MSRF CMOS工藝兼容的光電探測器

1、第26卷第10期2005年10月半導(dǎo)體學(xué)報CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSOct.,2005MS/RFCMOS工藝兼容的光電探測器黃家樂1毛陸虹1陳弘達2高鵬2劉金彬2雷曉荃1(1天津大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,天津300072)(2中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點實驗室,北京100083)3摘要:為實現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)中的單片光電集成,采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計了硅基光電探測器,討論了光電探測器的mMS/RFCMOS工藝進行了流片.利用半導(dǎo)體測試儀對機理,提出了五種新的探測器結(jié)構(gòu),并采用TSMC0118芯片進行了測試,包括探測器的暗電流、響應(yīng)度和結(jié)電容,并分析了深n阱

2、、淺溝槽隔離等工藝步驟對探測器參數(shù)的影響.結(jié)果表明,利用標(biāo)準(zhǔn)MS/RFCMOS工藝實現(xiàn)的光電探測器具有良好的特性.關(guān)鍵詞:單片集成;MS/RFCMOS工藝;硅光電探測器;暗電流;響應(yīng)度;結(jié)電容EEACC:4250;2560B中圖分類號:TN215文獻標(biāo)識碼:A文章編號:025324177(2005)10219952061引言新型半導(dǎo)體材料和高速光電探測器件、電路以及工藝技術(shù)和光纖通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展,為現(xiàn)代化光纖網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ).在光纖通信系統(tǒng)中,單片光電集成(OEIC)是實現(xiàn)高速光通信的根本出路.使用單片集成的主要目的是提高系統(tǒng)速度,因為它最大限度地消除了由封裝和互連線等引起的寄生參量的影響.利

3、用硅制作的光電探測器與接收電路單片集成電路不僅有光電轉(zhuǎn)換功能和放大功能,而且由于硅集成電路的成熟,可以方便地引入電子的邏輯處理、存儲和智能控制功能,充分利用了電子電路的多功能性.目前,硅光電探測器單片集成電路已經(jīng)被應(yīng)用在CD2ROM、數(shù)字化視頻光盤(DVD)、波長在630850nm通過塑料光纖傳送的數(shù)字系統(tǒng)1以及短m)的局域網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi).波長(01780185光電單片集成接收機中的關(guān)鍵器件就是光探測器.貝爾實驗室Woodward等人2采用在n阱上做mCMOS工藝做出1G橫向二極管的方法,用0135bit/s速率的光接收機,但在850nm光波長的響應(yīng)工作速度高而靈敏度低的原因是硅的吸收深度約為米CM

4、OS工藝中,阱的深度只有零點幾m,源漏結(jié)更淺,淺阱使得響應(yīng)度極低,而且襯底噪聲不易消除,通過襯底的耦合,造成暗電流較大,從而靈敏度m降低.Zimmermann等人3使用用戶定制的1CMOS工藝做出1Gbit/s速率的光接收機,采用縱向pin光電二極管,響應(yīng)度做到0148A/W,光接收靈敏度為-1514dBm.雖然得到了較高的響應(yīng)度和靈敏度,但是采用了用戶定制的CMOS工藝,不能使用標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝進行流片,勢必將增加成本.本課題組已經(jīng)對標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光電二極管探測器結(jié)構(gòu)進行了深入的研究,并在商用CMOS工藝線上流片成功.實際測試結(jié)果表明,此種光電探測器頻率響應(yīng)在1GHz以上4,5,但探測器

5、的暗電流、響應(yīng)度等關(guān)鍵指標(biāo)還不能獲得滿意的結(jié)果.鑒于上述不足,本文設(shè)計了一種既可以獲得較高的響應(yīng)度和靈敏度,又能使用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路工藝進行流片的光電探測器結(jié)構(gòu).本文設(shè)計了幾種新型探測器結(jié)構(gòu),并對其暗電流、結(jié)電容、響應(yīng)度等方面進行理論分析和流片驗證.度只有01010104A/W,接收靈敏度只有-6dBm,3國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號:2002AA312240,2003AA312040)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:69896260)資助項目黃家樂男,1977年出生,碩士研究生,目前從事光電探測器和光電集成電路方面的研究.2005203216收到,2005204218定稿2005中國電子學(xué)會19

