅、場氧層、金屬鋁；第四層到第六層為三層的SiO2絕緣介質(zhì)層；第七層是Si3N4表面鈍化層。所有的縱向尺寸由具體的CMOS工藝決定。本發(fā)明的橫向結(jié)構(gòu)以N阱為中心對稱分布，N阱中心的上表面是P型重?fù)诫s硅，其橫向尺寸根據(jù)需要的有效光敏面積確定；距離N阱邊緣不小于0.4μm的N阱上表面為N型重?fù)诫s硅，寬度不小于0.8μm；N阱內(nèi)的P型重?fù)诫s硅和N型重?fù)诫s硅由場氧層隔開，寬度不小于1μm；在N阱外圍是P阱，距離N阱不小于0.8μm的P阱上表面為P型重?fù)诫s硅，寬度不小于1.1μm；N阱內(nèi)的N型重?fù)诫s硅和P阱內(nèi)的P型重?fù)诫s硅由場氧層隔開，寬度不小于1.2μm；P阱內(nèi)其他部分為場氧層。金屬鋁附著在各個(gè)N型重?fù)诫s硅和P型重?fù)诫s硅上，其中N阱內(nèi)P型重?fù)诫s硅上的金屬鋁分布在其周邊靠近場氧層。
本發(fā)明設(shè)有兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)的光電探測器P+/N-well和N-well/P-sub，分別稱為PD1和PD2，金屬鋁與N型重?fù)诫s(N+)形成歐姆接觸，作為探測器的陰極，光電探測器PD1和PD2設(shè)有公共陰極，N阱(N-Well)內(nèi)的P型重?fù)诫s(P+)與其接觸的金屬鋁形成歐姆接觸，作為光電探測器PD1的陽極；P阱(P-Well)內(nèi)的P+與其接觸的金屬鋁形成歐姆接觸，作為光電探測器PD2的陽極；設(shè)有3層SiO2表面絕緣介質(zhì)層(按制備順序從下至上共3層)和Si3N4表面鈍化層。
本發(fā)明所說的CMOS硅雙光電探測器制備方法，其具體步驟為1、首先采用高阻的<100>P型的硅片作為襯底材料；2、在P型襯底上光刻N(yùn)-Well區(qū)，并采用離子注入工藝實(shí)現(xiàn)N-Well；3、光刻P-Well區(qū)，并采用離子注入工藝實(shí)現(xiàn)P-Well；4、光刻有源區(qū)(N+和P+)，采用氧化工藝實(shí)現(xiàn)場氧區(qū)；5、光刻N(yùn)+區(qū)，通過離子注入實(shí)現(xiàn)N+；6、光刻P+區(qū)，通過離子注入實(shí)現(xiàn)P+；7、沉積第一層SiO2絕緣介質(zhì)層；8、光刻接觸孔(金屬鋁與有源區(qū)的接觸部分)；9、沉積金屬鋁，并光刻實(shí)現(xiàn)需要的電極與連線；10、沉積第二和三層SiO2絕緣介質(zhì)層(用以第二、第三層金屬布線)；11、沉積Si3N4表面鈍化層。
與已有的硅光電探測器比較，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明有很寬的光譜響應(yīng)范圍，克服一般硅光電探測器短波響應(yīng)差的缺點(diǎn)；2、當(dāng)采用多探測器(探測器陣列)時(shí)，本發(fā)明本身就可以有很好的隔離作用，不需另外的隔離措施；3、制備工藝與商業(yè)的CMOS集成電路的工藝完全兼容，不需要對工藝做任何修改；4、采用商業(yè)的CMOS集成電路工藝，易與各種硅集成電路實(shí)現(xiàn)單片集成。


圖1為CMOS硅雙光電探測器結(jié)構(gòu)圖。
圖2為CMOS雙PN光電探測器使用實(shí)例。在圖2中，VDD表示外接直流電源，Out表示輸出，PD1表示光電探測器1，PD2表示光電探測器2。
圖3為CMOS雙PN光電探測器物理模型。在圖3中，ARC表示抗反射膜、P+表示表示P型重?fù)诫s硅、N-well表示N阱、P-Sub表示P型硅襯底、W1與W2分別是P+/N-well和N-well/P-sub之間的耗盡層厚度。Xw表示硅片厚度、Xp表示P+的厚度，Xn表示N+的厚度、W2n和W2p分別是W2在N阱與P-sub側(cè)的寬度。
