增强近红外量子效率的钳位型光电二极管及其制备方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种增强近红外量子效率的钳位型光电二极管及其制备方法。

背景技术：

激光测距技术具有精度高、测量速度快等优点，被广泛应用于汽车、人工智能、游戏、机器视觉等行业领域，有着广阔的应用前景。

tof是飞行时间(timeofflight)技术的缩写，即光源发出经调制的探测光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来计算被测物体的距离。出于安全性考虑，多采用近红外光作为探测光，以避免对人眼的伤害，因而要求接收回波信息的光电二极管对近红外光具有很好的吸收，以便分析获取目标物体的距离。

对于同种半导体材料，吸收系数和入射深度与入射光的波长有关，波长越长吸收系数越小，入射深度就越大，它们之间的关系如图1所示。对于波长较长的近红外光而言，需要足够的深度才能吸收。因此光电二极管的n型掺杂区需要形成较深的结深，以便充分吸收近红外光，提升量子效率。

钳位型光电二极管通常包括p型衬底和设置在p型衬底上的p型外延层，通常p型外延层的厚度在10μm左右，形成的耗尽区深度有限，导致对近红外光吸收困难。要提升吸收效果，需要显著增加外延层的厚度至20μm以上，形成较深的pn结。而结深的增加导致n型掺杂区体区变大、光生载流子增多，使体区串扰极易产生，造成光生载流子在电荷积分期间泄漏至fd中；同时，较深的pn结也为制备工艺带来挑战，需要优化n型掺杂区的制备工艺，以在保证响应的前提下获得较高的量子效率。因此，需要针对红外吸收的钳位型光电二极管开发新的结构和制备方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种增强近红外量子效率的钳位型光电二极管及其制备方法，解决现有技术中光电二极管对近红外光的吸收较差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种增强近红外量子效率的钳位型光电二极管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在p型外延层围绕有源区边缘制备浅槽隔离区；

步骤2，向p型外延层中分四次注入p型材料形成p阱隔离区；

步骤3，第一次退火处理；

步骤4，在p型外延层的上表面形成多晶硅栅，并对多晶硅栅进行刻蚀，得到传输栅；

步骤5，在p型外延层中分两次注入n型材料形成n型掺杂区；

步骤6，在传输栅侧壁制备侧墙；

步骤7，在n型掺杂区中制备钳位层；

步骤8，在p阱隔离区上部注入n型材料形成悬浮扩散节点；

步骤9，第二次退火处理。

进一步地，所述p型材料为三族元素离子或三族元素离子的化合物。

进一步地，所述向p型外延层中分四次注入p型材料形成p阱隔离区时，每次注入p型材料的能量依次增大，每次注入p型材料的倾斜度相同。

进一步地，所述p型外延层中分四次注入p型材料形成p阱隔离区，包括：

第一次：注入p型材料能量为13kev～16kev，注入p型材料的剂量为1×10¹¹cm^-2～3×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°；

第二次：注入p型材料能量为28kev～35kev，注入p型材料的剂量为2×10¹¹cm^-2～4×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°；

第三次：注入p型材料能量为85kev～100kev，注入p型材料的剂量为1×10¹¹cm^-2～3×10¹²cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°；

第四次：注入p型材料能量为280kev～315kev，注入p型材料的剂量为3×10¹²cm^-2～4×10¹³cm^-2，注入p型材料时的倾斜度为0°～2°。

进一步地，所述步骤3中第一次退火处理，退火温度为1050℃～1200℃，时间为18s～24s。

进一步地，所述n型材料为五族元素离子或五族元素离子的化合物。

进一步地，在p型外延层中分两次注入n型材料形成n型掺杂区时，每次注入n型材料的能量相同，每次注入n型材料的剂量减小，每次注入n型材料的倾斜度减小。

进一步地，所述在p型外延层中分两次注入n型材料形成n型掺杂区，包括：

第一次注入n型材料的能量为190kev～250kev，注入n型材料的剂量为1×10¹²cm^-2～3.5×10¹³cm^-2,倾斜度为3°～7°；第二次注入n型材料的能量为190kev～250kev，注入n型材料的剂量为1×10¹¹cm^-2～9×10¹²cm^-2,倾斜度为0°～2°。

