IT201800007231A1 - Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger a basso rumore e relativo procedimento di fabbricazione - Google Patents

Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger a basso rumore e relativo procedimento di fabbricazione Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “FOTODIODO A VALANGA OPERANTE IN MODALITA' GEIGER A BASSO RUMORE E RELATIVO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE”
La presente invenzione si riferisce ad un fotodiodo operante in modalità Geiger a basso rumore e al relativo procedimento di fabbricazione.
Come è noto, oggigiorno sono disponibili i cosiddetti fotodiodi a valanga operanti in modalità Geiger (“Geigermode avalanche photodiodes”, GMAP), anche noti come diodi a valanga a singolo fotone (“Single Photon Avalanche Diode”, SPAD).
Un fotodiodo SPAD è formato da un fotodiodo a valanga (“Avalanche Photodiode”, APD), dunque comprende una giunzione di materiale semiconduttore, la quale presenta una tensione di rottura (“breakdown”) VB ed è polarizzata, in uso, con una tensione di polarizzazione inversa VA superiore in modulo alla tensione di rottura VB, la quale, come è noto, dipende dal materiale semiconduttore e dal livello di drogaggio della regione meno drogata della giunzione stessa. In tal modo, la giunzione presenta una regione svuotata particolarmente estesa, al cui interno è presente un campo elettrico non trascurabile. Perciò, la generazione di una singola coppia elettrone-lacuna (“electron-hole pair”), causata dall’assorbimento all’interno della regione svuotata di un fotone incidente sul fotodiodo SPAD, può essere sufficiente per innescare un processo di ionizzazione. Tale processo di ionizzazione causa a sua volta una moltiplicazione a valanga dei portatori, con guadagni nell’intorno di 10<6>, e la conseguente generazione in tempi rapidi (centinaia di picosecondi) della cosiddetta corrente di valanga, o più precisamente di un impulso della corrente di valanga (più brevemente, impulso di valanga).
La corrente di valanga può essere raccolta, tipicamente mediante una circuiteria esterna collegata alla giunzione, e rappresenta un segnale di uscita del fotodiodo SPAD, al quale ci si riferisce anche come alla corrente di uscita. In pratica, per ogni fotone assorbito, si genera un impulso della corrente di uscita del fotodiodo SPAD.
Il fatto che la tensione di polarizzazione inversa VA sia superiore alla tensione di rottura VB fa sì che il processo di ionizzazione a valanga, una volta innescato, si autosostenga. Pertanto, una volta innescato il processo di ionizzazione, il fotodiodo SPAD non è più in grado di rilevare fotoni; per poter rilevare anche i fotoni successivi, il processo di ionizzazione a valanga deve essere arrestato, abbassando, per un periodo di tempo noto come tempo di hold-off, la tensione effettiva ai capi della giunzione. A tal fine, è noto l’impiego di cosiddetti circuiti di soppressione (“quenching circuits”), siano essi di tipo attivo o passivo; ad esempio, nel caso di soppressione passiva, i circuiti di soppressione possono essere formati da resistori integrati.
Sono altresì note le cosiddette schiere di fotodiodi SPAD. Ciascuna schiera è formata da una matrice planare di fotodiodi SPAD, cresciuti su un medesimo substrato. Gli elettrodi di anodo e di catodo dei fotodiodi SPAD possono essere rispettivamente collegati tra loro, in maniera tale per cui i fotodiodi SPAD possono essere polarizzati ad una medesima tensione di polarizzazione inversa VA, nel qual caso la schiera forma un cosiddetto fotomoltiplicatore di silicio (“Silicon PhotoMultiplier”, SiPM). Inoltre, nel caso di un fotomoltiplicatore SiPM, i fotodiodi SPAD sono provvisti di rispettivi resistori di soppressione (ad esempio, di tipo verticale), i quali sono integrati nei fotodiodi SPAD e sono tra loro disaccoppiati ed indipendenti. In aggiunta, le correnti di valanga generate all’interno dei fotodiodi SPAD sono multiplate insieme, in modo da generare un segnale di uscita del fotomoltiplicatore SiPM pari alla sommatoria dei segnali di uscita dei fotodiodi SPAD, tale segnale d’uscita essendo quindi proporzionale al numero di fotoni che incidono sul fotomoltiplicatore SiPM.
Ciò premesso, una qualsiasi schiera di fotodiodi SPAD è affetta dal fenomeno dell’interferenza ottica (“optical crosstalk”).
In dettaglio, dato un qualsiasi fotodiodo SPAD di una schiera, il relativo funzionamento risulta influenzato dai fotoni generati per elettroluminescenza durante processi di moltiplicazione a valanga innescati in fotodiodi SPAD circostanti.