圖4(a)、(b)、(c)、(d)為CMOS硅探測器光譜響應(yīng)曲線。在圖4(a)和(b)中，橫坐標(biāo)為波長Wavelength(μm)，縱坐標(biāo)為響應(yīng)度Responsivity(A/W)；在圖4(c)和(d)中，橫坐標(biāo)為反向偏壓Reverse Bias(V)，縱坐標(biāo)為響應(yīng)度Responsivity(A/W)。在圖4中，Vr——反向偏壓；R——反射系數(shù)；With ARC——有抗反射膜；Without ARC——無抗反射膜；PD1——光電探測器1；PD2——光電探測器2。
圖5為跨阻抗放大器原理圖。在圖5中，A——電壓放大器增益，Rfb——負(fù)反饋電阻，Iph——光電探測器等效電流源，CPD——光電探測器等效電容，Integrated photodiode——完整的光電二極管。
圖6為跨阻抗放大器實(shí)施例的電路組成框圖。在圖6中，+表示信號輸入為正、-表示負(fù)反饋。
圖7為跨阻抗放大器具體電路組成原理圖。在圖7中，MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN1b、MN2b、MN3b——各NMOS的名稱；MP1、MP2、MP3——各PMOS的名稱；Rfb——反饋電阻、Cfb——反饋電容；R1——頻率補(bǔ)償電阻、C1——頻率補(bǔ)償電容；PD——硅雙光電探測器；VDD——接外部直流電源；GND——接地；VB——接外部偏置電壓；Vout電壓輸出。
圖8為跨阻抗放大器的直流特性曲線。在圖8中，橫坐標(biāo)為Current X(lin)(Amps)——電流(線性)(安培)，u——10-6；縱坐標(biāo)為Voltages(lin)——電壓(線性)。
圖9為跨阻抗放大器的頻率特性曲線。在圖9中，橫坐標(biāo)為Frequency(log)(HERTZ)——頻率(對數(shù))(赫茲)，K——103，X——106，g——109；縱坐標(biāo)為Volts dB(lin)——電壓分貝(線性)。
圖10為跨阻抗放大器的瞬態(tài)特性曲線(30MHz)。在圖10中，橫坐標(biāo)為Time(lin)(TIME)——時(shí)間(線性)(定時(shí))，u——10-6，n——10-9；縱坐標(biāo)為Currents(lin)——電流(線性)；Voltages(lin)——電壓(線性)。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
參見圖1，在圖1中，P-Substrate表示P型硅襯底，N-Well表示N阱，P-Well表示P阱，P+表示P型重?fù)诫s，N+表示N型重?fù)诫s，AL表示金屬鋁，SiO2表示表面絕緣介質(zhì)層(按制備順序從下至上共3層)，Si3N4表示表面鈍化層。
圖1所示的CMOS硅雙光電探測器包含兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)的光電探測器P+/N-well和N-well/P-sub，分別稱為PD1和PD2，其中AL與N+形成歐姆接觸，作為探測器的陰極，在該結(jié)構(gòu)中PD1和PD2的陰極是公共的。N阱內(nèi)的P+與其接觸的AL形成歐姆接觸，作為PD1的陽極；P阱內(nèi)的P+與其接觸的AL形成歐姆接觸，作為PD2的陽極。
PD1和PD2這兩個(gè)探測器對光譜響應(yīng)有著不同的作用，可以有多種使用方法，圖2給出了其中兩種。如果用于高速率情況，比如650～850nm的光通信中用的光接受機(jī)，就只能使用PD1作為光信號采集用探測器，PD2可作為屏蔽二極管，使用方法如圖2(a)；而當(dāng)用于一些比較低速率情況時(shí)，如光盤系統(tǒng)的讀取頭、光電檢測系統(tǒng)等低速率要求的場合就可以同時(shí)采用PD1和PD2，使用方法如圖2(b)。圖中OUT端為探測器輸出端，一般與放大器連接。這里的雙探測器一方面是指有PD1和PD2這兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)的光電探測器，同時(shí)也指他們同時(shí)使用的情況，如圖2(b)。當(dāng)采用圖2(b)的使用方法時(shí)，其中PD1與PD2的陽極需要連接在一起?？紤]到探測器與處理電路的連接問題，這里可選擇采用第一層金屬連接。
