一种低后脉冲的硅SPAD探测器的制造方法与流程

一种低后脉冲的硅spad探测器的制造方法
技术领域
1.本发明属于光电探测器芯片技术领域，具体涉及一种低后脉冲的硅spad探测器的制造方法。


背景技术：

2.硅spad(单光子雪崩二极管)是一种工作在盖革模式下的特殊光电二极管，具有约106量级的内部增益，可实现单光子探测。后脉冲是硅spad重要的性能指标。后脉冲是指在信号脉冲之后延迟产生的噪声脉冲，会降低spad的信噪比，需要加以抑制。后脉冲可以来源于spad内部缺陷俘获载流子延迟释放，也可以来源于非耗尽区产生的光电子缓慢移动。由于同等价位的硅外延片比硅单晶片缺陷更少，使用硅外延片制造spad更具成本优势。申请号为201910957824.0的《一种单光子si-apd探测器的制造方法》的专利公开了一种用外延片制造spad的方法。但是，该专利中制造spad方法的硅外延片在外延生长的过程中，衬底的掺杂剂会扩散到外延层，在外延层靠近衬底一侧形成一个过渡区。而且，制作spad过程中的高温工艺，会进一步使过渡区变宽，最终形成的器件结构如图1所示。过渡区的掺杂剂浓度梯度变化缓慢，spad工作时过渡区电场很低或未耗尽，如图2所示。在过渡区产生的光电子并不会被原位复合，而会以较慢的速度运动至吸收区，再高速漂移至雪崩区，造成后脉冲增加。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种低后脉冲的硅spad探测器的制造方法，该方法包括：
4.s1：提供清洁p型外延硅片；p型外延硅片包括p型衬底和外延层；在p型外延硅片上生长氧化硅介质层；
5.s2：通过光刻、蚀刻介质层，形成截止环图案，并将硼元素注入截止环图案中，形成截止环；
6.s3：通过光刻、刻蚀介质层，形成保护环图案，并将磷元素注入保护环图案中形成保护环；
7.s4：雪崩区p形杂质注入：通过光刻、刻蚀介质层，形成雪崩区图案，向雪崩区注入硼元素，再通过高温过程使硼元素向硅片内部扩散；
8.s5：雪崩区n形杂质注入：向雪崩区注入磷元素，再通过高温过程使磷元素向硅片内部扩散，从而和硼元素互补掺杂；
9.s6：通过光刻、刻蚀介质层，形成n

接触区图案，并通过注入磷元素形成n

接触区；
10.s7：在氧化硅介质层上方淀积金属铝，并通过光刻、刻蚀形成上电极；
11.s8：采用临时键合胶，将玻璃载体片键合到p型外延硅片正面，以便在后续减薄加工中提供机械支撑；
12.s9：采用机械研磨、自停止腐蚀的方法腐蚀部分p型衬底，机械研磨后剩余p型衬底
厚度为50μm～80μm；
13.s10：采用湿法腐蚀方法去除外延层中的过渡区；
14.s11：在p型外延硅片背面注入硼元素形成p

接触区，并采用激光退火方法激活硼元素；
15.s12：在p

接触区下方淀积金属铝，并通过光刻、刻蚀形成下电极；
16.s13：采用激光解键合方法，解开正面的玻璃载体片。
17.优选的，p型外延硅片的p型衬底电阻率为0.01～0.05ωcm，p型外延硅片的外延层电阻率为250～300ωcm。
18.优选的，截止环的体浓度范围为1e18cm-3
～1e20cm-3
。
19.优选的，保护环的体浓度范围为5e15cm-3
～5e17cm-3
。
20.优选的，雪崩区p型杂质注入剂量为4e12～1e13cm-2
，雪崩区p型杂质扩散温度为1100～1200℃，扩散时间为2～10小时。
21.优选的，雪崩区n型杂质注入剂量为2e12～8e12cm-2
，雪崩区n型杂质扩散温度为1100～1200℃，扩散时间为1～20小时。
22.优选的，n

接触区的体浓度范围为1e18cm-3
～1e20cm-3
。
23.优选的，自停止腐蚀方法为采用自停止腐蚀液腐蚀p型衬底，自停止腐蚀液成分包括硝酸、氢氟酸和冰乙酸。
24.优选的，采用湿法腐蚀方法去除外延层中的过渡区时的腐蚀厚度大于3μm。
25.优选的，p

