專利名稱：紫外選擇性硅雪崩光電探測芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于紫外成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種紫外選擇性硅雪崩光電探測器的芯片結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
紫外光電探測器是紫外告警等紫外探測技術(shù)的核心關(guān)鍵元器件。紫外告警是利用"太陽光譜盲區(qū)"的紫外波段來探測導(dǎo)彈的火焰與尾焰。由于紫外告警系統(tǒng)避開了最強大的自然光源-太陽造成的復(fù)雜背景，〃太陽光譜盲區(qū)〃的紫外告警就為逼近告警提供了一種極其有效的手段。目前，紫外告警設(shè)備已發(fā)展成為裝備量最大的逼近告警系統(tǒng)之一。而高靈敏度、低噪聲紫外探測器件的研制是紫外告警設(shè)備的一個重要基礎(chǔ)工作。對于硅材料來講，在紫外(λ ≤ 400 nm)波段的吸收系數(shù)α值很大Γ Ο5厘米―1)，吸收層厚度小于0.1 μ m，輻射在非?？拷璞砻嫣幘捅晃樟?，而在表面處的復(fù)合時間很短，導(dǎo)致光生載流子在被電場掃出之前就復(fù)合了 ；另外，隨著波長的增加，吸收層的長度隨吸收系數(shù)α的倒數(shù)增加而增加，在近紅外波段時吸收層的厚度大約為10 μ m。已有通常結(jié)構(gòu)的硅光電探測器，在不增加窄帶濾光片的情況下，在紫外波長階段的有效量子效率小于10%，而在可見和近紅外波長范圍的有效量子效率可以達到50%，由此可見，已有通常結(jié)構(gòu)的硅光電探測器既不能夠滿足紫外探測的要求，也不能實現(xiàn)紫外選擇性探測。因此，需要一種新結(jié)構(gòu)的硅光電探測器來實現(xiàn)紫外選擇性探測。在半導(dǎo)體紫外探測器件方面，目前主要包括增強型硅光電二極管、SiC, GaAsP,AlGaN,GaP加膜紫外 固體器件、GaN紫外探測器、紫外CXD (UV-CXD)等單元及陣列器件。以上器件基本上都是化合物半導(dǎo)體紫外探測器，由于襯底材料制作難度較高和芯片制程工藝的特殊，難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)且成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種量子效率高、成本低、容易批量生產(chǎn)的紫外選擇性硅雪崩探測芯片。本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種紫外選擇性硅雪崩探測芯片，包括位于P型硅襯底I上的N_型外延層2和位于N_型外延層2上的芯片陽極7、芯片陰極8及氮化硅鈍化層9，以及位于型外延層2中部平面下方與P+型光吸收層4重疊的N型層3，其特征在于，P+光吸收層4以小于200 nm的厚度相連N型層3，N+歐姆接觸層5對稱于P+光吸收層4，在N+歐姆接觸層5的兩邊，設(shè)有高摻雜深擴散區(qū)穿通整個N_型外延層2，使雪崩區(qū)之外的整個芯片處于同一電位的P+深擴散區(qū)6，該P+深擴散區(qū)6通過N—型外延層2上端平面設(shè)置的氮化硅鈍化層9，經(jīng)芯片陽極7、芯片陰極8與N+歐姆接觸層5互連。本發(fā)明基于硅工藝基礎(chǔ)的紫外選擇性硅雪崩探測器芯片與現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體紫外探測器相比具有如下有益效果。本發(fā)明采用厚度小于200 nm的P+型光吸收層4，避免了紫外光照產(chǎn)生的光生載流子在表面附近復(fù)合前，得以進入反偏耗盡狀態(tài)下的高場強區(qū)N型層3，在電場的加速作用下產(chǎn)生碰撞離化效應(yīng)，實現(xiàn)光生載流子的雪崩倍增。本發(fā)明考慮到硅材料對紫外λ彡400 nm波段以外的吸收，設(shè)計了 P+深擴散區(qū)6。