雪崩二极管及其制造方法与流程

本公开涉及一种雪崩二极管及其制造方法。

背景技术：

单光子雪崩检测器(singlephotonavalanchedetector，spad)基于pn结器件，该pn结器件被偏置超过其击穿区域。高的反向偏置电压生成足够大的电场，从而使得被引入到pn结器件的耗尽层中的单个电荷载流子可引起自持雪崩。此电荷载流子可以通过光子的碰撞(碰撞电离)而被释放。spad可以被淬灭，允许该器件复位以便检测另外的光子。

技术实现要素：

根据一方面，提供了一种雪崩二极管，该雪崩二极管包括：pn结；第一深沟槽结构，该第一深沟槽结构与该pn结相邻；以及光子进行撞击所经由的区域，该pn结相对于该区域基本上纵向地延伸。

该雪崩二极管可以包括：第二深沟槽结构，该第二深沟槽结构在该pn结的与该第一深沟槽结构相反的一侧上。

该深沟槽结构可以包括导电材料和绝缘材料之一。

该导电材料可以包括多晶体硅或钨。

该绝缘材料可以包括氧化硅。

一些实施例可以提供一种雪崩二极管阵列，其中，每个雪崩二极管如先前所讨论的。

该雪崩二极管阵列可以包括：公共阳极，这些雪崩二极管耦合至该公共阳极；以及或门，该阵列的每个雪崩二极管的输出端耦合至该或门。

在该阵列中，该阵列中的该雪崩二极管中的至少一个雪崩二极管的沟槽结构之一可以与该阵列的一个或多个其他雪崩二极管共享。

根据另一方面，提供了一种制造雪崩二极管的方法，该方法包括：在衬底材料中提供第一沟槽；利用包括p掺杂剂和n掺杂剂中一种掺杂剂的材料来填充该第一沟槽；以及使该一种掺杂剂从该第一沟槽扩散并且由此提供pn结的一个部分。

该方法可以包括：在该衬底材料中提供第二沟槽；利用包括该p掺杂剂和该n掺杂剂中另一种掺杂剂的材料来填充该第二沟槽；以及使得该另一种掺杂剂从该第二沟槽扩散以便提供该pn结的另一部分。

该方法可以包括：该衬底包括该p掺杂剂和n掺杂剂中的另一种掺杂剂。

该方法可以包括：在使得p掺杂剂和n掺杂剂中的该一种掺杂剂进行扩散之后，从该第一沟槽移除该材料；利用具有该p掺杂剂和n掺杂剂中另一种掺杂剂的材料来填充该第一沟槽；以及使另一种掺杂剂从该第一沟槽扩散以便提供该pn结的另一部分。

该方法可以包括：通过对该衬底进行退火来使该p掺杂剂和n掺杂剂中的该一种掺杂剂进行扩散。

该方法可以包括：该材料为导电材料和绝缘材料之一。

该方法可以包括：形成雪崩二极管阵列。

该方法可以包括：形成雪崩二极管阵列，在该雪崩二极管阵列中每个雪崩二极管共享这些雪崩二极管所耦合至的公共阳极以及该阵列的这些雪崩二极管中的每个雪崩二极管的输出端所耦合至的或门。

附图说明

现将仅通过示例的方式参照附图，在附图中：

图1是具有淬灭和读出电路的spad的图示；

图2是已知spad的示意性横截面；

图3是根据实施例的spad的示意性平面图；

图4a至图4e示意性地示出了在制造图3的spad时的步骤；

图5示出了实施例的spad的横截面；

图6a示出了具有保护环的spad阵列；

图6b示出了不具有保护环的spad阵列；

图7a至图7d示意性地示出了根据另一实施例的在制造spad时的步骤；

图8a至图8e示意性地示出了根据另一实施例的在制造spad时的步骤；

图9示意性地示出了多个spad连接至同一正极的实施例；

图10a至图10c示意性地示出了根据一些实施例的对阵列中的单独spad或spad组的选择。

具体实施方式

单光子雪崩二极管(或者“spad”)也被称为盖革模式雪崩光电二极管gapd。这些器件具有反向偏置pn结，其中，光生载流子可由于碰撞电离机制而触发雪崩电流。spad可以被设计成用于以远高于击穿电压的反向偏置电压进行操作。