6、96半導(dǎo)體學(xué)報第26卷CMOS電路的實現(xiàn)成為可能,也為設(shè)計基于商用2光電探測器結(jié)構(gòu)深亞微米CMOS工藝廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)CMOS工藝的光電探測器提供了新的思路.盡管橫向雙光電二極管探測器2有其優(yōu)點,但由于耗盡區(qū)太淺使得光產(chǎn)生載流子中擴散成分較多.而且在硅集成電路中,由于襯底并沒有良好的隔離性能,其他器件的電信號會通過硅襯底進行耦合,所以需要使用MS/RFCMOS工藝中的深n阱和淺溝槽隔離技術(shù)來抑制噪聲,提高響應(yīng)度.因此,本文設(shè)計了五種結(jié)構(gòu),以探索在MS/RFCMOS工藝下光電探測器的性能.圖1畫出了四種探測器結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖,這m幾種探測器具有相同的橫向結(jié)構(gòu),面積均為40m的正四邊形,但縱向

7、結(jié)構(gòu)各不相同.×40圖1橫向結(jié)構(gòu)相同探測器的縱向剖面圖(a)結(jié)構(gòu)A:雙光電二極管探測器;(b)結(jié)構(gòu)B:具有深n阱的光電探測器;(c)結(jié)構(gòu)C:具有淺溝槽隔離的光電探測器;(d)結(jié)構(gòu)D:具有深n阱和淺溝槽隔離的光電探測器211結(jié)構(gòu)A此種結(jié)構(gòu)是雙光電探測器,制作過程是在襯底上做一個n阱,再在n阱內(nèi)制作叉指狀p+擴散電極(p+擴散與pMOS的源漏同時制備),n阱的引出用n+擴散電極(n擴散與nMOS的源漏同時制備),器件外圍再用p+擴散制作一個保護環(huán)(guardring).212結(jié)構(gòu)B+程是在插指型的雙光電二極管探測器基礎(chǔ)之上,先m的深n阱峰,深n阱的擴散過程在襯底上注入2與n阱同時進行,以

8、達到其所需的濃度和深度.這樣可以在襯底上消除噪聲耦合,提高響應(yīng)度.213結(jié)構(gòu)C此種結(jié)構(gòu)是具有深n阱的光電探測器,制作過此種結(jié)構(gòu)是具有淺溝槽隔離的光電探測器.淺溝槽隔離工藝克服了傳統(tǒng)工藝的局限性,具有優(yōu)異的隔離性能、平坦的表面形狀、良好的抗鎖性能以及m和0118m幾乎為零的場侵蝕,現(xiàn)已成為0125第10期黃家樂等:MS/RFCMOS工藝兼容的光電探測器1997工藝的主流隔離技術(shù).主要包括溝槽的形成、溝槽頂角的圓滑、溝槽的填充、平坦化等步驟.器件的制作方法仍是在襯底上做一個n阱,之后依照上述STI工藝步驟在n+擴散電極的位置與最靠近它們的p+擴散電極的位置之間制作兩個淺隔離溝槽.然后再在n阱內(nèi)制作

9、雙光電探測器.我們利用STI來增加雙光電探測器的吸收深度,從而提高了器件的響應(yīng)度.214結(jié)構(gòu)D此種結(jié)構(gòu)是具有淺溝隔離槽和深n阱的光電探測器.在這種結(jié)構(gòu)中,我們把STI和深n阱結(jié)合起來,利用各自的優(yōu)點,以進一步減小暗電流,提高響應(yīng)度.215結(jié)構(gòu)E本文還設(shè)計了一種縱向結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)D相同,但具有不同橫向結(jié)構(gòu)的八邊形光電探測器,以便比較.3芯片照片及測試電路3.1制造工藝本文介紹的幾種新型光電探測器均使用TSMC(臺積電)提供的0118測器,其邊長為33m,面積為5300m2.圖2相同面積的光電探測器Fig.2Detectorswiththesamearea3.2測試電路測試電路如圖4所示,外接電阻RL