In maggior dettaglio, è noto che i fotodiodi SPAD operanti al di sopra della tensione di breakdown, ed in particolare le relative regioni svuotate, emettono in modo isotropo fotoni secondari, a causa di differenti meccanismi quali, ad esempio, le ricombinazioni interbanda (dirette ed indirette). I fotoni secondari sono emessi generalmente all’interno di un intervallo di lunghezze d’onda compreso tra 400nm e 2µm, con probabilità di emissione che dipende dalla tensione di polarizzazione inversa VA applicata.
I fotoni secondari possono propagarsi ed essere successivamente assorbiti nelle regioni svuotate dei fotodiodi SPAD adiacenti, nel qual caso si verifica il cosiddetto “prompt crosstalk”.
Inoltre, riferendosi ad un fotodiodo SPAD di origine per indicare un fotodiodo nella cui regione svuotata è stato emesso un fotone secondario, e riferendosi ad un portatore minoritario per indicare un portatore minoritario generatosi in una porzione non svuotata (ad esempio, il substrato) della schiera in seguito all’assorbimento del fotone secondario, tale portatore minoritario (ad esempio, una lacuna, nel caso di substrato di tipo N) può diffondere fino a raggiungere la regione svuotata i) del fotodiodo SPAD di origine, oppure ii) di un altro fotodiodo SPAD della schiera, causando la generazione di corrispondenti impulsi di valanga; in particolare, nei summenzionati casi i) e ii), l’impulso di valanga concorre rispettivamente ai cosiddetti fenomeni dell’”afterpulsing” e del “crosstalk ritardato” (“delayed crosstalk”, CT-D). Inoltre, dal momento che il processo di diffusione è piuttosto lento (equivalentemente, il tempo di vita dei portatori minoritari è elevato), gli impulsi di valanga così generati hanno ritardi elevati (dell’ordine delle centinaia di microsecondi) rispetto agli impulsi di valanga generati in seguito all’assorbimento nelle regioni svuotate dei fotoni della radiazione da rilevare (cosiddetti fotoni primari).
In pratica, riferendosi ad esempio al crosstalk ritardato, esso causa un incremento del cosiddetto tasso di rumore di buio (“dark noise rate”), oltre che una riduzione della dinamica della schiera e l’impossibilità di sopprimere in tempi rapidi le correnti di valanga. Tali svantaggi si manifestano in particolare nel caso di schiere includenti fotodiodi di grandi dimensioni ed operanti a tensioni di polarizzazione elevate (in modulo). Per ovviare almeno in parte a tali problemi, è possibile ridurre la dimensione dei fotodiodi della schiera e/o abbassare la tensione di polarizzazione, tuttavia ciò comporta una riduzione del guadagno di ciascun fotodiodo ed una riduzione dell’efficienza di rilevazione.
Scopo della presente invenzione è dunque fornire un fotodiodo SPAD che consenta di risolvere almeno in parte gli inconvenienti dell’arte nota.
Secondo l’invenzione, vengono realizzati un fotodiodo SPAD ed un procedimento di fabbricazione come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- le figure 1, 4, 5 e 15 mostrano schematicamente viste prospettiche di forme di realizzazione del presente fotodiodo;
- la figura 2 mostra schematicamente una vista prospettica di una schiera di fotodiodi;
- la figura 3 mostra schematicamente andamenti di livelli energetici in una forma di realizzazione del presente fotodiodi;
- le figure 6-13 mostra schematicamente sezioni trasversali di un fotodiodo, durante fasi successive di un procedimento di fabbricazione; e
- la figura 14 mostra uno schema a blocchi di un sistema includente una schiera di fotodiodi.
Il presente fotodiodo trae spunto da alcune osservazioni della Richiedente. In particolare, la Richiedente ha osservato come, in una schiera di fotodiodi SPAD, la probabilità che si verifichino fenomeni di “afterpulsing” e di “crosstalk ritardato” diminuisce, tanto più le giunzioni dei fotodiodi SPAD sono poste vicino a corrispondenti regioni semiconduttive non svuotate aventi spessori e drogaggi elevati. In altre parole, in tal modo si riduce il tempo di vita dei summenzionati portatori minoritari.
Ciò premesso, la figura 1 mostra un fotodiodo 10, il quale è integrato in una piastrina (“die”) 100 di materiale semiconduttore. Come mostrato in figura 2, il fotodiodo 10 può far parte di una schiera 220 di fotodiodi uguali tra loro, indicati tutti con 10.