图1示意性地示出了单光子雪崩二极管(spad)101。spad101具有反向偏置pn结102。反向偏置pn结102具有高反向偏置电压(-v击穿)。由于此反向偏置电压，相对较高的电场被生成，从而使得注入到耗尽层中的单个电荷载流子经由碰撞电离而触发自持雪崩。换言之，在反向偏置pn结器件102上碰撞的光子释放单个电荷，该单个电荷触发释放大量电子从而导致大电流的连锁反应。

为了对器件102进行复位，电流被淬灭。在无淬灭的情况下，pn结器件102可能被永久性地损坏。

已知不同类型的淬灭。例如，可以使用无源或有源淬灭。例如，无源淬灭可以使用与spad串联的电阻器。当跨电阻器的相对较高值电阻而产生电压降时，雪崩电流被有效地淬灭。替代性地，可以使用有源淬灭。

图1示出了使用无源淬灭的示例。p型mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)100被设置为与pn结器件102串联并且连接在更正的电压v过与反向偏置pn结器件102之间。淬灭电压v淬灭被施加到mosfet100的栅极。有效地，mosfet100充当相对较高电阻的电阻器。

可在图1中示意性地看到在mosfet100与pn结器件102之间的节点106处的电压波形。最初，节点106的输出处于相对较高的电压。当光子在pn器件102上碰撞时，这使相对较大的电流迅速地流动，这使得节点106上的电压迅速地下降。由于施加了淬灭电压，节点106处的电压上升回至初始电压值。在节点106处的电压波形穿过逆变器104以给出方形波形，该波的低水平表示在光子撞击p-n器件之前以及淬灭之后的状态，并且高水平表示光子的撞击。逆变器104的输出可被提供给待处理的检测电路系统。例如，逆变器104的输出可被输入至计数器，该计数器每当逆变器的输出升高时进行计数。

应当理解的是，图1中示出的spad和淬灭安排仅是示例性的，并且替代性地可以使用其他结构。例如，可以使用有源淬灭。可以在实施例中使用其他的无源淬灭安排。

在一些实施例中，使用spad阵列。然而，应当理解的是，一些实施例可以与单个spad一起使用。

需要击穿电压以便将雪崩二极管放置在盖革操作区域中并且使pn器件如spad那样进行操作。击穿电压由pn器件两端的电压差来控制，而非在反向偏置pn结器件的任一侧的绝对电压值。

图2示出了如在硅中提供的已知单光子雪崩二极管(spad)的横截面。所有注入物的基极是被沉积在衬底(未示出)上的轻掺杂p-外延200。最深层或注入物是形成器件的阴极的深(或掩埋)n阱层210。阳极由在p阱230中的p+220材料层组成，而保护环240由轻掺杂p-外延层形成。为了向阴极提供良好的欧姆接触，提供了n阱250和n+260的区域。提供sti(浅沟槽隔离)270的区域以将此器件与同一晶片上的其他器件隔离。还示出了第一金属层280。

在此示例中的pn结由p阱和深n阱层形成。

尽管图2中示出的一般结构的spad适用于许多应用，但是这种类型的结构对于较长的波长(例如，在红外线或近红外线波长处)并不如此有效。这是因为，利用更长的波长，响应于撞击光子而生成的电子将通常会在pn结下面的硅阱中生成。这是因为更长的波长具有更大的穿透深度。那些电子可以进行重组或者由深n阱来收集。因此，通常将不会由spad对这些电子进行检测。

图2的安排具有保护环。该保护环用于防止边缘击穿。这是为了避免对在通常垂直于spad表面的pn结的边缘产生雪崩效应。然而，保护环相对较大，增大了阵列的尺寸。例如，保护环可以为大约3μm。

在保护环的边缘与相邻spad之间需要相对较大的间隙。那个间隙可以为大约5μm。这意味着每个spad和相关联电路系统相对较大。具有其相关联电路系统的spad有时被称为像素。