上述兩個(gè)探測器對光譜響應(yīng)有著不同的作用。光電探測器的光電流由兩部分組成，一是耗盡區(qū)內(nèi)光生載流子的漂移電流；二是非耗盡區(qū)內(nèi)光生載流子的擴(kuò)散電流。N阱的摻雜濃度比較高，因此P+(1)/N-well之間的耗盡區(qū)很窄且在硅表面附近；而N-well/P-sub之間的耗盡區(qū)位于距表面相對較深的位置，所以在襯底深處的光生載流子擴(kuò)散到PD2的耗盡區(qū)就被吸收了，PD1只有N阱內(nèi)少量短途擴(kuò)散的載流子。在近紅外光波段內(nèi)，硅的吸收系數(shù)較小，大部分光生載流子產(chǎn)生于距入射面較深處；而在短波長可見光至紫外光范圍內(nèi)，硅的光吸收系數(shù)大，大部分的光生載流子將產(chǎn)生于硅的表面附近。所以器件PD1的長波長響應(yīng)度很低，而可以有比較高的短波響應(yīng)；器件PD2的短波長響應(yīng)度較低，而可以有比較高的長波長響應(yīng)。從響應(yīng)的速率方面考慮，非耗盡區(qū)的光生載流子的擴(kuò)散的影響是一個(gè)很重要的因素之一。N-well/P-sub實(shí)現(xiàn)的PD2探測器由于襯底非耗盡區(qū)的光生載流子的長距離擴(kuò)散，在脈沖激勵(lì)時(shí)會(huì)存在“拖尾”現(xiàn)象。PD1的光電流主要是表面耗盡區(qū)內(nèi)光生載流子的漂移電流，因此器件PD1響應(yīng)速率要比器件PD2快很多，但T.k.Woodward等研究表明這種由N-well/P-sub實(shí)現(xiàn)的光電探測器也可以實(shí)現(xiàn)155Mb/S的接收速率。因此，如果是在高速率應(yīng)用，比如650~850nm的光通信中用的光接受機(jī)，就只能使用PD1作為光信號采集用探測器，PD2可作為屏蔽二極管，使用方法如圖2(a)；而一些比較低速率的應(yīng)用，如光盤系統(tǒng)的讀取頭等就可以采用同時(shí)采用PD1和PD2，使用方法如圖2(b)。
本發(fā)明的器件物理模型與數(shù)值計(jì)算如下以下將詳細(xì)從器件物理模型和理論上計(jì)算該結(jié)構(gòu)的CMOS硅光電探測器的光譜響應(yīng)。圖3給出了圖2所示的CMOS雙PN硅光電探測器的簡化一維物理模型。
在圖3中，從上往下各層分別是CMOS電路中的介質(zhì)與鈍化層(在這里作為探測器的抗反射膜ARC)、P+(厚度Xp)、N阱(厚度Xn)、P襯底(硅片厚度為Xw)。W1與W2分別是P+/N-well和N-well/P-sub之間的耗盡層厚度。在這里因?yàn)镻+的摻雜濃度遠(yuǎn)大于N阱的摻雜濃度，所以可以認(rèn)為W1基本都在N阱一側(cè)；W2n和W2p分別是W2在N阱與P-sub側(cè)的寬度。W1與W2滿足以下關(guān)系W=2ϵsq(NA+NDNAND)(Vbi-2KTq-V)---(1)]]>其中εs為硅的介電常數(shù)，內(nèi)建電勢Vbi=KTqIn(NANDni2)---(2)]]>對應(yīng)W1和W2式中NA分別為P+和P-sub的摻雜濃度，ND為N阱的摻雜濃度；V為外加偏置電壓。而W2n=NANA+NDW2,W2P=NDNA+NDW2---(3)]]>設(shè)入射光光功率為Pin、波長為λ、能量為hυ、器件表面反射系數(shù)為R、探測器的光敏面積為A，則器件表面單位面積的入射光子通量為φ0＝Pin(1-R)/Ahυ，那么器件內(nèi)距離表面x處的光生載流子產(chǎn)生率G(x)可表示為G(x)＝φ0αexp(-αx) (4)其中α為吸收系數(shù)，是波長λ(或能量hυ)的函數(shù)。