进一步地，所述步骤8中第二次退火处理，退火温度为950℃～1050℃，时间为8s～14s。

本发明还包括一种增强近红外量子效率的钳位型光电二极管，包括p型外延层和在其下部的p型衬底，所述p型外延层的上表面设有传输栅；

所述p型外延层的上部设置有钳位型光电二极管和悬浮扩散节点，所述悬浮扩散节点和钳位型光电二极管分别沿电荷的转移方向设置在传输栅的两侧；

所述钳位型光电二极管包括n型掺杂区和钳位层，所述钳位层设置在n型掺杂区的上部；

所述p型外延层上还设置有p阱隔离区，所述悬浮扩散节点位于p阱隔离区内，且p阱隔离区的左边界位于传输栅二分之一处至悬浮扩散节点的边界之间。

进一步地，所述p型外延层的上部围绕有源区边缘设有浅槽隔离区。

进一步地，所述n型掺杂区的右边界位于钳位层的右边界和p阱隔离区的左边界之间。

进一步地，所述p阱隔离区通过掺杂p型材料形成，且p阱隔离区掺杂p型材料的浓度高于p型外延层掺杂p型材料的浓度。

进一步地，所述p阱隔离区通过非均匀掺杂p型材料形成。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明通过在p型外延层中分两次注入n型材料，形成具有较深深度的n型掺杂区，实现n型材料在深结处的掺杂，保证衬底耗尽区对近红外波段的吸收，提高量子效率；同时，通过在悬浮扩散节点的周围设置p阱隔离区将悬浮扩散节点包裹隔离，防止n型掺杂区体区变大所导致的光电二极管的光生电子在电荷积分期间泄漏至悬浮扩散节点中。

附图说明

图1是同种半导体材料中吸收入射光的吸收系数与入射深度和入射光波长之间的关系示意图；

图2是本发明增强近红外量子效率的钳位型光电二极管的结构示意图。

图中符号代表为：1—p型衬底；2—p型外延层；3—p阱隔离区；4—悬浮扩散节点；5—传输栅；6—钳位层；7—浅槽隔离区；8—n型掺杂区；9—p型外延层。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明中所指的左、右分别为图1中的左、右。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1

图2示出增强近红外量子效率的钳位型光电二极管，包括p型外延层2和在其下部的p型衬底1，p型外延层2的上表面设有传输栅5；

p型外延层2的上部设置有钳位型光电二极管和悬浮扩散节点4，悬浮扩散节点4和钳位型光电二极管分别沿电荷的转移方向设置在传输栅5的两侧；

钳位型光电二极管包括n型掺杂区pdn8和钳位层pinned6，其中钳位层pinned6设置在n型掺杂区pdn8的上部；

为了防止光电二极管ppd内的光生电子在电荷积分期间泄漏至悬浮扩散节点4中，p型外延层2上还设置有p阱隔离区3，悬浮扩散节点4位于p阱隔离区3内，且p阱隔离区3的左边界位于传输栅5二分之一处至悬浮扩散节点4的边界之间。这样，当传输栅5导通时，即在传输栅5上加有足够大的电压时，传输栅5下部的p型区反型，形成沟道区，把n型掺杂区pdn8与悬浮扩散节点4连通，形成导电沟道，从而将光电二极管ppd内的光生电子转移至悬浮扩散节点4中存储。

p阱隔离区3边界至悬浮扩散节点4边界的最小距离与p阱隔离区3的p型材料的掺杂浓度相关，掺杂浓度越高，最小距离的值越小。同时该最小距离还会受n型掺杂区的结深和浓度的影响。

p型外延层2的上部围绕有源区边缘设有浅槽隔离区sti7，用于实现与相邻像素单元的隔离。钳位层6和悬浮扩散节点4与浅槽隔离区7间隔一定距离。

本实施例中的n型掺杂区8的右边界位于钳位层6的右边界6和p阱隔离区3的左边界之间，n型掺杂区8与传输栅5有交叠区域相互接触。

本实施例中的悬浮扩散节点4的深度为0.1μm～1.1μm。本实施例中的n型掺杂区8具有较深的深度，为实现所需深度，n型材料分多次注入，并通过调整注入能量、时间和剂量以及退火工艺，实现n型材料在深结处的掺杂，来保证衬底耗尽区对近红外波段的吸收，提高量子效率。

钳位层6通过p型材料的重掺杂而形成，p型材料的注入，使表面不饱和键失去活性，有效减小了该区域暗电流的产生；同时，钳位层6与n型掺杂区8在表面也形成一个pn结，将光生电子的耗尽区与si-sio2界面隔离开来，并很好地限制在耗尽区内，降低了暗电流的产生。

本实施例中的n型材料为五族元素离子或其化合物，例如磷、砷、氮等元素；p型材料为三族元素离子或其化合物，例如硼、镓等元素。

相较于传统的n型掺杂区，本实施例中的n型掺杂区8产生了更多的光生电子，且所占体区也大大增加，因此极易产生体区串扰，光生电子泄漏至悬浮扩散节点4中。为防止串扰，本实施例中在悬浮扩散节点4周围设置了p阱隔离区3。

本实施例中的p阱隔离区3通过掺杂p型材料形成，且p阱隔离区3掺杂p型材料的浓度高于p型外延层2掺杂p型材料的浓度。

特别地，为防止n型掺杂区8倒三角形状的出现，优选为上重下轻的注入方式，p阱隔离区3通过非均匀掺杂p型材料形成。本实施例中为满足对近红外光的吸收，需要增加p型外延层的厚度至20μm～25μm。