在图2中示出的spad可以具有在较长波长处相对较差的qe(量子效率)，因为收集量相对较小(图2中的spad的收集量为雪崩区域以及在其之上的p阱‘采集区域’)。由于同一原因，该抖动较低。pn结可以相对较大，这意味着可能具有相对较高的功耗。利用相对大的spad，该结将具有大电容，因此q再充电将相对较大。使用一定数量的较小spad来获取相同的敏感区域对于平面结而言效率较差，他们需要大保护环。

已经提出了具有更深的pn结。这可以由深n阱与衬底之间的结来提供。这将增大更长波长的qe。主载流子传输机制将是相对较慢的扩散。将会有相对高的载流子传输抖动。这意味着触发雪崩效应和随后淬灭的周期与先前的安排相比将更长。这是由于对增大的外延厚度的需要。

pn结必须电容性地耦合至感测节点。这是不期望的，因为用于电容性耦合所需的电容器相当大，从而消耗像素面积并且利用每个spad脉冲引起更大的功耗。

针对横向隔离需要相对较大的保护环。

先前讨论的这些选项中的每个选项需要针对不同spad的单独阱。不支持阱共享。

参考图3，其示意性地示出了实施例的雪崩二极管。图3是沿着垂直于光撞击二极管所来自的方向的平面的二极管的平面图。二极管的中心部分具有dti10。此dti被n掺杂区域14包围。该n掺杂区域被p区域16包围。该p区域被dti18包围。提供了所谓的纵向结，即相对于在其上接收光的横向平面是纵向的。

如在图3的安排中示出的，存在击穿区域(参考号为12)，该击穿区域由在pn结周围彼此相邻的n掺杂区域和p掺杂区域来提供。

该器件可以具有任何合适的尺寸。在一些实施例中，例如，可提供面积为2μm×2μm并且深度为6μm的spad。这些维度仅是示例性的并且在不同的实施例中可以具有不同的尺寸。例如，x-y维度可以在1μm至10μm的范围内。x和y维度可以相同或相似或不同。深度的范围可以从大约2.5μm(目前，这是用于针对可见光而优化的bsi工艺的硅的厚度)至约10μm。

当对结的深度进行选择时，存在需要考虑的两个因素。首先，该结的电容(以及因此功耗)随深度而增大，并且其次，深沟槽通常是利用rie(reactiveionetching，反应离子蚀刻)而制造的，该rie具有对沟槽维度的受限纵横比(～30∶1)制造。使沟槽深于～10μm使沟槽在顶部更宽。此外，沟槽侧壁的角度将产生随深度显著变化的击穿电压。

深度可能取决于期望功率与qe权衡。

仅通过示例的方式，击穿电压可以为大约19v。然而，应当理解的是，其他实施例可以具有不同的击穿电压。

由于纵向结不需要保护，因此在一些实施例中较大的spad(诸如关于图2所描述的)可以被替换为拼接在一起的多个更小的spad。稍后对此进行更详细的描述。当检测到光子时，这些结中仅一个结将会雪崩，这意味着消耗很少的功率。在一些实施例中，在此模式下的更小的spad具有单独的阳极连接以实现节能。

参考图4a至图4e，其示意性地展示了在图3中示出的制造spad的方法。

首先参照图4a。提供合适的衬底400。在一些实施例中，衬底可以是硅。在其他实施例中，衬底可以是任何其他合适的半导体。

在硅衬底上沉积光刻胶层402。如图4a示出的，光刻胶层的两个区域407已经被移除以暴露底层的硅。应当理解的是，这些区域中的每个区域可以包括具有一个在另一个内的矩形环。应当理解的是，该环可具有任何其他合适的形状。其他示例包括圆形或卵形形状。

所暴露区域的宽度可以为大约150nm至300nm。这两个区域可以间隔开大约200nm至5μm的距离。然而，应当理解的是，所需的距离将取决于一个或多个因素，诸如spad的应用以及所需的击穿电压。如果需要更高的击穿电压，则增大距离，反之亦然。