根據(jù)式(1)～(3)以及CMOS工藝條件可以判斷，在一般使用反向偏壓下N阱都是未完全耗盡的，因此僅討論這種情況下PD1和PD2的響應(yīng)度。PD1光電探測器的總的電流密度為J1＝JP++Jw1+JN-w1；PD2光電探測器的總的電流密度為J2＝JN-w2+Jw2+Jsub。按圖2(b)方法使用時(shí)，總的電流密度J0＝J1+J2。基于上述的假設(shè)與近似，下面給出小注入、短路及穩(wěn)態(tài)下各區(qū)的電流密度(正方向取由N到P)(1)P+區(qū)P+區(qū)光生少子(電子)主要以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主，其穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程與邊界條件為∂2Δn(x)∂x2-Δn(x)Ln2=G(x)Dn---(5)]]>x=0Dn∂Δn(x)∂x=S·Δn(x)---(6)]]>x＝xpΔn(x)＝n(x)-np0＝-np0(7)其中Δn(x)為P+區(qū)的x處的非平衡電子濃度，Dn、Ln分別是P+區(qū)電子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長度，S為表面復(fù)合速度，np0是P+區(qū)中電子的平衡濃度。由式(4)~(7)可得P+區(qū)的光電流密度Jp+=-Dnq∂Δn(x)∂x|x=xp=qαφ0Ln2α2Ln2-1{(αDn+S)-[DnLnsh(xpLn)+S·ch(xpLn)]exp(-αxp)Dnch(xpLn)+S·Lnsh(xpLn)-α·exp(-αxp)}]]>+qDnnp0sh(xpLn)+S·ch(xpLn)Dnch(xpLn)+S·Lnsh(xpLn)---(8)]]>(2)P+/N-well耗盡區(qū)耗盡區(qū)的光電流主要由光生載流子的漂移產(chǎn)生，所以該區(qū)的光電流密度Jw1=q∫xpxp+w1G(x)dx=qφ0exp(-αxp)[1-exp(-αw1)]---(9)]]>(3)N阱未耗盡區(qū)N阱未耗盡區(qū)光生少子(空穴)主要以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主，其穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程與邊界條件為∂2Δp(x)∂x2-Δp(x)Lp2=-G(x)Dp---(10)]]>x＝xp+w1Δp(x)＝p(x)-pn0＝-pn0(11)x＝xn-w2nΔp(x)＝p(x)-pn0＝-pn0(12)Δp(x)為N阱未耗盡x處的非平衡電子濃度，Dp、Lp分別是該區(qū)空穴的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長度，pn0是該區(qū)中空穴的平衡濃度。由式(4)以及式(10)～(12)可得Δp(x)＝kpexp(-αx)+c1exp(x/Lp)+c4exp(-x/Lp)其中kp=-αφ0Lp2Dp(α2Lp2-1)---(13)]]>c1={pn0+kpexp[-α(xp+w1)]}exp(xp+w1Lp)exp(-xn-w2nLp)-kpexp[-α(xn-w2n)]-pn0exp(xn-w2nLp)-exp[2(xp+w1)Lp]exp(-xn-w2nLp)---(14)]]>
c2={pn0+kpexp[-α(xp+w1)]}exp(-xp+w1Lp)exp(xn-w2nLp)-kpexp[-α(xn-w2n)]-pn0exp(-xn-w2nLp)-exp[-2(xp+w1)Lp]exp(xn-w2nLp)---(15)]]>在該區(qū)域產(chǎn)生的光生少子(空穴)有一部分向P+/N-well耗盡區(qū)擴(kuò)散，影響PD1的光電流；而另外一部分則向N-well/P-sub耗盡區(qū)擴(kuò)散，影響PD2的光電流。因此需將這兩者分開進(jìn)行討論。這里我們假設(shè)該區(qū)域產(chǎn)生的光生少子向兩邊耗盡層擴(kuò)散的概率相同，所以可以得到影響PD1的光電流密度JN-w1=Dpq∂[Δp(x)/2]∂x|x=xp+w1]]>=12Dpq{-kpα·exp[-α(xp+w1)]+c1Lpexp(xp+w1Lp)-c2Lpexp(-xp+w1Lp)}---(16)]]>影響PD2的光電流密度JN-w2=-Dpq∂[Δp(x)/2]∂x|x=xn-w2n]]>=-12Dpq{-kpα·exp[-α(xn-w2n)]+c1Lpexp(xn-w2nLp)-c2Lpexp(-xn-w2nLp)}---(17)]]>(4)N-well/P-sub耗盡區(qū)該耗盡區(qū)的光生電流密度Jw2=q∫xn-w2nxn+w2pG(x)dx=qφ0exp(-αxn)[exp(αw2n)-exp(-αw2p)]---(18)]]>(5)P襯底區(qū)P襯底區(qū)光生少子(電子)以擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主，其穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程形式與式(5)相同，邊界條件為x＝xn+w2pΔn(x)＝n(x)-nps0＝-nps0(19)x＝xwΔn(x)＝n(x)-nps0＝0(20)同樣，可以得到P襯底區(qū)光電流密度
Jsub=Dnsq∂Δn(x)∂x|x=xn+w2p]]>=qαLnsφ0α2Lns2-1{αLns+exp[-α(xw-xn-w2p)]csch(xw-xn-w2pLns)-cth(xw-xn-w2pLns)}]]>•exp[-α(xn+w2p)]+qDnsnps0Lnscth(xw-xn-w2pLns)---(21)]]>其中Dns、Lns分別是P襯底電子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長度，nps0是P襯底中電子的平衡濃度。各探測器的絕對光譜響應(yīng)由以下公式確定Resi＝Ji·A/Pin(i＝0、1、2)(22)從上面的表達(dá)式可以看出，反射系數(shù)R對電流密度的影響很大，所以光電探測器一般都會(huì)通過抗反射膜來減小表面發(fā)射來提高量子效率與響應(yīng)度。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中一般有以下4種材料可以覆蓋在硅襯底表面鋁、多晶硅、SiO2、Si3N4，其中SiO2、Si3N4可以用來做抗反射膜使用。但是在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中其厚度不能隨便改變，因此這種抗反射膜的效果并不是最好的。盡管如此，在硅探測器的光譜范圍內(nèi)SiO2、Si3N4對光的吸收可以忽略，考慮SiO2、Si3N4后的反射系數(shù)小于無此介質(zhì)和鈍化層的反射系數(shù)(約30％)。這種情況下的反射系數(shù)參考雙層光學(xué)薄膜的計(jì)算方法。
圖4是采用CSMC 6S05DPTM CMOS工藝條件下探測器的光譜響應(yīng)曲線。圖4(a)給出了無抗反射膜(R＝0.3)時(shí)PD1、PD2以及雙PD(PD1+PD2)的光譜響應(yīng)。-2.5V反向偏壓下，PD1的響應(yīng)峰值在光波長415nm左右，響應(yīng)度達(dá)到0.217A/W；PD2的響應(yīng)峰值在光波長810nm左右，響應(yīng)度為0.18A/W。按圖2(b)使用的雙PD，波長從400～900nm都有較高的響應(yīng)度，解決了一般硅光電探測器短波響應(yīng)差的缺點(diǎn)。這主要是由于PD1的P+很薄，P+/N-well耗盡區(qū)很接近器件表面，可以很好地克服“死層”問題。圖4(b)是-2.5V反向偏壓下雙PD在不同抗反射膜條件下的光譜響應(yīng)曲線。有介質(zhì)、鈍化層以后，總體的響應(yīng)度都比沒有反射膜時(shí)要高；其中的震蕩現(xiàn)象是由于反射系數(shù)受光波長的影響而導(dǎo)致。圖4(c)是雙PD探測器在不考慮抗反射膜條件下，各種光波長隨反向偏壓變化的光譜響應(yīng)曲線。由于P+/N-well耗盡區(qū)受偏置電壓的影響不大，所以在短波長探測器的響應(yīng)度隨反向偏壓的變化很??；N-well/P-sub耗盡區(qū)隨反向偏壓的增大而增加較大，所以反向偏壓的增大時(shí)650nm以上波長的響應(yīng)度會(huì)有比較明顯的提高。圖4(d)是不考慮抗反射膜、850nm光波長條件下，探測器隨反向偏壓變化的光譜響應(yīng)曲線。PD1的響應(yīng)度幾乎不受反向偏壓的影響，約0.03A/W左右；PD2以及雙PD的響應(yīng)度隨反向偏壓增大而增加，其原因同上面一樣是由兩個(gè)耗盡層受反向偏壓的影響不同而造成的。從圖4(d)中可以得到-5V反向偏壓下，850nm光波長PD1的響應(yīng)度約為0.03A/W；PD2的響應(yīng)度約為0.21A/W。