In dettaglio, il fotodiodo 10 comprende un corpo semiconduttore 1, il quale è formato, ad esempio, da silicio e comprende a sua volta un substrato 4 ed un primo, un secondo ed un terzo strato epitassiale 5, 6 e 8; inoltre, il corpo semiconduttore 1 comprende una regione di contatto posteriore 2. In figura 1, come anche nelle figure successive, gli spessori non sono in scala.
Il substrato 4 è di tipo N--, ha spessore compreso ad esempio tra 80μm e 200μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 5*10<13 >cm<-3 >e 1*10<14>cm<-3>.
Il primo strato epitassiale 5 è di tipo N+, ha uno spessore compreso ad esempio tra 4μm e 8μm e sovrasta, in contatto diretto, il substrato 4. Inoltre, il primo strato epitassiale 5 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<16 >cm<-3 >e 1*10<17 >cm<-3>.
Il secondo strato epitassiale 6 è di tipo N++, ha uno spessore compreso ad esempio tra 10μm e 15μm e sovrasta il primo strato epitassiale 5, con cui è in contatto diretto. Inoltre, il secondo strato epitassiale 6 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<19 >cm<-3 >e 5*10<19 >cm<-3>.
Il terzo strato epitassiale 8 è di tipo N-, ha uno spessore compreso ad esempio tra 3μm e 5μm e sovrasta il secondo strato epitassiale 6, con cui è in contatto diretto. Inoltre, il terzo strato epitassiale 8 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<14 >cm<-3 >e 3*10<14 >cm<-3>. Inoltre, il terzo strato epitassiale 8 forma una prima superficie intermedia Sint, che delimita superiormente il corpo semiconduttore 1.
La regione di contatto posteriore 2 è di tipo N++, ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.1μm e 1μm ed è disposta al di sotto del substrato 4, con cui è in contatto diretto. Inoltre, la regione di contatto posteriore 2 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<19>cm<-3 >e 1*10<20>cm<-3>. La regione di contatto posteriore 2 è delimitata inferiormente da una superficie inferiore Sinf.
Una regione di anodo 12, di tipo P+ e di forma, in vista dall’alto, circolare o poligonale (ad esempio, quadrangolare), si affaccia sulla prima superficie intermedia Sint e si estende all’interno del terzo strato epitassiale 8. In particolare, la regione di anodo 12 ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.05μm e 0.4μm; inoltre, la regione di anodo 12 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<18 >cm<-3 >e 1*10<19 >cm<-3>.
Una regione arricchita 14, di tipo N, si estende nel terzo strato epitassiale 8, al di sotto della, ed in contatto diretto con, la regione di anodo 12. In vista dall’alto, la regione arricchita 14 presenta una forma circolare o poligonale (ad esempio, quadrangolare); inoltre, la regione arricchita 14 ha uno spessore pari, ad esempio, ad 1μm e livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<16 >cm<-3 >e 5*10<16 >cm<-3>.
Ai fini pratici, la regione di anodo 12 e la regione arricchita 14 formano una prima giunzione PN, destinata a ricevere fotoni e a generare la corrente di valanga. La regione arricchita 14 ed il terzo strato epitassiale 8 hanno invece lo scopo di confinare un elevato campo elettrico in prossimità della prima giunzione PN, riducendo la tensione di breakdown VB della prima giunzione PN.
Un anello di guardia 16 di forma circolare, di tipo P-e con un livello di drogaggio compreso tra 1*10<16 >cm<-3 >e 3*10<16 >cm<-3>, si estende nel terzo strato epitassiale 8; in particolare, l’anello di guardia 16 si affaccia sulla prima superficie intermedia Sint ed è disposto all’esterno della regione di anodo 12, con cui è in contatto diretto. Inoltre, l’anello di guardia 16 ha uno spessore compreso, ad esempio, tra 1μm e 3μm.
L’anello di guardia 16 forma una seconda giunzione PN con il secondo strato epitassiale 8, in modo da prevenire il breakdown di bordo (“edge breakdown”) della regione di anodo 12.
Il fotodiodo 10 comprende inoltre una metallizzazione di catodo 42, formata da materiale metallico, la quale si estende al di sotto della superficie inferiore Sinf, a contatto con la regione di contatto posteriore 2. Sebbene non mostrato, la metallizzazione di catodo 42 può essere formata da una corrispondente struttura multistrato di materiale metallico.