现参考图4b，执行dti蚀刻以提供沟槽。这可以是大约3μm至10μm的深度。

参照图4c。移除光刻胶层。然后填充沟槽。在其他实施例中，可以首先填充该沟槽并且然后移除剩余的光刻胶层。一个沟槽406填充有具有n掺杂剂的电绝缘材料，并且另一个沟槽408填充有具有p掺杂剂的电绝缘材料。n掺杂剂可以是任何合适的材料并且可以例如是磷、锑或砷。p掺杂剂可以是任何合适的材料并且可以例如是硼。电绝缘材料可以是任何合适的材料并且可以例如是氧化硅。

然后对衬底进行退火。所使用的温度将取决于材料但是可以在850℃至1050℃的范围内。可在相对较长的时间内执行退火，时间长度可以取决于结尺寸。n型掺杂剂和p型掺杂剂的扩散可以以大约每小时0.3μm的速率发生。由于具有相反掺杂剂类型的两个沟槽，因此小时数可以通过0.3×d/2来限定，其中“d”为这两沟槽之间以μm为单位的距离。针对用作示例的仿真结果，退火持续时间大约为2小时。然而，应当理解的是，可以基于特定的材料和尺寸来确定最适当的退火时间。

在图4d中示意性地示出了退火的结果。p掺杂剂和n掺杂剂已经扩散出各自的沟槽。因此，沟槽406包括电绝缘材料，从而使得该沟槽可提供隔离功能。n型掺杂剂围绕绝缘沟槽406形成n型区域。同样地，沟槽408包括电绝缘材料，从而使得沟槽可提供隔离功能。p型掺杂剂围绕绝缘沟槽408形成p型区域。pn结414形成于p型区域与n型区域之间。这是spadpn结。

参照图4e。提供了在n区域之上的电极418以及在p区域之上的电极416。

n区域和p区域因此通过沟槽扩散形成。这意味着可以避免用于形成这些区域的离子注入。离子注入对于更深的深度而言可能不是非常有效的机制，因为所需的注入能量可能引起注入损伤。

沟槽扩散机制可以在区域的整个深度上提供平滑且一致的雪崩区域。

应当理解的是，在一些实施例中，制造pn结在任何cmos(互补金属氧化物半导体)流动开始之前。因此，mos的热预算不受影响。这意味着可在相对较高的温度下并且在只要需要而没有任何不利后果的情况下执行退火。

pn结被形成为与dti区域406和408相邻。这意味着可以避免对保护区域的需要。pn结容易随外延深度而缩放，以便针对波长范围给出良好的qe，诸如nir。

如可见的，pn结通常垂直于硅的表面并且形成通常为纵向的击穿结。

在一些实施例中，该结延伸通过硅深度的相当大的一部分。这意味着qe性能可以得到改进。检测光子的可能性可以得到改进，例如利用更长的波长。由于该结通常纵向地延伸，因此可以在更宽的波长范围上实现良好的性能。这是因为不同的波长可以具有不同的穿透深度，并且由于结是纵向的，因此可以可靠地检测来自不同波长范围的光子。

使用纵向击穿结意味着通过衬底深度至少一大部分(如果并非全部的话)存在漂移场。这意味着可以具有相对较低的传输抖动或延迟。

在所示出的安排中，雪崩区域由dti在任一侧隔离。这意味着无需对保护环的需要或与相邻spad的其他隔离。正电极或负电极或者这两个电极可用作移动节点。

在另一实施例中，在沟槽填充工艺期间使用导电材料，而非使用电绝缘材料。例如，所使用的导电材料可以是多晶体硅或钨。在此修改中，电触点被放置在沟槽填充物上。如先前示例中所讨论的，使用n掺杂剂和p掺杂剂。

利用导电沟槽，电触点可以被直接放置在沟槽上。针对绝缘沟槽填充物，该触点被放置在沟槽旁边的掺杂阱上。这可以在表面附近产生高电场区域。利用导电沟槽，触点可进一步被分开放置。这可以使得器件更易于制造并且性能更高(如果使用导电沟槽填充物来制造的话)。然而，应当理解的是，在一些实施例中，使用绝缘沟槽填充物可能是有利的，因为可以减少光学串扰。这是由于绝缘氧化物与硅相比的折射率。