以下給出其響應(yīng)速度分析，光電探測器的響應(yīng)速度主要受兩個(gè)因素的影響載流子的擴(kuò)散時(shí)間和在耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間；結(jié)電容和負(fù)載電阻加上串聯(lián)電阻構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)。在不接外電路的情況下，探測器的響應(yīng)速度主要受前者的限制，由此造成對探測器的頻率限制稱為是光電探測器的固有頻率。而后者對應(yīng)地可以成為光電探測器的電器頻率，可以通過選擇合適的負(fù)載電路來改變它對OEIC的-3dB帶寬的影響。不考慮負(fù)載，在2.5V反向偏壓下，雙PD的固有頻率見表1表1雙PD的固有頻率

以下給出其放大處理電路，放大處理電路的任務(wù)是將光電探測器輸出的微弱的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并放大輸出，這種放大電路是一個(gè)跨阻抗放大器(transimpedanceamplifierTIA)，圖5為跨阻抗放大器的原理圖，它由電壓放大器A和負(fù)反饋電阻Rfb構(gòu)成。左邊虛線框中為光電探測器的等效電路，由一個(gè)等效電流源Iph和一個(gè)等效電容CPD組成，因此圖5也可以表示為光電探測器芯片(OEIC)的原理圖。
這里的TIA是結(jié)合前面設(shè)計(jì)的雙PD為CD光盤信號提取所用，所以其必須根據(jù)光盤信號的特點(diǎn)以及雙PD的特性來設(shè)計(jì)。從前面的分析，780nm波長，2.5V反向偏壓下雙PD的響應(yīng)度約為0.2A/W，100×50μm2有效光敏面的結(jié)電容約為2.2pF。這里TIA采用結(jié)構(gòu)如圖6因?yàn)殡pPD的結(jié)電容比較大，為了得到比較理想的帶寬，需要在保證穩(wěn)定性的前提下盡量提高放大器A的增益；同時(shí)高開環(huán)增益A可以得到高的閉還增益。因此這里考慮采用多級(3級，這由具體的單級放大器決定)來提高。輸出級用來獲得小的輸出阻抗。反饋電阻使整個(gè)電路構(gòu)成負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，由它把普通的電壓放大器變成跨阻抗放大器。具體的電路結(jié)構(gòu)如圖7第一級放大器MN1、MP1、MN1b；第二級放大器MN2、MP2、MN2b；第三級放大器MN3、MP3、MN3b；輸出級MN5、MN4、R1、C1；反饋元件Rfb、Cfb。其中MN1與MP1、MN2與MP2、MN3與MP3分別構(gòu)成推挽結(jié)構(gòu)的CMOS單端輸入放大器；MN1b、MN2b、MN3b分別用來限制每一級的增益，保證電路的穩(wěn)定性；MN5、MN4構(gòu)成源極跟隨器作為輸出級，R1、C1為實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，改善電路的頻率特性；Rfb和Cfb分別為反饋電阻反饋電容，Cfb也是用來改善電路的頻率特性。另外PD為前面設(shè)計(jì)的硅雙光電探測器。VDD接外部5V直流電源，GND接地，VB接外部2.5V直流電源，Vout為電壓輸出。
在CSMC 6S05DPTM工藝下，圖7中各器件的大小或幾何尺寸參見表2。
當(dāng)并聯(lián)外接10KΩ和10pF的負(fù)載時(shí)，TIA的主要仿真結(jié)果如下TIA的增益為173KΩ，頻率帶寬為50MHz。
表2

權(quán)利要求