Il fotodiodo 10 comprende inoltre una prima regione dielettrica 30, la quale si estende al di sopra della prima superficie intermedia Sint, è formata ad esempio da ossido termico ed ha uno spessore ad esempio pari a 0.8μm. In particolare, in vista dall’alto la prima regione dielettrica 30 ha una forma cava, quale ad esempio una forma di corona circolare o una forma a cornice poligonale. La prima regione dielettrica 30 definisce quindi un recesso che lascia esposta la regione di anodo 12; in altre parole, mentre la regione di anodo 12 si affaccia su una porzione centrale della prima superficie intermedia Sint, la prima regione dielettrica 30 si estende su parte di una porzione periferica della prima superficie intermedia Sint. Inoltre, la prima regione dielettrica 30 si estende parzialmente al di sopra dell’anello di guardia 16, con cui è in contatto diretto, lasciandone esposta una porzione che contatta la regione di anodo 12.
Il fotodiodo 10 comprende inoltre una regione 31, alla quale nel seguito ci si riferisce come alla regione intermedia 31.
In dettaglio, la regione intermedia 31 è formata ad esempio da polisilicio, è di tipo P+, ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<20 >cm<-3 >e 3*10<20 >cm<-3 >ed ha uno spessore compreso, ad esempio, tra 50nm e 100nm. Inoltre, la regione intermedia 31 si estende, in contatto diretto, sulla prima regione dielettrica 30 e sulla regione di anodo 12, nonché sulla porzione di anello di guardia 16 lasciata esposta dalla prima regione dielettrica 30.
In maggior dettaglio, e senza alcuna perdita di generalità, la regione intermedia 31 si estende su una porzione interna della prima regione dielettrica 30, la quale definisce il summenzionato recesso, mentre lascia esposta una porzione esterna della prima regione dielettrica 30.
Il fotodiodo 10 comprende inoltre una seconda regione dielettrica 32, la quale è formata ad esempio da ossido TEOS ed ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.1μm e 0.2μm.
In particolare, la seconda regione dielettrica 32 si estende, in contatto diretto, sulla regione intermedia 31, nonché sulla porzione esterna della prima regione dielettrica 30, lasciata esposta dalla regione intermedia 31. Inoltre, riferendosi alla parte esterna della porzione periferica della prima superficie intermedia Sint per indicare la parte della porzione periferica della prima superficie intermedia Sint lasciata esposta dalla prima regione dielettrica 30, la seconda regione dielettrica 32 si estende su tale parte esterna della porzione periferica della prima superficie intermedia Sint, a contatto con il terzo strato epitassiale 8.
Il fotodiodo 10 comprende inoltre una terza regione dielettrica 33, la quale si estende sulla seconda regione dielettrica 32, in contatto diretto, ed è delimitata superiormente da una seconda superficie intermedia S’int. Inoltre, la terza regione dielettrica 33 è formata ad esempio da nitruro di silicio (Si3N4) ed ha uno spessore compreso ad esempio tra 50nm e 100nm.
Il fotodiodo 10 comprende inoltre una quarta regione dielettrica 34, formata ad esempio da ossido TEOS, la quale si estende, in contatto diretto, al di sopra della terza regione dielettrica 33. Ad esempio, la quarta regione dielettrica 34 ha uno spessore compreso tra 1μm e 10μm. Inoltre, la quarta regione dielettrica 34 è delimitata superiormente da una superficie superiore Ssup.
La seconda, la terza e la quarta regione dielettrica 32, 33, 34 formano, in modo di per sé noto, una struttura antiriflesso.
Il fotodiodo 10 comprende inoltre una regione di isolamento laterale 24, la quale, in vista dall’alto, ha ad esempio una forma cava (ad esempio, una forma di corona circolare o di cornice quadrangolare).
In particolare, la regione di isolamento laterale 24 è disposta in una trincea 36 che si estende attraverso una porzione inferiore della quarta regione dielettrica 34, nonché attraverso la terza regione dielettrica 33, la seconda regione dielettrica 32, il terzo strato epitassiale 8 e una parte del secondo strato epitassiale 6, in modo da circondare lateralmente, tra l’altro, la prima regione dielettrica 30, la regione intermedia 31 e la regione d’anello 16. La trincea 36 si estende quindi a distanza dalla superficie superiore Ssup.
In maggior dettaglio, assumendo un sistema di riferimento ortogonale XYZ avente assi X e Y paralleli alla prima superficie intermedia Sint, la trincea 36 ha un asse di simmetria H parallelo all’asse Z, il quale può coincidere con gli assi di simmetria della regione di anodo 12, dell’anello di guardia 16 e della prima regione dielettrica 30.
La regione di isolamento laterale 24 comprende una regione di channel stopper 27, disposta più esternamente, ed una regione di barriera 28, disposta più esternamente.
La regione di channel stopper 27 è formata da materiale dielettrico (ad esempio, ossido) ed è disposta in contatto diretto con il corpo semiconduttore 1, la seconda, la terza e la quarta regione dielettrica 32, 33, 34; la regione di channel stopper 27 riveste le pareti laterali ed il fondo della trincea 36.
La regione di barriera 28 è formata da un materiale metallico (ad esempio, tungsteno) o da polisilicio ed è circondata lateralmente ed inferiormente dalla regione di channel stopper 27, con cui è in contatto diretto. La regione di barriera 28 contatta inoltre, superiormente, la quarta regione dielettrica 34.
A titolo puramente esemplificativo, la trincea 36 ha uno spessore invariante rispetto ad una coordinata angolare di un sistema di riferimento cilindrico con asse che coincide con l’asse di simmetria H; tale spessore può essere pari, ad esempio, a 15μm. Inoltre, regione di barriera 28 ha una larghezza ad esempio pari a 1μm, mentre la regione di channel stopper 27 ha uno spessore ad esempio pari a 25nm.
Operativamente, la regione di isolamento laterale 24 svolge la funzione di impedire che fotoni secondari generati nel fotodiodo SPAD 1 vengano assorbiti da fotodiodi SPAD adiacenti.
Il fotodiodo 10 comprende inoltre una metallizzazione di anodo 39, la quale ha ad esempio una forma anulare ed attraversa la seconda, la terza e la quarta regione dielettrica 32, 33, 34, in modo da contattare la regione intermedia 31. In tal modo, data la disposizione della metallizzazione di anodo 39, la corrente di valanga generata dal fotodiodo 10 scorre parallelamente all’asse di simmetria H.
Sebbene non mostrato, il fotodiodo 10 può comprendere anche un resistore di soppressione, formato ad esempio da una corrispondente regione di polisilicio (non mostrata), la quale si estende ad esempio nella terza regione dielettrica 33 ed è in contatto elettrico con la metallizzazione di anodo 39.
In aggiunta, il fotodiodo 10 comprende una pluralità di regioni di gettering 40, le quali si estendono nel substrato 4. In particolare, riferendosi alla prima ed alla seconda superficie S1, S2 per indicare le superfici che delimitano superiormente ed inferiormente il substrato 4, la regioni di gettering 40 si estendono a distanza dalla prima e dalla seconda superficie S1, S2; inoltre, le regioni di gettering 40 hanno una distribuzione planare e sono disposte, in vista dall’alto, all’interno della regione di isolamento laterale 24.
Senza alcuna perdita di generalità, nella forma di realizzazione mostrata in figura 1, le regioni di gettering 40 sono uguali tra loro. Ciascuna delle regioni di gettering 40 ha inoltre, in prima approssimazione, la forma di un parallelepipedo con altezza parallela all’asse X, lunghezza l (misurata lungo l’asse Y) compresa ad esempio tra 2μm e 10μm e larghezza w (misurata lungo l’asse Z) compresa ad esempio tra 0.5μm e 2μm; inoltre, regioni di gettering 40 adiacenti distano tra loro di una distanza d (misurata lungo l’asse Y) ad esempio compresa tra 2μm e 5μm. Inoltre, le regioni di gettering 40 distano dalla prima superficie S1 di una distanza k ad esempio compresa tra 0.5μm e 2μm.
In maggior dettaglio, le regioni di gettering 40 sono porzioni modificate del substrato 4, le quali hanno una elevata difettosità reticolare; in particolare, le regioni di gettering 40 sono regioni semiconduttive amorfe. Ad esempio, come descritto in maggior dettaglio in seguito, le regioni di gettering 40 possono essere formate mediante impiantazione. Operativamente, le regioni di gettering 40 fungono, tra l’altro, da centri di raccolta delle impurità metalliche.
Ai fini pratici, la regione arricchita 14, il substrato 4 ed il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 5, 6, 8 formano una regione di catodo del fotodiodo 10. Inoltre, la schiera 220 di fotodiodi 10 forma un fotomoltiplicatore a semiconduttore (“silicon photomultiplier”, SiPM), in cui i fotodiodi 10 sono soggetti sostanzialmente ad una medesima polarizzazione. A tal proposito, sebbene non mostrato, le metallizzazioni di anodo 39 e di catodo 42 dei fotodiodi 10 della schiera 220 sono configurate in modo da poter essere connesse tutte ad un unico generatore di tensione.
Ciò premesso, il fotodiodo 10 si caratterizza per il ridotto tempo di vita dei portatori minoritari che si generano in seguito all’assorbimento di fotoni secondari nella regione non svuotata del fotodiodo 10, e quindi nel substrato 4, nel primo, nel secondo e nel terzo strato epitassiale 5, 6, 8.