P+深擴散區(qū)6穿通整個N_型外延層2，并且通過芯片陽極7與N+歐姆接觸層5為互連。以超淺的光吸收層避免光生載流子在表面附近復(fù)合，進入在反偏耗盡狀態(tài)下的高場強區(qū)，在電場的加速作用下與晶格碰撞產(chǎn)生碰撞離化效應(yīng)，實現(xiàn)光生載流子的雪崩倍增。采用一個高摻雜深擴散區(qū)穿通整個外延層，使雪崩區(qū)之外的整個芯片處于同一電位，因而在吸收區(qū)之外產(chǎn)生的光生載流子對最后收集得到的光電流不產(chǎn)生貢獻，從而實現(xiàn)對紫外波段的選擇性探測。


圖1是本發(fā)明紫外選擇性硅雪崩探測芯片透視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視圖
圖中:1.P型硅襯底，2.N_型外延層，3.N型層，4.P+型光吸收層，5.N+歐姆接觸層，6.P+深擴散區(qū)，7芯片陽極，8.芯片陰極，9.氮化硅鈍化層。
具體實施例方式參閱圖1。首先，根據(jù)硅材料在紫外(λ ^ 400 nm)波段的吸收系數(shù)計算得出硅材料在紫外波長λ < 400 nm波段的吸收長度小于0.1 μ m。為實現(xiàn)硅在紫外波段的高量子效率探測，光吸收層4的厚度必須大于100 nm,以避免光生載流子在表面附近復(fù)合前得以進入反偏耗盡狀態(tài)下的高場強區(qū)N型層3，在電場的加速作用下產(chǎn)生碰撞離化效應(yīng)，實現(xiàn)光生載流子的雪崩倍增。其次考慮到硅材料對紫`外λ < 400 nm波段以外的吸收，本實施例設(shè)計了 P+深擴散區(qū)6穿通整個K型外延層2，并且通過芯片陽極7與N+歐姆接觸層5互連的P+深擴散區(qū)6，使雪崩區(qū)之外的整個芯片處于同一電位。根據(jù)上述設(shè)計方案，紫外選擇性硅雪崩探測芯片主要包括，依次疊層為矩形體的P型硅襯底1、N_型外延層2、N型層3、P+型光吸收層4和疊層在N_型外延層2上方平面上，端向相連芯片陰極8的氮化硅鈍化層9。N型層3和厚度為小于200nm的P+光吸收層4制作在外延層(2 )上方平面下的的中部。氮化硅鈍化層9兩個豎向孔相連位于所述N_型外延層2平面下方的N+歐姆接觸層5和P+深擴散區(qū)6。P+深擴散區(qū)6通過芯片陽極7與N+歐姆接觸層5互連，芯片陽極7和芯片陰極8連接在電源之間。N+歐姆接觸層5位于氮化硅鈍化層9下方與所述P+型光吸收層4相鄰。P+深擴散區(qū)6遠(yuǎn)離N型層3和P+型光吸收層4的縱向端，P+深擴散區(qū)6高摻雜深擴散區(qū)貫通整個N—型外延層2使雪崩區(qū)之外的整個芯片處于同一電位。F娃單晶外延層2可以通過低壓汽相沉積LPCVD技術(shù)，在p型硅襯底I上生長電阻率為1000 ΩΥΠ1，厚度為2 μ m，接近本征的F娃單晶外延層2。然后采用離子注入工藝，在外延層2上制作N型層3、P+型層4和厚度為100 nm到200nm的P+光吸收層4。N+歐姆接觸層5可以采用離子注入摻雜工藝制作。P+深擴散區(qū)6可以采用高能離子注入結(jié)合快速退火工藝制作。氮化硅鈍化層9可以采用PECVD工藝制作。芯片陽極7和芯片陰極8可以采用磁控濺射工藝制作。
PECVD是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體化學(xué)活性很強，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜。為了使化學(xué)反應(yīng)能在較低的溫度下進行，利用了等離子體的活性來促進反應(yīng)，因而這種CVD稱為等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)。LPCVD化學(xué)氣相沉積主要是以SiH2C12、SiHC13、SiC14或SiH4，為反應(yīng)氣體，在一定的保護氣氛下反應(yīng)生成娃原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用S1、Si02、Si3N4等。