一种SPAD器件及其制作方法与流程

一种spad器件及其制作方法
技术领域
1.本技术涉及半导体制作领域，特别是涉及一种spad器件及其制作方法。


背景技术：

2.spad(single photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)是一种工作在盖革模式下的雪崩光电二极管，可以在高速情况下探测微弱光信号及精确测量单个光子到达时间，具有内部增益大、灵敏度高、功耗低等特点，广泛应用于各类光电检测器件中。目前，在制作spad器件时，在将spad芯片生产完成后，寄给专门的微透镜厂家来做微透镜(microlens，ml)。由于运输需要时间，导致器件的生产周期比较长，并且，由于微透镜厂家单独开模制作微透镜，还导致器件的制作成本比较高。
3.因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。


技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种spad器件及其制作方法，以缩短器件制作时间，降低制作成本。
5.为解决上述技术问题，本技术提供一种spad器件制作方法，包括：
6.对衬底进行n型掺杂，进行p型掺杂，得到pn结；
7.在接收入射光的衬底表面沉积钝化层；
8.在所述钝化层的表面沉积透光材料层；
9.在所述透光材料层的表面形成图形化光刻胶层；
10.以所述图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述透光材料层，并去除所述图形化光刻胶层，形成微透镜基块；
11.在微透镜基块上沉积透光材料层，形成微透镜，得到spad器件。
12.可选的，所述微透镜基块的纵向截面形状包括：矩形、梯形、三角形；所述图形化光刻胶层的图形与微透镜基块的纵向截面形状相匹配。
13.可选的，当spad横向尺寸大于10um时，在微透镜基块上沉积透光材料层之后还包括：
14.对透光材料层的外表面进行刻蚀，以减薄所述微透镜，得到spad器件。
15.可选的，所述透光材料层的材料包括氧化硅、氧化锗、氮化硅。
16.可选的，所述透光材料层包括：第一透光材料层、第二透光材料层、第三透光材料层，所述第一透光材料层离所述衬底较近，所述第三透光材料层离所述衬底较远；
17.在所述透光材料层的表面形成图形化光刻胶层；以所述图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述透光材料层，并去除所述图形化光刻胶层，形成微透镜基块，在微透镜基块上沉积透光材料层，形成微透镜，得到spad器件，具体包括：
18.在所述第三透光材料层的表面形成第一图形化光刻胶层；
19.以所述第一图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述第三透光材料层和第二透光材料
层，并去除所述第一图形化光刻胶层，形成第一微透镜基块；
20.在所述第一透光材料层和所述第一微透镜基块的表面形成第二图形化光刻胶层；
21.以所述第二图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述第一透光材料层，并去除所述第二图形化光刻胶层，形成第二微透镜基块；
22.在所述第一微透镜基块和所述第二微透镜基块上沉积第四透光材料层，形成微透镜，得到spad器件；
23.其中，所述第一透光材料层、所述第三透光材料层、所述第四透光材料层是同一种透光材料，所述第二透光材料层的透光材料与所述第一透光材料层的材料不同。
24.可选的，所述第一微透镜基块与所述第二微透镜基块形成上下结构的台阶，所述第二微透镜基块的纵截面长度等于所述第一微透镜基块的纵截面长度的2倍。
25.可选的，所述透光材料层还包括第五透光材料层、第六透光材料层；所述第六透光材料层离所述衬底最远，所述第五透光材料层与所述第二透光材料层是同一种透光材料，所述第六透光材料层与所述第一透光材料层是同一种透光材料；
26.在所述第三透光材料层的表面形成第一图形化光刻胶层之前，还包括：
27.在所述第六透光材料层的表面形成第三图形化光刻胶层；
28.以所述第三图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述第六透光材料层和所述第五透光材料层，并去除所述第三图形化光刻胶层，形成第三微透镜基块；
29.在所述第三透光材料层的表面形成第一图形化光刻胶层包括：
30.在所述第三透光材料层和所述第三微透镜基块的表面形成第一图形化光刻胶层；
31.在所述第一透光材料层和所述第一微透镜基块的表面形成第二图形化光刻胶层包括：
32.在所述第一透光材料层、所述第一微透镜基块和所述第三微透镜基块的表面形成第二图形化光刻胶层；
33.在所述第一微透镜基块和所述第二微透镜基块上沉积第四透光材料层，形成微透镜包括：
34.在所述第一微透镜基块、所述第二微透镜基块和所述第三微透镜基块上沉积第四透光材料层，形成微透镜。
35.本技术还提供一种spad器件，所述spad器件包括：