In dettaglio, nelle regioni di gettering 40, il summenzionato tempo di vita dei portatori minoritari è particolarmente ridotto, a causa dell’elevata difettosità. In altre parole, dopo che un portatore minoritario ha raggiunto, per diffusione, una regione di gettering 40, esso ha un’elevata probabilità di ricombinarsi in tempi rapidi, senza interferire con le giunzioni dei fotodiodi.
Inoltre, il primo ed il secondo strato epitassiale 5, 6 formano una sorta di regione di ricombinazione a elevato drogaggio, disposta vicino alla giunzione presente tra la regione di anodo 12 e la regione arricchita 14. La Richiedente ha osservato come il tempo di vita dei summenzionati portatori minoritari diminuisca al crescere del drogaggio della summenzionata regione di ricombinazione, nonché al diminuire della distanza tra tale regione di ricombinazione e la giunzione. Il ridotto drogaggio del terzo strato epitassiale 8 consente invece di prevenire la rottura di bordo della giunzione.
In aggiunta, come mostrato qualitativamente in figura 3 (non in scala), il secondo strato epitassiale 6, il primo strato epitassiale 5 ed il substrato 4 formano una sorta di scala decrescente di profili di drogaggio; conseguentemente, l’andamento della banda di valenza (indicata con EV, mentre EC, EFV, EFC e qVR indicano rispettivamente la banda di conduzione, i livelli di Fermi nella regione di anodo e nella regione di catodo della giunzione e l’energia associata ad una tensione inversa di polarizzazione pari a VR) definisce un cammino per i portatori minoritari (nella fattispecie, lacune), tale cammino estendendosi a partire dal secondo strato epitassiale 6, fino al substrato 4. Senza alcuna perdita di generalità, in tale forma di realizzazione il cammino comprende due gradini (in particolare, un primo gradino, formato dal primo e dal secondo strato epitassiale 5, 6, ed un secondo gradino, formato dal substrato 4 e dal primo strato epitassiale 5). In figura 3 si è assunto che, in prima approssimazione, la regione arricchita 14 sia interamente svuotata.
In pratica, qualora un fotone secondario venga assorbito nel substrato 4 o nel primo o nel secondo strato epitassiale 5, 6, la corrispondente lacuna generata ha un cammino preferenziale verso il substrato 4, anziché verso la giunzione del fotodiodo 10 o verso le giunzioni di fotodiodi adiacenti, dunque ha una minore probabilità di contribuire al rumore. Inoltre, è probabile che tale lacuna si ricombini, mentre percorre il summenzionato cammino.
In generale, il numero di scalini del summenzionato cammino per i portatori minoritari può variare. Ad esempio, la figura 4 mostra una forma di realizzazione in cui i gradini sono quattro. Infatti, il corpo semiconduttore 1 comprende un quarto ed un quinto strato epitassiale 54, 55.
In dettaglio, il quarto strato epitassiale 54 è di tipo N-, ha uno spessore compreso ad esempio tra 3μm e 5μm e sovrasta, in contatto diretto, il substrato 4. Inoltre, il quarto strato epitassiale 54 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<14 >cm<-3 >e 1*10<15 >cm<-3>.
Il quinto strato epitassiale 55 è di tipo N, ha uno spessore compreso ad esempio tra 4μm e 6μm ed è interposto, in contatto diretto, tra il quarto strato epitassiale 54 ed il primo strato epitassiale 5. Inoltre, il quinto strato epitassiale 55 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<15 >cm<-3 >e 1*10<16 >cm<-3>.
Sono tuttavia possibili anche forme di realizzazione in cui non viene implementato il cammino a scala descritto in precedenza. Ad esempio, come mostrato in figura 5, il substrato (qui indicato con 104) è di tipo N++, dunque può avere un livello di drogaggio compreso ad esempio tra 1*10<19 >cm<-3 >e 5*10<19 >cm<-3>; lo spessore del substrato 104 può essere compreso ancora tra 80μm e 200μm. Inoltre, il corpo semiconduttore 1 è privo della regione di contatto posteriore 2 e comprende, oltre al substrato 104, uno strato epitassiale intermedio 105 ed il terzo strato epitassiale 8. Lo strato epitassiale intermedio 105 è interposto tra il substrato 104 ed il terzo strato epitassiale 8, è di tipo N, ha spessore compreso ad esempio tra 1μm e 2μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 5*10<16 >cm<-3 >e 1*10<17>cm<-3>.
Come mostrato ancora in figura 5, le regioni di gettering 40 possono estendersi all’interno del volume delimitato dalla trincea 36.
Il presente fotodiodo può essere realizzato mediante il procedimento di fabbricazione descritto qui di seguito, con riferimento, a titolo puramente esemplificativo, alla forma di realizzazione mostrata in figura 1.