使用实施例，可能由于纵向结而不具有现有技术spad的保护环。利用现有技术的非常大的spad，该结将具有大电容，因此q再充电将较大。因此使用一定数量的较小spad来获取相同的敏感区域对于平面结而言效率较差，因为它们需要具有现有技术安排的大保护环。相比之下，由于一些实施例的纵向结安排不需要保护环，因此可用为拼接在一起的多个较小的spad来代替较大的spad。当检测到光子时，这些结中仅一个结将会雪崩，这意味着消耗很少的功率。稍后对此进行更详细的描述。

在一些实施例中，可以形成如现在将参照图7a至图7d所描述的单个沟槽。

首先参照图7a。提供合适的衬底700。在一些实施例中，该衬底掺杂有p型掺杂剂。在其他实施例中，该衬底掺杂有n型掺杂剂。

在硅衬底上沉积光刻胶层702。如图7a中示出的，光刻胶层的一个区域707已经被移除以暴露底层的硅。

现参照图7b，执行dti蚀刻以提供沟槽。

参照图7c。移除光刻胶层并填充沟槽。这些可以以任何顺序发生。沟槽706填充有具有n掺杂剂(或在衬底为n掺杂的情况下的p掺杂剂)的材料。诸如上文所讨论的，该材料可以是导电或绝缘的。

然后对衬底进行退火。图7d中示意性地示出了退火的结果。衬底中的p掺杂剂和扩散出沟槽的n掺杂剂提供pn结。需要进行退火以使掺杂剂扩散出沟槽并进入衬底中。这产生了更平滑的结并允许控制击穿电压。掺杂剂在所有方向上从沟槽向外扩散，因此pn结有效地‘包绕’沟槽，如在图6b中通过‘圆角四边形’示出的。

现参照图8a至图8d，其示出了使用单沟槽技术的另一实施例。

首先参照图8a。提供合适(无掺杂)衬底800。

在硅衬底上沉积光刻胶层802。如图8a中示出的，光刻胶层的一个区域807已经被移除以暴露底层的硅。

现参照图8b，执行dti蚀刻以提供沟槽。

参照图8c。未移除光刻胶层但填充沟槽。沟槽806填充有具有p掺杂剂(或在替代方案中n掺杂剂)的材料。诸如上文所讨论的，该材料可以是导电或绝缘的。

然后对衬底进行退火以将p(或n)掺杂剂扩散到衬底中。如图8d示意性地示出的，执行另一dti蚀刻以从沟槽810移除材料。

如图8e示出的，移除光刻胶层并且填充沟槽。这些可以以任何顺序发生。沟槽810填充有具有n掺杂剂(或在替代方案中p掺杂剂)的材料。诸如上文所讨论的，该材料可以是导电或绝缘的。然后对衬底进行退火以产生pn结。

在一些实施例中，提供了spad阵列600。图6中示出了这种阵列的示例。在图6中示出的示例中，该阵列为spad601的4×4阵列。然而，这是仅通过示例的方式，并且在其他实施例中，该阵列可以比图6中示出的阵列更大或更小。

与诸如图2中示出的安排相比，一些实施例的像素节距可以不由n阱间隔来主导。因此，可更接近于spad而提供与spad相关联的电路系统，产生了更紧凑的像素。在一些实施例中，可能使多个spad连接至单个感测节点。这可以降低每光子的功耗。

一些应用可能需要相对较大的信号量，以及因此较大的spad。由于纵向结击穿电压取决于x-y维度，因此在一些实施例中，可以将多个纵向结spad拼接在一起以形成更大spad(具有纵向结所提供的更好的qe)的等同物。