接触区的体浓度范围为1e18cm-3
～1e20cm-3
。
26.本发明的有益效果为：本发明采用临时键合载体片提供机械支撑，为避免了去除衬底时引入缺陷，采用机械研磨和腐蚀结合的方式，将多余的衬底以及外延层中的过渡区去除，去除过渡区后，p 接触区与吸收区之间的掺杂剂浓度梯度变化非常大，在p 接触区内产生的光电子会被高浓度空穴原位复合，而在吸收区产生的光电子会高速漂移至雪崩区，使得spad具有低后脉冲特点，实用性高。
附图说明
27.图1为一种现有的硅spad结构截面图；
28.图2为一种现有的硅spad杂质浓度分布图；
29.图3为本发明中低后脉冲的硅spad探测器的制造方法流程图；
30.图4为本发明中硅spad杂质浓度分布图；
31.图5为本发明中硅spad结构截面图；
32.图6为本发明中硅spad的后脉冲实测图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明提出了一种低后脉冲的硅spad探测器的制造方法，如图3所示，所述方法包
括以下内容：
35.s1：提供清洁p型外延硅片；p型外延硅片包括p型衬底和外延层；在p型外延硅片上生长氧化硅介质层。
36.s2：通过光刻、蚀刻介质层，形成截止环图案，并将大剂量硼元素注入截止环图案中，形成截止环。
37.s3：通过光刻、刻蚀介质层，形成保护环图案，并将适量磷元素注入保护环图案中形成保护环。
38.s4：雪崩区p形杂质注入：通过光刻、刻蚀介质层，形成雪崩区图案，向雪崩区注入适量硼元素，再通过高温过程使硼元素向硅片内部扩散。
39.s5：雪崩区n形杂质注入：向雪崩区注入适量磷元素，再通过高温过程使磷元素向硅片内部扩散，从而和硼元素互补掺杂形成雪崩区。
40.s6：通过光刻、刻蚀介质层，形成n

接触区图案，并通过注入大剂量磷元素形成n

接触区。
41.s7：在氧化硅介质层上方淀积金属铝，并通过光刻、刻蚀形成上电极；
42.s8：采用临时键合胶，将玻璃载体片键合到p型外延硅片正面，以便在后续减薄加工中提供机械支撑。由于外延层厚度很薄(通常小于50μm)，直接去除衬底会使外延层卷曲或破裂，需要临时键合载体片提供机械支撑。
43.s9：采用机械研磨、自停止腐蚀的方法腐蚀部分p型衬底，机械研磨后剩余p型衬底厚度为50μm～80μm。
44.自停止腐蚀方法为采用自停止腐蚀液腐蚀p型衬底，自停止腐蚀液成分包括硝酸、氢氟酸和冰乙酸，利用自停止腐蚀液对不同掺杂浓度硅材料腐蚀速率的差异可将衬底腐蚀完后自动停止；为避免在去除衬底时引入缺陷，需要采用机械研磨和腐蚀结合的方式，机械研磨速度快但会损伤硅片，因此可用于快速去除大部分衬底；腐蚀速度慢但对硅片损伤小，因此可用于机械研磨后去除剩余衬底。
45.s10：采用湿法腐蚀方法去除外延层中的过渡区。
46.过渡区为硅外延片在外延生长的过程中，衬底的掺杂剂扩散到外延层，在外延层靠近衬底一侧形成的一个过渡区域。如图4所示，由于去除了过渡区，p 接触区与吸收区之间的掺杂剂浓度梯度变化非常大，在p 接触区内产生的光电子会被高浓度空穴原位复合，而在吸收区产生的光电子会高速漂移至雪崩区，因此，本发明的硅spad探测器的低后脉冲低。
47.s11：在p型外延硅片背面注入硼元素形成p

接触区，并采用激光退火方法激活硼元素。
48.s12：在p

接触区下方淀积金属铝，并通过光刻、刻蚀形成下电极。
49.s13：采用激光解键合方法，解开p型外延硅片正面的玻璃载体片，得到制造好的硅spad探测器。
50.优选的，在本发明的实施例中，p型衬底的电阻率0.01～0.05ωcm，外延层的电阻率250～300ωcm。
51.优选的，在本发明的实施例中，截止环的体浓度范围为1e18cm-3
～1e20cm-3
。
52.优选的，在本发明的实施例中，保护环的体浓度范围为5e15cm-3
～5e17cm-3
。
53.优选的，在本发明的实施例中，雪崩区p型杂质注入剂量为4e12～1e13cm-2
，雪崩区p型杂质扩散温度为1100～1200℃，扩散时间为2～10小时。
54.优选的，在本发明的实施例中，雪崩区n型杂质注入剂量为2e12～8e12cm-2
，雪崩区n型杂质扩散温度为1100～1200℃，扩散时间为1～20小时。
55.优选的，在本发明的实施例中，n

接触区的体浓度范围为1e18cm-3
～1e20cm-3
。
56.优选的，在本发明的实施例中，采用湿法腐蚀方法去除外延层中的过渡区时的腐蚀厚度大于3μm。
57.优选的，在本发明的实施例中，p

接触区的体浓度范围为1e18cm-3
～1e20cm-3
。
58.如图5所示，本发明的硅spad探测器的结构包括：p

接触区、吸收区、雪崩区、n

接触区、保护环、截止环、介质层、上电极和下电极；p

接触区设置在吸收区下方；下电极设置在p

接触区下方，截止环设置在吸收区上部两端，雪崩区设置在吸收区上部的中间位置，保护环设置在雪崩区两侧，n

接触区设置在雪崩区上方，介质层设置在n

接触区上方。
59.对本发明进行评价，如图6所示，图中后脉冲概率为整个死时间内所有后脉冲的统计结果；从图中可以看出，本发明spad的后脉冲低于未去除过渡区spad的后脉冲，改善效果明显。
60.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。