实施例2

本实施例提供了增强近红外外量子效率的钳位型光电二极管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在p型外延层2围绕有源区边缘制备浅槽隔离区7；

步骤2，向p型外延层2中分四次注入p型材料形成p阱隔离区3；

p阱区域的制备工艺将直接影响n型掺杂区的形状，进而影响光生电子的产生。优选地，采用分次注入，注入能量逐次升高的方式，以便硼离子的浓度由上至下逐渐降低，防止n型掺杂区形成倒三角形状，减少了光生电子的产生。

具体地，本实施例中所注入的p型材料为硼离子，其中，p型外延层2中分四次注入p型材料形成p阱隔离区3，包括：

第一次：注入能量为13kev～16kev，注入硼离子的剂量为1×10¹¹cm^-2～3×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°～2°；

第二次：注入能量为28kev～35kev，注入硼离子的剂量为2×10¹¹cm^-2～4×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°～2°；

第三次：注入能量为85kev～100kev，注入硼离子的剂量为1×10¹¹cm^-2～3×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°～2°；

第四次：注入能量为280kev～315kev，注入硼离子的剂量为3×10¹²cm^-2～4×10¹³cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°～2°。

步骤3，第一次退火处理；具体为在氮气环境下进行退火，退火温度为1050℃～1200℃，时间为18s～24s。

步骤4，在p型外延层2的上表面形成多晶硅栅，并对多晶硅栅进行刻蚀，得到传输栅5；

具体为在p型外延层2的上表面生长一层二氧化硅薄膜，形成栅氧化层，栅氧化层中包括沉淀的多晶硅，对栅氧化层中沉淀的多晶硅进行光刻，得到多晶硅栅，对多晶硅栅进行刻蚀，得到传输栅5。

步骤5，在p型外延层2中分两次注入n型材料形成n型掺杂区8；

本实施例采用砷离子作为n型材料，分两次进行注入，为了满足吸收近红外光所需的深度要求，第一次注入时，注入砷离子的能量为190kev～250kev，注入砷离子的剂量为1×10¹²cm^-2～3.5×10¹³cm^-2，倾斜度为3°～7°；第二次注入时，注入砷离子的能量为190kev～250kev，注入砷离子的剂量为1×10¹¹cm^-2～9×10¹²cm^-2，倾斜度为0°～2°。

在第二次注入砷离子时，倾斜度降低，有助于离子向深部注入，形成深结，以便吸收近红外光，提升量子效率。

本实施例中n型掺杂区距离浅槽隔离区0.05μm～0.15μm。

步骤6，在传输栅侧壁制备侧墙9；

步骤7，在n型掺杂区8中制备钳位层6；

本实施例通过在n型掺杂区上部注入氟化硼来形成钳位层，注入氟化硼的能量为15kev～25kev，注入氟化硼的剂量为2×10¹²cm^-2～5×10¹³cm^-2，倾斜度为0°～2°。

步骤8，在p阱隔离区3上部注入n型材料形成悬浮扩散节点4。

本实施例通过在p阱隔离区3上部注入磷来形成悬浮扩散节点4层，注入磷离子的能量为10kev～20kev，注入磷离子的剂量为1×10¹⁵cm^-2～8×10¹⁶cm^-2，倾斜度为0°～2°。

一方面，为了形成低电势，能够在传输栅导通时快速吸入光生电子，fd层的掺杂浓度高于n型掺杂区；另一方面，磷离子的注入需要将fd区域内p型反型为n型。所以，fd层的制备需要注入磷离子的剂量要远远高于n型掺杂区。

步骤9，第二次退火处理；具体为在氮气环境下进行退火，退火温度为950℃～1050℃，时间为8s～14s。

该退火过程有利于n型掺杂区的离子向深部扩散，增加结深，更好地吸收近红外光。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，当在p型外延层2中分四次注入硼离子形成p阱隔离区3时：

第一次：注入能量为13kev，注入硼离子的剂量为1×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为2°；

第二次：注入能量为28kev，注入硼离子的剂量为2×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为2°；

第三次：注入能量为85kev，注入硼离子的剂量为1×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为2°；

第四次：注入能量为280kev，注入硼离子的剂量为3×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为2°。

退火温度为1050℃，时间为18s。

在p型外延层2中分两次注入砷离子形成n型掺杂区：

第一次注入时，注入砷离子的能量为190kev，注入砷离子的剂量为1×10¹²cm^-2，倾斜度为7°；第二次注入时，注入砷离子的能量为190kev，注入砷离子的剂量为5×10¹¹cm^-2，倾斜度为2°。