在上述情况下，连接spad(其一起形成spad的等同物)的一种方式将为将所有其阳极连接在一起。这将引起与‘正常’spad相同的操作，但可能不会提供任何节能。替代性地，该spad以‘或’方案连接，如图9中示出的，其示意性地表示连接至同一阳极904的每个单独spad902，其中，在‘或’门906处收集每个spad栅极的输出。这样做将意味着仅雪崩spad上的电压正在发生变化，因此仅雪崩spad正在消耗功率。这可以具有以下优点：使得其他spad在此spad的再充电时间期间可用于检测进一步光子。

应当理解的是，利用spad阵列，可能的是对哪些spad被使能进行选择性控制。因此，在图6中示出的安排中，可以使能所有spad。替代性地，可以使能单个spad。替代性地，可以使能两个或更多个spad的子集。在一些实施例中，可以实现电子开孔。

单个spad使能：这需要每spad的控制信号，并且在图10a中被示意性示出。每个spad像素1002包含多个单独spad1008。每个spad分配有spda使能1010，以通过使用sram1012在像素内进行单独spad控制。在一些实施例中，可以在阵列中使用多个spad像素。这允许控制关于spad阵列的哪些spad被使能并且由此能够检测光子。

图10b示出了多个spad像素1002的情况。每个像素分配有行使能1004a-c和列使能1006a-c；应当理解的是，可以使用任何数量的行或列。组合地，选择适当的行使能1004、列使能号1006以及spad使能号1010允许从spad像素阵列中选择单独spad1008，每个像素包含多个spad。

组spad使能：图10c描绘了如图10a中的像素内的spad阵列，但是，该spad阵列被划分为若干组，例如，一组针对图10c的12个spad的外部环1014，一组针对内部4个spad1016，以及仅包含4个内部spad1018之一的一‘组’。可以为每个组分配组使能1020。在图10c的示例安排中，使用组使能1020的两个控制信号以及两个sram单元1012允许选择spad像素内的内部四个spad1018、内部四个spad1016或所有16个spad之一。应当理解的是，此示例仅是说明性的；在其他实施例中，可以使用不同组安排。

图6a示出了spad具有两种沟槽结构的安排，并且图6b示出了spad具有一种沟槽结构的安排。

与一些已知的安排相比，可以提供实施例，其中可在给定面积中提供更多的spad。在安排中，例如，诸如图2中示出的，对保护环的需要是增加给定面积中的spad的密度的限制性因素。相比之下，一些实施例提供紧致结构，就像dti在spad之间提供屏蔽。在一些实施例中，每个spad将具有两个dti。在其他实施例中，外部dti将由那个边缘的任一侧的spad沿着给定边缘进行共享。在共享dti的实施例中，在dti的一侧的p区域将为一个spad的一部分，并且在dti的另一侧的p区域将为另一spad的p区域。

示例实施例已经示出了采用特定取向的p区域和n区域。在其他实施例中，p区域和n区域可以调换。

一些实施例可以与bsi(背面照明)类型的结构一起使用。这意味着光子经由与电极相反的表面撞击spad。

在一些实施例中，金属层可以设置在所产生的半导体上，与光子进行撞击所经由的表面相反。因此，光子可以从此金属反射。这意味着可支持大于外延层的实际深度的波长的穿透深度。可以支持高达外延层深度的两倍的穿透深度。

应当理解的是，其他实施例可以与前侧照明一起使用。应当理解的是，在那些实施例中，可能需要暴露击穿区以上的区域以便能够接收撞击光子。

spad可以在广泛的应用中使用。例如，spad可以用于tof(飞行时间)应用。仅通过示例的方式，一些spad可以用于手势检测、汽车应用和深度映射。汽车应用可以包括检测用户指令并且检测车辆周围的物体。

一些实施例可以提供以下优点中的一项或多项：改进的可伸缩性；近ir波长的改进qe。

在以上描述了具有不同变体的各种实施例。应当指出的是，本领域技术人员可以组合这些各种实施例和变体的各种要素。

这种变更、修改和改进旨在作为本公开内容的一部分，并且旨在在本发明的范围内。因此，前面的描述仅是示例性的并不旨在为限制性的。本发明仅根据下面的权利要求书及其等效物中所限定的那样进行限制。