MSRF CMOS工藝兼容的光電探測(cè)器

1、第26卷第10期2005年10月半導(dǎo)體學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.26No.10Oct.,2005MS/RFCMOS工藝兼容的光電探測(cè)器黃家樂1毛陸虹1陳弘達(dá)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)3摘要:為實(shí)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(jì)了硅基光電探測(cè)器,討論了光電探測(cè)器的mMS/RFCMOS工藝進(jìn)行了流片.利用半導(dǎo)體測(cè)試儀對(duì)機(jī)理,提出了五種新的探測(cè)器結(jié)構(gòu),并采用TSMC0118芯片進(jìn)行了測(cè)試,包括探測(cè)器的暗電流、響應(yīng)度和

2、結(jié)電容,并分析了深n阱、淺溝槽隔離等工藝步驟對(duì)探測(cè)器參數(shù)的影響.結(jié)果表明,利用標(biāo)準(zhǔn)MS/RFCMOS工藝實(shí)現(xiàn)的光電探測(cè)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(cè)器;暗電流;響應(yīng)度;結(jié)電容EEACC:4250;2560B中圖分類號(hào):TN215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):025324177(2005)10219952061引言新型半導(dǎo)體材料和高速光電探測(cè)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(shí)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?yàn)樗畲笙薅鹊叵擞煞庋b和互連線等引

3、起的寄生參量的影響.利用硅制作的光電探測(cè)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(chǔ)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(cè)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(jī)中的關(guān)鍵器件就是光探測(cè)器.貝爾實(shí)驗(yàn)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(jī),但在850nm光波長的響應(yīng)工作速度高而靈敏度低的原因是

4、硅的吸收深度約為m,最好需要深度為幾m的耗盡區(qū).而在亞微14米CMOS工藝中,阱的深度只有零點(diǎn)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(jī),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(jìn)行流片,勢(shì)必將增加成本.本課題組已經(jīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光電二極管探測(cè)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究,并在商用CMOS工藝線上流片成功.實(shí)際

5、測(cè)試結(jié)果表明,此種光電探測(cè)器頻率響應(yīng)在1GHz以上4,5,但探測(cè)器的暗電流、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(jì)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(jìn)行流片的光電探測(cè)器結(jié)構(gòu).本文設(shè)計(jì)了幾種新型探測(cè)器結(jié)構(gòu),并對(duì)其暗電流、結(jié)電容、響應(yīng)度等方面進(jìn)行理論分析和流片驗(yàn)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(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2002AA312240,2003AA312040)和國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):69896260)資助項(xiàng)目黃家樂男,1977年出生,碩士研究生,目前從事光電探測(cè)器和光電集成電路方面的研究.2005

6、203216收到,2005204218定稿2005中國電子學(xué)會(huì)1996半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第26卷CMOS電路的實(shí)現(xiàn)成為可能,也為設(shè)計(jì)基于商用2光電探測(cè)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)計(jì),為了擴(kuò)展其在模擬電路以及射頻電路設(shè)計(jì)中的可實(shí)現(xiàn)性,芯片代工廠在原有數(shù)字CMOS工藝的基礎(chǔ)之上發(fā)展了適合混合信號(hào)及射頻集成電路設(shè)計(jì)的MS(mixedsignal)/RF(radiofrequency)CMOS工藝,此工藝向用戶提供高頻高速電路的工藝解決方案,如提供深n阱,減少襯底的噪聲耦合,提供淺溝槽隔離(shallowtrenchisolation,STI)來隔離串?dāng)_,提供MOS可變電容、頂層厚金屬、雙層

7、多晶硅等工藝技術(shù).這些工藝技術(shù)的引入不僅使得MS/RFCMOS工藝的光電探測(cè)器提供了新的思路.盡管橫向雙光電二極管探測(cè)器2有其優(yōu)點(diǎn),但由于耗盡區(qū)太淺使得光產(chǎn)生載流子中擴(kuò)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(hào)會(huì)通過硅襯底進(jìn)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(jì)了五種結(jié)構(gòu),以探索在MS/RFCMOS工藝下光電探測(cè)器的性能.圖1畫出了四種探測(cè)器結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖,這m幾種探測(cè)器具有相同的橫向結(jié)構(gòu),面積均為40m的正四邊形,但縱向結(jié)構(gòu)各不相同.40圖1橫向結(jié)構(gòu)相同探測(cè)器的縱向剖面圖(a)結(jié)構(gòu)A:雙