1.CMOS硅雙光電探測器，其特征在于設(shè)有P型硅襯底、N阱、P阱、P型重?fù)诫s硅、N型重?fù)诫s硅、金屬鋁、場氧層、SiO2絕緣介質(zhì)層和Si3N4表面鈍化層，其中P型硅襯底、N阱、P阱、P型重?fù)诫s硅和N型重?fù)诫s硅設(shè)于同一硅片材料上，場氧層為對硅片進(jìn)行氧化在硅片表面生成的氧化硅，金屬鋁為通過濺射工藝沉積在硅片表面，按制備順序從下至上共3層SiO2絕緣介質(zhì)層通過沉積工藝附著在硅襯底上、Si3N4表面鈍化層通過沉積工藝附著在SiO2絕緣介質(zhì)層上。
2.如權(quán)利要求1所述的CMOS硅雙光電探測器，其特征在于所說的P型硅襯底、N阱、P阱、P型重?fù)诫s硅、N型重?fù)诫s硅、金屬鋁、場氧層、SiO2絕緣介質(zhì)層和Si3N4表面鈍化層的縱向結(jié)構(gòu)自下而上依次是第一層是低摻雜的P型硅襯底；第二層是N阱和P阱；第三層是N型重?fù)诫s硅、P型重?fù)诫s硅、場氧層、金屬鋁；第四層到第六層為三層的SiO2絕緣介質(zhì)層；第七層是Si3N4表面鈍化層。
3.如權(quán)利要求1所述的CMOS硅雙光電探測器，其特征在于所說的P型硅襯底、N阱、P阱、P型重?fù)诫s硅、N型重?fù)诫s硅、金屬鋁、場氧層、SiO2絕緣介質(zhì)層和Si3N4表面鈍化層的橫向結(jié)構(gòu)以N阱為中心對稱分布，N阱中心的上表面是P型重?fù)诫s硅，距離N阱邊緣不小于0.4μm的N阱上表面為N型重?fù)诫s硅，寬度不小于0.8μm；N阱內(nèi)的P型重?fù)诫s硅和N型重?fù)诫s硅由場氧層隔開，寬度不小于1μm；在N阱外圍是P阱，距離N阱不小于0.8μm的P阱上表面為P型重?fù)诫s硅，寬度不小于1.1μm；N阱內(nèi)的N型重?fù)诫s硅和P阱內(nèi)的P型重?fù)诫s硅由場氧層隔開，寬度不小于1.2μm；P阱內(nèi)其他部分為場氧層；金屬鋁附著在各個(gè)N型重?fù)诫s硅和P型重?fù)诫s硅上，其中N阱內(nèi)P型重?fù)诫s硅上的金屬鋁分布在其周邊靠近場氧層。
4.如權(quán)利要求1所述的CMOS硅雙光電探測器，其特征在于所說的P型硅襯底、N阱、P阱、P型重?fù)诫s硅、N型重?fù)诫s硅、金屬鋁、場氧層、SiO2絕緣介質(zhì)層和Si3N4表面鈍化層組成兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)的光電探測器P+/N-well和N-well/P-sub，分別稱為PD1和PD2，金屬鋁與N型重?fù)诫s形成歐姆接觸，作為探測器的陰極，光電探測器PD1和PD2設(shè)有公共陰極，N阱內(nèi)的P型重?fù)诫s與其接觸的金屬鋁形成歐姆接觸，作為光電探測器PD1的陽極；P阱內(nèi)的P+與其接觸的金屬鋁形成歐姆接觸，作為光電探測器PD2的陽極；按制備順序從下至上設(shè)有3層SiO2表面絕緣介質(zhì)層和Si3N4表面鈍化層。
5.如權(quán)利要求1所述的CMOS硅雙光電探測器制備方法，其特征在于其具體步驟為1)首先采用高阻的<100>P型的硅片作為襯底材料；2)在P型襯底上光刻N(yùn)-Well區(qū)，并采用離子注入工藝實(shí)現(xiàn)N-Well；3)光刻P-Well區(qū)，并采用離子注入工藝實(shí)現(xiàn)P-Well；4)光刻有源區(qū)N+和P+，采用氧化工藝實(shí)現(xiàn)場氧區(qū)；5)光刻N(yùn)+區(qū)，通過離子注入實(shí)現(xiàn)N+；6)光刻P+區(qū)，通過離子注入實(shí)現(xiàn)P+；7)沉積第一層SiO2絕緣介質(zhì)層；8)光刻接觸孔；9)沉積金屬鋁，并光刻實(shí)現(xiàn)需要的電極與連線；10)沉積第二和三層SiO2絕緣介質(zhì)層；11)沉積Si3N4表面鈍化層。
全文摘要
CMOS硅雙光電探測器，涉及一種光電集成電路，尤其是涉及一種CMOS硅光電探測器。提供一種與商業(yè)CMOS工業(yè)完全兼容的CMOS硅雙光電探測器及其制備方法。設(shè)有P型硅襯底、N阱、P阱、P型重?fù)诫s硅、N型重?fù)诫s硅、金屬鋁、場氧層、SiO
文檔編號H01L27/14GK1773712SQ200510118918
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者陳朝, 卞劍濤 申請人:廈門大學(xué)