10、,當(dāng)光波長圖3橫向結(jié)構(gòu)為八邊形的光電探測器Fig.3Detectorwithoctagonlateralstructure=638nm時,RL=015k,當(dāng)=400nm時,RL=1k.光電探測器負(fù)極接到高電平上,正極接到電阻直徑為20m的多模光纖正射到光電探測器上,產(chǎn)生的電流由電阻RL轉(zhuǎn)化為電壓Vout,產(chǎn)生的電壓可以用高阻示波器(輸入電容011pF,輸入電阻10M)測量.暗電流和結(jié)電容都通過HP4284Pre2cisionLCRmeter(精密電感電容電阻測定計)測量.圖4測試電路4測試結(jié)果及分析4.1相同面積芯片測試結(jié)果及分析探測器的橫向結(jié)構(gòu)相同,均為40m×40m的正四邊形.4

11、1111暗電流如圖5所示,隨著反向電壓的增大,對于硅材料,在反向電流中勢壘產(chǎn)生電流占主要地位,勢壘區(qū)寬度隨反向偏壓的增加而變寬,勢壘區(qū)產(chǎn)生電流是不飽和的,所以探測器的暗電流均有略微的增加.在縱向結(jié)構(gòu)不同的探測器暗電流的比較中,帶有深n1998半導(dǎo)體學(xué)報第26卷阱和STI結(jié)構(gòu)的探測器具有最小的暗電流,這是因.圖5不同縱向結(jié)構(gòu)探測器暗電流Fig.5Darkcurrentofdetectorswithdifferentverticalstructures41112電容如圖6所示,隨著電壓增大,各個探測器的結(jié)電容均減小.因為根據(jù)半導(dǎo)體理論,無論是突變結(jié)還是緩變結(jié),其勢壘寬度隨著反向電壓的增大而增大,由

12、公式(1),可知勢壘寬度XD增大,勢壘電容均將減小.由于深n阱和STI的結(jié)構(gòu)會造成低摻雜一側(cè)的濃度梯度改變,據(jù)緩變結(jié)公式(2),勢壘電容隨雜質(zhì)梯度j的增大而增大,所以具有深n阱和STI結(jié)構(gòu)的探測器的電容大于雙光電二極管.CT=X(D1)3CT=2212V(2)其中r為相對介電常數(shù);0為真空介電常數(shù);A為圖6不同縱向結(jié)構(gòu)探測器結(jié)電容Fig.6Junctioncapacitanceofdetectorswithdifferentverticalstructurespn結(jié)結(jié)面積;q為電子電荷.41113響應(yīng)度公式(3)表示了量子效率和響應(yīng)度的關(guān)系,而量子效率由前端接觸層厚度d,吸收層厚度W,材料的吸

13、收系數(shù),探測器表面反射率Rf共同決定.R=h(3)=(1-Rf)e-()d(1-e-()W)(4)其中為量子效率;h為光子能量;()為對應(yīng)波長的吸收系數(shù).如公式(4)所示.表1中,結(jié)構(gòu)D因為深n阱能有效復(fù)合襯底產(chǎn)生的載流子,減小襯底噪聲產(chǎn)生的電流耦合到工作二極管區(qū).另一方面,在未加淺溝槽隔離的結(jié)構(gòu)中,工作二極管中的電流由n+擴散電極橫向地直接流入p+叉指電極;增加了STI后,光生載流子無法穿過STI,只能在縱向電場的作用下先向下運動,到達溝槽同一深度后在橫向電場的作用下,向左向右繞過溝槽,再向電極運動.顯然,STI屏蔽了從左右而來的橫向擴散成分,形成縱向結(jié)構(gòu),增加吸收深度W.因此,深n阱和ST