8、光電二極管探測(cè)器;(b)結(jié)構(gòu)B:具有深n阱的光電探測(cè)器;(c)結(jié)構(gòu)C:具有淺溝槽隔離的光電探測(cè)器;(d)結(jié)構(gòu)D:具有深n阱和淺溝槽隔離的光電探測(cè)器Fig.1Crosssectionalviewofdetectorswithsamelateralstructure211結(jié)構(gòu)A此種結(jié)構(gòu)是雙光電探測(cè)器,制作過程是在襯底上做一個(gè)n阱,再在n阱內(nèi)制作叉指狀p+擴(kuò)散電極(p+擴(kuò)散與pMOS的源漏同時(shí)制備),n阱的引出用n+擴(kuò)散電極(n擴(kuò)散與nMOS的源漏同時(shí)制備),器件外圍再用p+擴(kuò)散制作一個(gè)保護(hù)環(huán)(guardring).212結(jié)構(gòu)B+程是在插指型的雙光電二極管探測(cè)器基礎(chǔ)之上,先m的深n阱峰,深n阱的擴(kuò)散

9、過程在襯底上注入2與n阱同時(shí)進(jìn)行,以達(dá)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(cè)器,制作過此種結(jié)構(gòu)是具有淺溝槽隔離的光電探測(cè)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(chǎng)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(cè)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(gè)n阱,之后依照上述STI工藝步驟在n+擴(kuò)散電極的位置與最靠近它們的p+擴(kuò)散電極的位置之間制

10、作兩個(gè)淺隔離溝槽.然后再在n阱內(nèi)制作雙光電探測(cè)器.我們利用STI來增加雙光電探測(cè)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(cè)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(diǎn),以進(jìn)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(jì)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(cè)器,以便比較.3芯片照片及測(cè)試電路3.1制造工藝本文介紹的幾種新型光電探測(cè)器均使用TSMC(臺(tái)積電)提供的0118mMS/RFCMOS工藝進(jìn)行流片,該工藝提供了深n阱和STI.其顯微放大照片如圖2所示,中間為探測(cè)器的工作部分.圖3為在縱向結(jié)構(gòu)相同條

11、件下不同面積的八邊形光電探測(cè)器,其邊長為33m,面積為5300m2.圖2相同面積的光電探測(cè)器Fig.2Detectorswiththesamearea3.2測(cè)試電路測(cè)試電路如圖4所示,外接電阻RL,當(dāng)光波長圖3橫向結(jié)構(gòu)為八邊形的光電探測(cè)器Fig.3Detectorwithoctagonlateralstructure=638nm時(shí),RL=015k,當(dāng)=400nm時(shí),RL=1k.光電探測(cè)器負(fù)極接到高電平上,正極接到電阻RL,電阻的另一端接到低電位.激光通過一個(gè)中心直徑為20m的多模光纖正射到光電探測(cè)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

12、電阻10M)測(cè)量.暗電流和結(jié)電容都通過HP4284Pre2cisionLCRmeter(精密電感電容電阻測(cè)定計(jì))測(cè)量.圖4測(cè)試電路Fig.4Testcircuit4測(cè)試結(jié)果及分析4.1相同面積芯片測(cè)試結(jié)果及分析探測(cè)器的橫向結(jié)構(gòu)相同,均為40m40m的正四邊形.41111暗電流如圖5所示,隨著反向電壓的增大,對(duì)于硅材料,在反向電流中勢(shì)壘產(chǎn)生電流占主要地位,勢(shì)壘區(qū)寬度隨反向偏壓的增加而變寬,勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流是不飽和的,所以探測(cè)器的暗電流均有略微的增加.在縱向結(jié)構(gòu)不同的探測(cè)器暗電流的比較中,帶有深n1998半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第26卷阱和STI結(jié)構(gòu)的探測(cè)器具有最小的暗電流,這是因?yàn)镾TI隔離了左右的空穴擴(kuò)散電流

13、的成分,而深n阱吸收了體內(nèi)產(chǎn)生的噪聲產(chǎn)生載流子,減小了襯底的噪聲電流.而雙光電二極管探測(cè)器則不能有效減小暗電流.圖5不同縱向結(jié)構(gòu)探測(cè)器暗電流Fig.5Darkcurrentofdetectorswithdifferentverticalstructures41112電容如圖6所示,隨著電壓增大,各個(gè)探測(cè)器的結(jié)電容均減小.因?yàn)楦鶕?jù)半導(dǎo)體理論,無論是突變結(jié)還是緩變結(jié),其勢(shì)壘寬度隨著反向電壓的增大而增大,由公式(1),可知?jiǎng)輭緦挾萖D增大,勢(shì)壘電容均將減小.由于深n阱和STI的結(jié)構(gòu)會(huì)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(shì)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(cè)器

14、的電容大于雙光電二極管.CT=X(D1)3CT=2212V(2)其中r為相對(duì)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(cè)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,材料的吸收系數(shù),探測(cè)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(duì)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?yàn)樯頽阱

