MSRF CMOS工藝兼容的光電探測器

1、第26卷第10期2005年10月半導體學報CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.26No.10Oct.,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天津大學電子與信息工程學院,天津300072)(2中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室,北京100083)3摘要:為實現光纖通信系統中的單片光電集成,采用工業(yè)標準工藝設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.利用半導體測試儀對機理,提出了五種新的探測器結構,并采用TSMC0118芯片進行了測試,包括探測器的暗電流、響應度和

2、結電容,并分析了深n阱、淺溝槽隔離等工藝步驟對探測器參數的影響.結果表明,利用標準MS/RFCMOS工藝實現的光電探測器具有良好的特性.關鍵詞:單片集成;MS/RFCMOS工藝;硅光電探測器;暗電流;響應度;結電容EEACC:4250;2560B中圖分類號:TN215文獻標識碼:A文章編號:025324177(2005)10219952061引言新型半導體材料和高速光電探測器件、電路以及工藝技術和光纖通信系統的迅速發(fā)展,為現代化光纖網絡奠定了基礎.在光纖通信系統中,單片光電集成(OEIC)是實現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速度,因為它最大限度地消除了由封裝和互連線等引

3、起的寄生參量的影響.利用硅制作的光電探測器與接收電路單片集成電路不僅有光電轉換功能和放大功能,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被應用在CD2ROM、數字化視頻光盤(DVD)、波長在630850nm通過塑料光纖傳送的數字系統1以及短m)的局域網系統內.波長(01780185光電單片集成接收機中的關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,阱的深度只有零點幾m,源漏結更淺,淺阱使得響應度極低,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,響應度做到0148A/W,光接收靈敏度為-1514dBm.雖然得到了較高的響應度和靈敏度,但是采用了用戶定制的CMOS工藝,不能使用標準集成電路工藝進行流片,勢必將增加成本.本課題組已經對標準CMOS工藝的光電二極管探測器結構進行了深入的研究,并在商用CMOS工藝線上流片成功.實際

5、測試結果表明,此種光電探測器頻率響應在1GHz以上4,5,但探測器的暗電流、響應度等關鍵指標還不能獲得滿意的結果.鑒于上述不足,本文設計了一種既可以獲得較高的響應度和靈敏度,又能使用標準的集成電路工藝進行流片的光電探測器結構.本文設計了幾種新型探測器結構,并對其暗電流、結電容、響應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國家高技術研究發(fā)展計劃(批準號:2002AA312240,2003AA312040)和國家自然科學基金(批準號: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.2005

6、203216收到,2005204218定稿2005中國電子學會1996半導體學報第26卷CMOS電路的實現成為可能,也為設計基于商用2光電探測器結構深亞微米CMOS工藝廣泛應用于數字系統設計,為了擴展其在模擬電路以及射頻電路設計中的可實現性,芯片代工廠在原有數字CMOS工藝的基礎之上發(fā)展了適合混合信號及射頻集成電路設計的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)來隔離串擾,提供MOS可變電容、頂層厚金屬、雙層

7、多晶硅等工藝技術.這些工藝技術的引入不僅使得MS/RFCMOS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來抑制噪聲,提高響應度.因此,本文設計了五種結構,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構的縱向剖面圖,這m幾種探測器具有相同的橫向結構,面積均為40m的正四邊形,但縱向結構各不相同.40圖1橫向結構相同探測器的縱向剖面圖(a)結構A:雙

8、光電二極管探測器;(b)結構B:具有深n阱的光電探測器;(c)結構C:具有淺溝槽隔離的光電探測器;(d)結構D:具有深n阱和淺溝槽隔離的光電探測器Fig.1Crosssectionalviewofdetectorswithsamelateralstructure211結構A此種結構是雙光電探測器,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結構B+程是在插指型的雙光電二極管探測器基礎之上,先m的深n阱峰,深n阱的擴散

9、過程在襯底上注入2與n阱同時進行,以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,提高響應度.213結構C此種結構是具有深n阱的光電探測器,制作過此種結構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.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

10、作兩個淺隔離溝槽.然后再在n阱內制作雙光電探測器.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度.214結構D此種結構是具有淺溝隔離槽和深n阱的光電探測器.在這種結構中,我們把STI和深n阱結合起來,利用各自的優(yōu)點,以進一步減小暗電流,提高響應度.215結構E本文還設計了一種縱向結構與結構D相同,但具有不同橫向結構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0118mMS/RFCMOS工藝進行流片,該工藝提供了深n阱和STI.其顯微放大照片如圖2所示,中間為探測器的工作部分.圖3為在縱向結構相同條