Inizialmente, come mostrato in figura 6, viene predisposto il substrato 4, il quale ha uno spessore ad esempio compreso tra 300μm e 500μm. Come spiegato in seguito, il substrato 4 è delimitato superiormente ed inferiormente dalla prima superficie S1 e, rispettivamente, da una prima superficie temporanea S2’.
Successivamente, viene eseguito un trattamento termico, al fine di creare un primo ed un secondo strato dielettrico 60, 62, rispettivamente al di sopra della prima superficie S1 ed al di sotto della prima superficie temporanea S2’, come mostrato in figura 7. Il primo ed il secondo strato dielettrico 60, 62 sono quindi formati da ossido termico e hanno uno spessore ad esempio pari a circa 250nm.
In seguito, come mostrato in figura 8, vengono rimosse selettivamente porzioni del primo strato dielettrico 60, in modo da sagomarlo. Sebbene non mostrato, la rimozione di porzioni del primo strato dielettrico 60 può avvenire mediante esecuzione di un processo fotolitografico che prevede la predisposizione di una maschera di resist (non mostrata) sul primo strato dielettrico 60 ed un successivo attacco chimico secco (“dry etch”). Le porzioni rimanenti del primo strato dielettrico 60 formano una maschera 64 di tipo hard. La maschera 64 delimita una pluralità di finestre 66, che si affacciano sulla prima superficie S1.
In seguito, dopo aver rimosso la summenzionata maschera di resist (non mostrata), viene eseguito un impianto, rappresentato dalle frecce 68 mostrate in figura 9, in modo da creare nel substrato 4 regioni preliminari 40’, destinate a formare le regioni di gettering 40. In particolare, l’impianto è fatto in maniera tale da non alterare il drogaggio del substrato 4; in altre parole, attraverso le finestre 66 vengono impiantate specie non droganti, quali ad esempio ioni idrocarburici (ad esempio, ioni di C2H5 o C3H5), oppure, sempre a titolo di esempio, ioni di elementi chimici del quarto o dell’ottavo gruppo della tavola periodica (ad esempio, ioni di carbonio o elio). Ad esempio, nel caso degli ioni idrocarburici, l’impianto può avvenire con un dosaggio pari a 2*10<15>cm<-2 >e con energia pari a 100KeV. In tal modo, rispetto al substrato 4, le regioni preliminari 40’ hanno un medesimo livello di drogaggio, ma si caratterizzano per una diversa struttura morfologica, dal momento che hanno una struttura amorfa, anziché reticolare, quindi hanno un’elevata difettosità reticolare rispetto alle porzioni non impiantate del substrato 4; in altre parole, le operazioni di impianto danneggiano localmente la struttura reticolare del substrato 4. Inoltre, in prima approssimazione, le regioni preliminari 40’ hanno la medesima forma e disposizione descritte con riferimento alle regioni di gettering 40, quindi, tra le altre cose, distano la summenzionata distanza k dalla prima superficie S1.
Successivamente, come mostrato in figura 10, la maschera 64 viene rimossa, insieme allo strato dielettrico inferiore 62, ad esempio mediante un attacco umido (“wet etch”); inoltre, vengono effettuati processi di crescita epitassiale, al fine di crescere il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 5, 6, 8. A tal proposito, i processi di crescita avvengono ad una temperatura ad esempio pari a (circa) 1100°C. Pertanto, i processi di crescita epitassiale fungono anche da trattamento termico (“annealing”) nei confronti delle regioni preliminari 40’, trasformando queste ultime nelle regioni di gettering 40.
Successivamente, viene eseguita una lavorazione frontale della piastrina 100, in modo di per sé noto e quindi qui non descritto. In tal modo, come mostrato in figura 11, viene vengono formate la regione di anodo 12, la regione arricchita 14, l’anello di guardia 16, la prima, la seconda, la terza e la quarta regione dielettrica 30, 32, 33, 34, la regione intermedia 31 e la regione di isolamento laterale 24.
Successivamente, come mostrato in figura 12, viene eseguito un processo di lappatura sul retro (“back grinding”), in modo da ridurre lo spessore del substrato 4. Al termine di tale operazione, il substrato 4 è delimitato inferiormente da una seconda superficie temporanea S2”.
In seguito, come mostrato in figura 13, viene eseguito un impianto sul retro della piastrina 100, in modo da formare la regione di contatto posteriore 2. Al termine di tale operazione, il substrato 4 è delimitato inferiormente dalla seconda superficie S2. In seguito, viene poi formata la metallizzazione di catodo 42.