15、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(kuò)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(chǎng)的作用下先向下運(yùn)動(dòng),到達(dá)溝槽同一深度后在橫向電場(chǎng)的作用下,向左向右繞過溝槽,再向電極運(yùn)動(dòng).顯然,STI屏蔽了從左右而來的橫向擴(kuò)散成分,形成縱向結(jié)構(gòu),增加吸收深度W.因此,深n阱和STI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(cè)器的響應(yīng)度遠(yuǎn)高于雙光電二極管探測(cè)器.表1不同結(jié)構(gòu)探測(cè)器響應(yīng)度Table1Responsivityofdetectorswithdiffer

16、entstructures結(jié)構(gòu)ABCDE響應(yīng)度/(AW-1)0.0170.0640.0660.0660.0654.2不同面積芯片測(cè)試結(jié)果及分析兩個(gè)探測(cè)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(gè)面積為40m40m的正四邊形,另一個(gè)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(yuǎn)小于正四邊形.這是因?yàn)槊總€(gè)p+插指與n擴(kuò)散區(qū)形成一個(gè)結(jié)面積很小的pn結(jié),同時(shí)八邊形插指間距大,各個(gè)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(xì)機(jī)理有待進(jìn)一步研究.4.2.2電容八邊形結(jié)構(gòu)的面積比較

17、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(shí),勢(shì)壘電容也相應(yīng)變大,如圖8所示,八邊形結(jié)構(gòu)探測(cè)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(cè)器1999圖7不同橫向結(jié)構(gòu)探測(cè)器暗電流Fig.7Darkcurrentofdetectorswithdifferentlateralstructure圖8不同橫向結(jié)構(gòu)探測(cè)器結(jié)電容Fig.8JunctionCapacitanceofdetectorswithdifferentlateralstructuresCT=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(cè)器響應(yīng)度基本一樣,這表明不同

18、面積的探測(cè)器結(jié)構(gòu)對(duì)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工藝制作硅探測(cè)器的方法,不需要額外的工藝步驟.并設(shè)計(jì)了五種光電探測(cè)器結(jié)構(gòu),在相同面積探測(cè)器的比較中,具有STI和深n阱結(jié)構(gòu)的探測(cè)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(cè)器的暗電流小于同樣縱向結(jié)構(gòu)的正四邊形三個(gè)數(shù)量級(jí),而電容僅略大于正四邊形結(jié)構(gòu),不會(huì)對(duì)響應(yīng)速度產(chǎn)生大的影響.同時(shí)響應(yīng)度的變化不是很大.綜上所述,本文設(shè)計(jì)的幾種于MS/RFCMOS工藝兼容的光電探測(cè)器性能均優(yōu)于雙光電二極管探測(cè)器,具有響應(yīng)度高、暗電流小、制作成本低的特點(diǎn),適合大規(guī)模流片.同時(shí),還可以在減小探測(cè)器

19、的電容,提高響應(yīng)速度等方面進(jìn)行深入的理論探索.參考文獻(xiàn)1ZimmermannH,HeideT,PlessH.High2performancereceiv2ersforopticalinterconnectsinstandardMOStechnology.ProcSPIEInt,2001,4292:12WoodwardTK,KrishnamoorthyAV.12Gb/sintegratedop2ticaldetectorsandreceiversincommercialCMOStechnolo2gies.IEEEJSelTopicsQuantumElectron,1999,5(2):1463Zi

20、mmermannH,HeideT.Amonolithicallyintergrated12Gb/sopticalreceiverin12mCMOStechnology.IEEEPhotonicsTechnolLett,2001,13(7):7114MaoLuhong,ChenHongda,WuRonghan,etal.SimulationanddesignofaCMOS2process2compatiblehigh2speedSi2pho2todetector.ChineseJournalofSemiconductors,2002,23(2):193(inChinese)毛陸虹,陳弘達(dá),吳榮漢

21、,等.與CMOS工藝兼容的硅高速光電探測(cè)器模擬與設(shè)計(jì).半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2002,23(2):1935MaoLuhong,ChenYongquan,LiWei,eta1.Circuitmodelofdoublephotodiodesforhigh2speedOEICreceivers.ProcSPIEInt,2005,5644:4442000半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第26卷AMS/RFCMOS2Process2CompatiblePhotodetector3HuangJiale1,MaoLuhong1,ChenHongda2,GaoPeng2,LiuJinbin2,andLeiXiaoquan1(1Electro

22、nicInformationSchool,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)(2StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)Abstract:Forimplementinganoptoelectronicsintegratedcircuitincommunicationssystems,aSi2photodetectorisdesignedu2mMS/RFCMOSsingastandardindustrialCMOSprocess,andfivenewstructuresbasedonthenewlydevelopedTSMC0118processtechnologyareintroduced.Somecriti