退火温度为950℃，时间为8s。

依照上述参数制备的钳位型光电二极管对应的量子效率为23.3％。

实施例4

本实施例在实施例2的基础上，当在p型外延层2中分四次注入硼离子形成p阱隔离区3时：

第一次：注入能量为14kev，注入硼离子的剂量为5×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第二次：注入能量为30kev，注入硼离子的剂量为6×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第三次：注入能量为90kev，注入硼离子的剂量为5×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第四次：注入能量为295kev，注入硼离子的剂量为6×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°。

退火温度为1100℃，时间为20s。

在p型外延层2中分两次注入砷离子形成n型掺杂区：

第一次注入时，注入砷离子的能量为215kev，注入砷离子的剂量为2×10¹²cm^-2，倾斜度为6°；第二次注入时，注入砷离子的能量为215kev，注入砷离子的剂量为9×10¹¹cm^-2，倾斜度为0°。

退火温度为980℃，时间为10s。

依照上述参数制备的钳位型光电二极管对应的量子效率为25.6％。

实施例5

本实施例在实施例2的基础上，当在p型外延层2中分四次注入硼离子形成p阱隔离区3时：

第一次：注入能量为15kev，注入硼离子的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第二次：注入能量为32kev，注入硼离子的剂量为1×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第三次：注入能量为95kev，注入硼离子的剂量为8×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第四次：注入能量为305kev，注入硼离子的剂量为1×10¹³cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°。

退火温度为1150℃，时间为22s。

在p型外延层2中分两次注入砷离子形成n型掺杂区：

第一次注入时，注入砷离子的能量为230kev，注入砷离子的剂量为9×10¹²cm^-2，倾斜度为5°；第二次注入时，注入砷离子的能量为230kev，注入砷离子的剂量为4×10¹²cm^-2，倾斜度为0°。

退火温度为1020℃，时间为12s。

依照上述参数制备的钳位型光电二极管对应的量子效率为31.60％。

实施例6

本实施例在实施例2的基础上，当在p型外延层2中分四次注入硼离子形成p阱隔离区3时：

第一次：注入能量为16kev，注入硼离子的剂量为3×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第二次：注入能量为35kev，注入硼离子的剂量为4×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第三次：注入能量为100kev，注入硼离子的剂量为3×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第四次：注入能量为315kev，注入硼离子的剂量为4×10¹³cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°。

退火温度为1200℃，时间为24s。

在p型外延层2中分两次注入砷离子形成n型掺杂区：

第一次注入时，注入砷离子的能量为250kev，注入砷离子的剂量为3.5×10¹³cm^-2，倾斜度为3°；第二次注入时，注入砷离子的能量为250kev，注入砷离子的剂量为9×10¹¹cm^-2，倾斜度为0°。

退火温度为1050℃，时间为14s。

依照上述参数制备的钳位型光电二极管对应的量子效率为23.9％。

对比例1

本实施例在实施例2的基础上，当在p型外延层2中分四次注入硼离子形成p阱隔离区3时：

第一次：注入能量为10kev，注入硼离子的剂量为5×10¹⁰cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为2°；

第二次：注入能量为25kev，注入硼离子的剂量为6×10¹⁰cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为2°；

第三次：注入能量为80kev，注入硼离子的剂量为5×10¹⁰cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为2°；

第四次：注入能量为270kev，注入硼离子的剂量为6×10¹¹cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为2°。

退火温度为950℃，时间为15s。

在p型外延层2中分两次注入砷离子形成n型掺杂区：

第一次注入时，注入砷离子的能量为180kev，注入砷离子的剂量为1×10¹²cm^-2，倾斜度为7°；第二次注入时，注入砷离子的能量为180kev，注入砷离子的剂量为5×10¹¹cm^-2，倾斜度为2°。

退火温度为950℃，时间为6s。

依照上述参数制备的钳位型光电二极管对应的量子效率为5.30％。

对比例2

本实施例在实施例2的基础上，当在p型外延层2中分四次注入硼离子形成p阱隔离区3时：

第一次：注入能量为20kev，注入硼离子的剂量为8×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第二次：注入能量为40kev，注入硼离子的剂量为9×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第三次：注入能量为110kev，注入硼离子的剂量为8×10¹²cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°；

第四次：注入能量为330kev，注入硼离子的剂量为9×10¹³cm^-2，注入硼离子时的倾斜度为0°。

退火温度为1300℃，时间为30s。

在p型外延层2中分两次注入砷离子形成n型掺杂区：

第一次注入时，注入砷离子的能量为260kev，注入砷离子的剂量为7×10¹³cm^-2，倾斜度为3°；第二次注入时，注入砷离子的能量为260kev，注入砷离子的剂量为3×10¹²cm^-2，倾斜度为0°。

退火温度为1150℃，时间为18s。

依照上述参数制备的钳位型光电二极管对应的量子效率为12.7％。