36.衬底，所述衬底包括n型掺杂和p型掺杂构成的pn结；
37.设于所述衬底在接收入射光的表面的钝化层；
38.设于所述钝化层的表面、用透光材料层形成的微透镜。
39.可选的，所述微透镜的上表面为凸起的曲面。
40.可选的，所述透光材料层具体包括：第一透光材料层和第二透光材料层；所述第一透光材料层包裹所述第二透光材料层；
41.所述第二透光材料层与所述第一透光材料层的材料不同。
42.可选的，所述第二透光材料层包括至少两层，且所述第二透光材料层由所述第一透光材料层隔开。
43.本技术所提供的一种spad器件制作方法，包括：对衬底进行n型掺杂，进行p型掺杂，得到pn结；在接收入射光的衬底表面沉积钝化层；在所述钝化层的表面沉积透光材料
层；在所述透光材料层的表面形成图形化光刻胶层；以所述图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述透光材料层，并去除所述图形化光刻胶层，形成微透镜基块；在微透镜基块上沉积透光材料层，形成微透镜，得到spad器件。
44.可见，本技术在衬底接收入射光的表面上沉积钝化层，然后在钝化层上先制作出微透镜基块，再继续在微透镜基块上沉积透光材料层，形成中部高两侧低的微透镜。spad芯片和微透镜可以在同一个厂家做完，不需再将spad芯片运输至专门的微透镜工厂，缩短器件制作时间，降低制作成本。
45.此外，本技术还提供一种具有上述优点的spad器件。
附图说明
46.为了更清楚的说明本技术实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1为本技术实施例所提供的一种spad器件制作方法的流程图；
48.图2至图11为本技术实施例所提供的一种spad器件制作工艺流程图；
49.图12为本技术实施例所提供的另一种spad器件制作方法的流程图；
50.图13至图18本技术实施例所提供的另一种spad器件制作工艺流程图；
51.图19为本技术实施例所提供的另一种spad器件制作方法的流程图；
52.图中，1、衬底，2、钝化层，3、透光材料层，4、图形化光刻胶层，5、微透镜基块，6、微透镜，7、第一透光材料层，8、第二透光材料层，9、第三透光材料层，10、第一图形化光刻胶层，11、第一微透镜基块，12、第二图形化光刻胶层，13、第二微透镜基块。
具体实施方式
53.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
54.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
55.正如背景技术部分所述，目前在制作spad器件时，在将spad芯片生产完成后，寄给专门的微透镜厂家来做微透镜，导致器件的生产周期比较长，且制作成本比较高。
56.有鉴于此，本技术提供了一种spad器件制作方法，请参考图1，该方法包括：
57.步骤s101：对衬底进行n型掺杂，进行p型掺杂，得到pn结。
58.请参考图2至图4，衬底1材料可以为硅、锗、锗硅等，分别进行n型掺杂、p型掺杂、p+掺杂，具体掺杂过程已为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。
59.步骤s102：在接收入射光的衬底表面沉积钝化层。
60.请参考图5，在衬底1接收入射光的表面沉积有钝化层2，钝化层2可以为氮化硅层。
61.步骤s103：在所述钝化层的表面沉积透光材料层。
62.请参考图6，钝化层2的表面沉积有透光材料层3，本步骤中透光材料层3的材料包括但不限于氧化硅、氧化锗、氮化硅。透光材料层3厚度基于pixel size(像素大小)和ml的高度进行调整。
63.透光材料层3的材料优选为氧化硅，氧化硅折射率为1.46，与空气的折射率为1，氧化硅折射率与空气比较接近，光在入射时，在界面处的反射相对较弱，所以光更容易进入spad器件，提高光子探测效率。
64.步骤s104：在所述透光材料层的表面形成图形化光刻胶层。
65.请参考图7，在透光材料层3表面涂覆光刻胶，并进行曝光、显影，形成图形化光刻胶层4。
66.步骤s105：以所述图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述透光材料层，并去除所述图形化光刻胶层，形成微透镜基块。
67.请参考图8，在钝化层2的表面形成有微透镜基块5。
68.需要指出的是，本技术中对微透镜基块5的纵向截面形状不做限定，可自行设置。例如，所述微透镜基块5的纵向截面形状包括但不限于矩形、梯形、三角形；所述图形化光刻胶层4的图形与微透镜基块5的纵向截面形状相匹配。也即，微透镜基块5的形状可为三面体、四面体、多面体、多边梯形体、圆边梯形体、锥体等。
69.步骤s106：在微透镜基块上沉积透光材料层，形成微透镜，得到spad器件。
70.形成的微透镜6可能有两种形状，一种为微透镜6的上表面全部为凸起的曲面，如图9所示；当spad横向尺寸大于10um时，另一种微透镜6为中部呈平面，两侧呈曲面如图10所示.