但研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。解決這一問題辦法是先用LPCVD在襯底上沉積一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚的多晶硅薄膜。離子注入摻雜工藝是將加速到一定高能量的離子束注入固體材料表面層內(nèi)，以改變表面層物理和化學(xué)性質(zhì)的工藝。在半導(dǎo)體中注入相應(yīng)的雜質(zhì)原子，如在硅中注入硼、磷或砷等，可改變其表面電導(dǎo)率或形成PN結(jié)。
磁控濺射工藝是在二極濺射中增加一個平行于靶表面的封閉磁場，借助于靶表面上形成的正交電磁場，把二次電子束縛在靶表面特定區(qū)域來增強電離效率，增加離子密度和能量，從而實現(xiàn)高速率濺射的過程。
權(quán)利要求
1.一種紫外選擇性娃雪崩探測芯片，包括位于P型娃襯底(I)上的N型外延層(2)和位于N—型外延層(2)上的芯片陽極(7)、芯片陰極(8)及氮化硅鈍化層(9)，以及位于N—型外延層(2)中部平面下方與P+型光吸收層(4)重疊的N型層(3)，其特征在于，P+光吸收層(4)以小于200 nm的厚度相連N型層(3)，N+歐姆接觸層(5)對稱于P+光吸收層(4)，在N+歐姆接觸層(5)的兩邊，設(shè)有高摻雜深擴散區(qū)穿通整個N—型外延層(2)，使雪崩區(qū)之外的整個芯片處于同一電位的P+深擴散區(qū)(6)，該P+深擴散區(qū)(6)通過N_型外延層(2)上端平面設(shè)置的氮化硅鈍化層(9)，經(jīng)芯片陽極(7)、芯片陰極(8)與N+歐姆接觸層(5)互連。
2.如權(quán)利要求1所述的紫外選擇性硅雪崩探測芯片，其特征在于，P+深擴散區(qū)(6)通過芯片陽極(7)與N+歐姆接觸層(5)互連，芯片陽極(7)和芯片陰極(8)連接在電源之間。
3.如權(quán)利要求1所述的紫外選擇性硅雪崩探測芯片，其特征在于，氮化硅鈍化層(9)兩個豎向孔相連位于所述N_型外延層(2 )平面下方的N+歐姆接觸層(5 )和P+深擴散區(qū)(6 )。
4.如權(quán)利要求1所述的紫外選擇性硅雪崩探測芯片，其特征在于，N+歐姆接觸層(5)位于氮化硅鈍化層(9)下方與所述P+型光吸收層(4)相鄰。
5.如權(quán)利要求1所述的紫外選擇性硅雪崩探測芯片，其特征在于，在P型硅襯底(I)上生長電阻率為1000 Ω 厚度為2 μ m，接近本征的N—娃單晶外延層(2)。
6.如權(quán)利要求1所述的紫外選擇性硅雪崩探測芯片，其特征在于，N型層(3)和厚度為小于200nm的P+光吸收層(4)制作在外延層(2)上方平面下的的中部。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種紫外選擇性硅雪崩探測芯片，P+光吸收層(4)以小于200nm的厚度相連N型層(3)，N+歐姆接觸層(5)對稱于P+光吸收層(4)，在N+歐姆接觸層(5)的兩邊，設(shè)有高摻雜深擴散區(qū)穿通整個N-型外延層(2)，使雪崩區(qū)之外的整個芯片處于同一電位的P+深擴散區(qū)(6)，該P+深擴散區(qū)(6)通過N-型外延層(2)上端平面設(shè)置的氮化硅鈍化層(9)，經(jīng)芯片陽極(7)、芯片陰極(8)與N+歐姆接觸層(5)互連。本發(fā)明以超淺的光吸收層避免光生載流子在表面附近復(fù)合，在電場的加速作用下產(chǎn)生碰撞離化效應(yīng)，實現(xiàn)光生載流子的雪崩倍增；通過高摻雜深擴散區(qū)穿通整個外延層，實現(xiàn)對紫外波段的選擇性探測。
文檔編號H01L31/107GK103208555SQ20121056651
公開日2013年7月17日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者周紅輪, 劉小會, 曾璞 申請人:西南技術(shù)物理研究所