14、I均可以有效地提高響應(yīng)度.所以,帶有STI或深n阱結(jié)構(gòu)探測器的響應(yīng)度遠高于雙光電二極管探測器.表1不同結(jié)構(gòu)探測器響應(yīng)度Table1Responsivityofdetectorswithdifferentstructures結(jié)構(gòu)ABCDE響應(yīng)度/(AW-1)4.2不同面積芯片測試結(jié)果及分析兩個探測器的縱向結(jié)構(gòu)一樣,均為帶有深n阱和STI的結(jié)構(gòu),但是橫向結(jié)構(gòu)不同,其中一個面積為40m×40m的正四邊形,另一個是面積為5300m2的正八邊形,定名為結(jié)構(gòu)E.4.2.1暗電流如圖7所示,八邊形的暗電流遠小于正四邊形.這是因為每個p+插指與n擴散區(qū)形成一個結(jié)面積很小的pn結(jié),同時八邊形插指間距大

15、,各個pn結(jié)的耗盡區(qū)沒有連通,可以認(rèn)為所有的pn結(jié)都是孤立的,由于結(jié)面積都很小,所以暗電流也很小.其詳細機理有待進一步研究.4.2.2電容八邊形結(jié)構(gòu)的面積比較大,所以pn結(jié)面積大,根據(jù)公式(5),當(dāng)結(jié)面積A變大時,勢壘電容也相應(yīng)變大,如圖8所示,八邊形結(jié)構(gòu)探測器結(jié)電容比正四邊形結(jié)構(gòu)大.第10期黃家樂等:MS/RFCMOS工藝兼容的光電探測器1999圖7不同橫向結(jié)構(gòu)探測器暗電流Fig.7Darkcurrentofdetectorswithdifferentlateralstructure圖8不同橫向結(jié)構(gòu)探測器結(jié)電容Fig.8JunctionCapacitanceofdetectorswithdi

16、fferentlateralstructuresCT=A2V(D5)其中ND為摻雜濃度.41213響應(yīng)度由表1可知,不同面積的探測器響應(yīng)度基本一樣,這表明不同面積的探測器結(jié)構(gòu)對響應(yīng)度的影響很小.5結(jié)論本文提出了一種利用標(biāo)準(zhǔn)MS/RFCMOS工設(shè)計了五種光電探測器結(jié)構(gòu),在相同面積探測器的比較中,具有STI和深n阱結(jié)構(gòu)的探測器暗電流小于雙光電二極管,電容更小,響應(yīng)度也更高.在不同芯片面積的比較中,八邊形探測器的暗電流小于同樣縱向結(jié)構(gòu)的正四邊形三個數(shù)量級,而電容僅略大于正四邊形結(jié)構(gòu),不會對響應(yīng)速度產(chǎn)生大的影響.同時響應(yīng)度的變化不是很大.ersforopticalinterconnectsinstan

17、dardMOStechnology.ProcSPIEInt,2001,4292:1ticaldetectorsandreceiversincommercialCMOStechnolo2gies.IEEEJSelTopicsQuantumElectron,1999,5(2):146sopticalreceiverin12mCMOStechnology.IEEEPhotonicsTechnolLett,2001,13(7):711anddesignofaCMOS2process2compatiblehigh2speedSi2pho2兼容的硅高速光電探測器模擬與設(shè)計.半導(dǎo)體學(xué)報,2002,23(2)

18、:193doublephotodiodesforhigh2speedOEICreceivers.ProcSPIEInt,2005,5644:4442000半導(dǎo)體學(xué)報第26卷AMS/RFCMOS2Process2CompatiblePhotodetector3HuangJiale1,MaoLuhong1,ChenHongda2,GaoPeng2,LiuJinbin2,andLeiXiaoquan1(1ElectronicInformationSchool,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)(2StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)Abstract:Fo