11、件下不同面積的八邊形光電探測器,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,當光波長圖3橫向結構為八邊形的光電探測器Fig.3Detectorwithoctagonlateralstructure=638nm時,RL=015k,當=400nm時,RL=1k.光電探測器負極接到高電平上,正極接到電阻RL,電阻的另一端接到低電位.激光通過一個中心直徑為20m的多模光纖正射到光電探測器上,產生的電流由電阻RL轉化為電壓Vout,產生的電壓可以用高阻示波器(輸入電容011pF,輸入

12、電阻10M)測量.暗電流和結電容都通過HP4284Pre2cisionLCRmeter(精密電感電容電阻測定計)測量.圖4測試電路Fig.4Testcircuit4測試結果及分析4.1相同面積芯片測試結果及分析探測器的橫向結構相同,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,對于硅材料,在反向電流中勢壘產生電流占主要地位,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.在縱向結構不同的探測器暗電流的比較中,帶有深n1998半導體學報第26卷阱和STI結構的探測器具有最小的暗電流,這是因為STI隔離了左右的空穴擴散電流

13、的成分,而深n阱吸收了體內產生的噪聲產生載流子,減小了襯底的噪聲電流.而雙光電二極管探測器則不能有效減小暗電流.圖5不同縱向結構探測器暗電流Fig.5Darkcurrentofdetectorswithdifferentverticalstructures41112電容如圖6所示,隨著電壓增大,各個探測器的結電容均減小.因為根據半導體理論,無論是突變結還是緩變結,其勢壘寬度隨著反向電壓的增大而增大,由公式(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的結構會造成低摻雜一側的濃度梯度改變,據緩變結公式(2),勢壘電容隨雜質梯度j的增大而增大,所以具有深n阱和STI結構的探測器

14、的電容大于雙光電二極管.CT=X(D1)3CT=2212V(2)其中r為相對介電常數;0為真空介電常數;A為圖6不同縱向結構探測器結電容Fig.6Junctioncapacitanceofdetectorswithdifferentverticalstructurespn結結面積;q為電子電荷.41113響應度公式(3)表示了量子效率和響應度的關系,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,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;()為對應波長的吸收系數.如公式(4)所示.表1中,結構D因為深n阱

15、能有效復合襯底產生的載流子,減小襯底噪聲產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構中,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,形成縱向結構,增加吸收深度W.因此,深n阱和STI均可以有效地提高響應度.所以,帶有STI或深n阱結構探測器的響應度遠高于雙光電二極管探測器.表1不同結構探測器響應度Table1Responsivityofdetectorswithdiffer

16、entstructures結構ABCDE響應度/(AW-1)0.0170.0640.0660.0660.0654.2不同面積芯片測試結果及分析兩個探測器的縱向結構一樣,均為帶有深n阱和STI的結構,但是橫向結構不同,其中一個面積為40m40m的正四邊形,另一個是面積為5300m2的正八邊形,定名為結構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)形成一個結面積很小的pn結,同時八邊形插指間距大,各個pn結的耗盡區(qū)沒有連通,可以認為所有的pn結都是孤立的,由于結面積都很小,所以暗電流也很小.其詳細機理有待進一步研究.4.2.2電容八邊形結構的面積比較

17、大,所以pn結面積大,根據公式(5),當結面積A變大時,勢壘電容也相應變大,如圖8所示,八邊形結構探測器結電容比正四邊形結構大.第10期黃家樂等:MS/RFCMOS工藝兼容的光電探測器1999圖7不同橫向結構探測器暗電流Fig.7Darkcurrentofdetectorswithdifferentlateralstructure圖8不同橫向結構探測器結電容Fig.8JunctionCapacitanceofdetectorswithdifferentlateralstructuresCT=A2V(D5)其中ND為摻雜濃度.41213響應度由表1可知,不同面積的探測器響應度基本一樣,這表明不同

18、面積的探測器結構對響應度的影響很小.5結論本文提出了一種利用標準MS/RFCMOS工藝制作硅探測器的方法,不需要額外的工藝步驟.并設計了五種光電探測器結構,在相同面積探測器的比較中,具有STI和深n阱結構的探測器暗電流小于雙光電二極管,電容更小,響應度也更高.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構的正四邊形三個數量級,而電容僅略大于正四邊形結構,不會對響應速度產生大的影響.同時響應度的變化不是很大.綜上所述,本文設計的幾種于MS/RFCMOS工藝兼容的光電探測器性能均優(yōu)于雙光電二極管探測器,具有響應度高、暗電流小、制作成本低的特點,適合大規(guī)模流片.同時,還可以在減小探測器

19、的電容,提高響應速度等方面進行深入的理論探索.參考文獻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,吳榮漢

21、,等.與CMOS工藝兼容的硅高速光電探測器模擬與設計.半導體學報,2002,23(2):1935MaoLuhong,ChenYongquan,LiWei,eta1.Circuitmodelofdoublephotodiodesforhigh2speedOEICreceivers.ProcSPIEInt,2005,5644:4442000半導體學報第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