71.本步骤中透光材料层的材料包括但不限于氧化硅、氧化锗、氮化硅。需要指出的是，本步骤中的透光材料层的材料可以与步骤s103中透光材料层的材料相同，也可以不同。
72.本实施例中当步骤s106和步骤s103中透光材料层的材料相同时，可以通过控制时间控制刻蚀深度。
73.图2至图10是以背照式spad器件为例进行说明的，后续继续按照背照式spad正常工艺流程完成背照式spad的制作即可。
74.需要指出的是，本技术的制作方法还适用于前照式spad器件。
75.本实施例在衬底接收入射光的表面上沉积钝化层，然后在钝化层上先制作出微透镜基块，再继续在微透镜基块上沉积透光材料层，形成中部高两侧低的微透镜。spad芯片和微透镜可以在同一个厂家做完，不需再将spad芯片运输至专门的微透镜工厂，缩短器件制作时间，降低制作成本。
76.在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，当spad横向尺寸大于10um时，在微透镜基块上沉积透光材料层之后还包括：
77.对透光材料层的外表面进行刻蚀，以减薄所述微透镜，得到spad器件。
78.反向刻蚀时，透光材料层突出的地方，刻蚀速度快，通过刻蚀，就自然会形成一个球。光子更集中地入射进来，使边上地光更容易进入微透镜，增加光吸收量，提高光子探测效率。
79.对于图10所示的结构，经过刻蚀减薄后，微透镜6表面变成全部的凸起的曲面，如
图11所示。
80.在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，当spad横向尺寸不大于10um时，在微透镜基块上沉积透光材料层之后还包括：
81.对透光材料层的外表面进行刻蚀，以减薄所述微透镜，得到spad器件。
82.对于图9所示的结构，经过刻蚀后，微透镜6厚度减薄，如图11所示，以减小光程，增加光吸收量，提高光子探测效率。
83.本技术还提供一种spad器件制作方法，请参考图12，在上述实施例的基础上，该方法包括：
84.步骤s201：对衬底进行n型掺杂，进行p型掺杂，得到pn结。
85.步骤s202：在接收入射光的衬底表面沉积钝化层。
86.步骤s203：在所述钝化层的表面沉积透光材料层。
87.其中，所述透光材料层包括：第一透光材料层、第二透光材料层、第三透光材料层，所述第一透光材料层离所述衬底较近，所述第三透光材料层离所述衬底较远。
88.请参考图13，在远离所述钝化层2的方向上，依次沉积层叠的第一透光材料层7、第二透光材料层8、第三透光材料层9。
89.第一透光材料层7和第三透光材料层9的材料可以相同，第二透光材料层8的材料与第二透光材料层8的材料不同，第二透光材料层8是为了形成台阶用的，用于阻挡刻蚀。
90.步骤s204：在所述第三透光材料层的表面形成第一图形化光刻胶层。
91.请参考图14，在第三透光材料层9的表面涂覆光刻胶，并进行曝光、显影，形成第一图形化光刻胶层10。
92.步骤s205：以所述第一图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述第三透光材料层和第二透光材料层，并去除所述第一图形化光刻胶层，形成第一微透镜基块。
93.请参考图15，在第一透光材料层7的表面形成有第一微透镜基块11。
94.需要指出的是，本技术中对第一微透镜基块11的纵向截面形状不做限定，可自行设置。例如，第一微透镜基块11的纵向截面形状包括但不限于矩形、梯形、三角形；第一图形化光刻胶层的图形与第一微透镜基块的纵向截面形状相匹配。也即，第一微透镜基块11的形状可为三面体、四面体、多面体、多边梯形体、圆边梯形体、锥体等。
95.步骤s206：在所述第一透光材料层和所述第一微透镜基块的表面形成第二图形化光刻胶层。
96.请参考图16，第二图形化光刻胶层12包裹在第一微透镜基块11的周围。
97.步骤s207：以所述第二图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述第一透光材料层，并去除所述第二图形化光刻胶层，形成第二微透镜基块。
98.请参考图17，第一微透镜基块11和第二微透镜基块13形成上下结构的台阶，第二微透镜基块13的纵截面长度大于第一微透镜基块11的纵截面长度，可以避免形成的微透镜出现平坦的顶面，直接形成整体为曲面的微透镜。
99.图中第一微透镜基块11和第二微透镜基块13形成两级台阶。
100.可选的，所述第一微透镜基块11与所述第二微透镜基块13形成上下结构的台阶，所述第二微透镜基块13的纵截面长度等于所述第一微透镜基块11的纵截面长度的2倍。
101.步骤s208：在所述第一微透镜基块和所述第二微透镜基块上沉积第四透光材料
层，形成微透镜，得到spad器件。
102.其中，所述第一透光材料层、所述第三透光材料层、所述第四透光材料层是同一种透光材料，所述第二透光材料层的透光材料与所述第一透光材料层的材料不同。
103.请参考图18，直接形成球状的微透镜6。
104.第一透光材料层7、第二透光材料层8、第三透光材料层9、第四透光材料层的材料包括但不限于氧化硅、氧化锗、氮化硅。
105.步骤s201和s202请参考上述实施例，此处不再详细赘述。
106.本实施例中可以通过刻蚀选择比控制刻蚀深度，该工艺方法更容易。
107.可选的，在本技术的一个实施例中，在所述第一微透镜基块和所述第二微透镜基块上沉积第四透光材料层，形成微透镜之后，还包括：
108.对第四透光材料层的外表面进行刻蚀，以减薄所述微透镜，减小光程，增加光吸收量，提高光子探测效率。
109.本技术还提供一种spad器件制作方法，请参考图19，在上述实施例的基础上，该方法包括：
110.步骤s301：对衬底进行n型掺杂，进行p型掺杂，得到pn结。
111.步骤s302：在接收入射光的衬底表面沉积钝化层。
112.步骤s303：在所述钝化层的表面沉积透光材料层。
113.其中，所述透光材料层包括：在远离钝化层方向上一次层叠的第一透光材料层、第二透光材料层、第三透光材料层，第五透光材料层、第六透光材料层；所述第五透光材料层与所述第二透光材料层是同一种透光材料，所述第六透光材料层与所述第一透光材料层是同一种透光材料。
114.步骤s304：在所述第六透光材料层的表面形成第三图形化光刻胶层。
115.步骤s305：以所述第三图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述第六透光材料层和所述第五透光材料层，并去除所述第三图形化光刻胶层，形成第三微透镜基块。
116.步骤s306：在所述第三透光材料层和所述第三微透镜基块的表面形成第一图形化光刻胶层。
117.步骤s307：以所述第一图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述第三透光材料层和第二透光材料层，并去除所述第一图形化光刻胶层，形成第一微透镜基块。
118.步骤s308：在所述第一透光材料层、所述第一微透镜基块和所述第三微透镜基块的表面形成第二图形化光刻胶层。
119.步骤s309：以所述第二图形化光刻胶层作为掩膜，刻蚀所述第一透光材料层，并去除所述第二图形化光刻胶层，形成第二微透镜基块。
120.步骤s310：在所述第一微透镜基块、所述第二微透镜基块和所述第三微透镜基块上沉积第四透光材料层，形成微透镜，得到spad器件。
121.本实施例中通过在透光材料层增加制作第五透光材料层、第六透光材料层，并进行刻蚀形成第三微透镜基块，第三微透镜基块的纵截面长度小于第一微透镜基块的纵截面长度，第三微透镜基块、第一微透镜基块和第二微透镜基块形成上下结构的三级台阶，沉积第四透光材料层之后，形成整体为曲面的微透镜。
122.可以理解的是，还可以在透光材料层中中制作更多层的叠层，通过形成更多数量
的微透镜基块，最终在所有微透镜基块上沉积第四透光材料层，形成微透镜，得到spad器件。
123.本技术还提供一种spad器件，请参考图9至图11，所述spad器件包括：
124.衬底1，所述衬底1包括n型掺杂和p型掺杂构成的pn结；
125.设于所述衬底1在接收入射光的表面的钝化层2；
126.设于所述钝化层2的表面、用透光材料层形成的微透镜6。
127.可选的，作为一种可实施方式，所述微透镜6的上表面为凸起的曲面，如图9和图11所示。作为另一种可实施方式，微透镜6的上表面中部呈平面，两侧呈曲面如图10所示。
128.形成微透镜6的透光材料层是同一种透光材料，透光材料包括但不限于氧化硅、氧化锗、氮化硅。此时spad器件的结构示意图如图11所示。
129.在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，所述透光材料层具体包括：第一透光材料层和第二透光材料层；所述第一透光材料层包裹所述第二透光材料层；所述第二透光材料层与所述第一透光材料层的材料不同。
130.可选的，作为一种可实施方式，第二透光材料层的层为一层，此时，spad器件的结构示意图请参考图18。作为另一种可实施方式，所述第二透光材料层包括至少两层，且所述第二透光材料层由所述第一透光材料层隔开。
131.其中，第一透光材料层、第二透光材料层的材料包括但不限于氧化硅、氧化锗、氮化硅。
132.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
133.以上对本技术所提供的spad器件及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。