I vantaggi che il presente fotodiodo consente di ottenere emergono chiaramente dalla discussione precedente. In particolare, il presente fotodiodo è un rilevatore a due terminali che si caratterizza per un rumore ridotto, senza che sia necessario ridurre la sovratensione di utilizzo e/o dell’area attiva; tale fotodiodo non richiede inoltre ulteriori terminali oltre ai summenzionati due terminali. Pertanto, tale fotodiodo può essere integrato in schiere ad elevato fattore di riempimento (“fill factor”), quindi con area ed efficienza di rilevazione elevate, senza compromettere il rapporto segnale-rumore.
In aggiunta, il procedimento di fabbricazione proposto prevede di formare le regioni di gettering in prossimità della giunzione, quindi consente di attivare il meccanismo di gettering mediante processi termici di durata e temperatura relativamente ridotte, compatibili con processi di fabbricazione di tipo (ad esempio) CMOS. In tal modo, il procedimento proposto risulta compatibile con la fabbricazione di giunzioni superficiali sottili, dunque consente di ottenere fotodiodi SPAD con un’elevata efficienza di rilevazione ed una ridotta tensione di breakdown.
Relativamente a possibili applicazioni, la figura 14 mostra come la schiera 220 possa essere utilizzata in un sistema di rilevazione 500, il quale include una sorgente luminosa 200 atta ad illuminare la schiera 220, la quale è polarizzata da un alimentatore 510 ed è collegata ad un’unità a microcontrollore 520, eventualmente mediante interposizione di uno stadio di pre-amplificazione (non mostrato). L’unità a microcontrollore 520 elabora il segnale di uscita della schiera 220 e fornisce un segnale elaborato ad un elaboratore 530, il quale consente di analizzare tale segnale elaborato e di visualizzare le informazioni associate a tale segnale elaborato su uno schermo 540. In modo di per sé noto e quindi non mostrato, l’unità a microcontrollore 520 può comprendere un convertitore analogico-digitale ed un microcontrollore, disposto a valle del convertitore digitale.
Risulta infine evidente che al fotodiodo descritto possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione.
Come precedentemente accennato, il numero di strati epitassiali ed i relativi spessori e drogaggi possono variare rispetto a quanto descritto.
I tipi di conducibilità possono essere invertiti rispetto a quanto descritto, nel qual caso i summenzionati portatori minoritari sono elettroni; il substrato e gli strati epitassiali possono continuare ad avere livelli di drogaggio decrescenti in direzione del substrato.
Al posto del silicio, può essere impiegato un diverso materiale semiconduttore.
La regione di anodo 12, anziché essere affacciata alla superficie intermedia Sint, può essere sovrastata da una regione superiore di tipo N; in tal caso, la giunzione PN si trova ad una profondità maggiore rispetto a quanto descritto in precedenza.
L’anello di guardia 16 e/o la regione arricchita 14 possono essere assenti o possono avere caratteristiche diverse rispetto a quanto descritto.
La regione di isolamento laterale 24 può differire da quanto descritto, sia per quanto riguarda la geometria, sia per quanto riguarda la struttura ed i materiali. La regione di isolamento laterale 24 può anche essere assente.
In aggiunta, il numero, le caratteristiche geometriche ed i materiali delle regioni dielettriche disposte al di sopra della superficie intermedia Sint possono variare rispetto a quanto descritto. Ad esempio, la seconda regione dielettrica 32 può essere assente.
E’ altresì possibile che le regioni di gettering vengano formate in uno strato epitassiale, anziché nel substrato. In tal caso, il processo di fabbricazione prevede che la maschera 64 venga formata su una struttura semiconduttiva preliminare (non mostrata) che include il substrato, lo strato epitassiale in cui verranno formate le regioni di gettering ed eventuali strati epitassiali intermedi; almeno un ulteriore strato epitassiale verrà poi formato al di sopra di tale struttura semiconduttiva preliminare.
E’ inoltre possibile implementare la variante mostrata in figura 15, in cui all’esterno della regione di isolamento laterale 24 è presente una cavità 157, la quale si estende a partire dalla superficie inferiore Sinf, attraverso la metallizzazione di catodo 42, la regione di contatto posteriore 2, il substrato 4, il primo ed il secondo strato epitassiale 5, 6 e parte del terzo strato epitassiale 8. In particolare, la cavità 157 è delimitata da una parete superiore di cavità S157, formata dal terzo strato epitassiale 8 ed avente ad esempio forma di corona circolare, in vista dall’alto. La cavità 157 ha quindi forma anulare ed è delimitata lateralmente da una prima ed una seconda parete laterale P1, P2 aventi la forma di pareti cilindriche coassiali, con asse coincidente con l’asse di simmetria H.
In pratica, la forma di realizzazione mostrata in figura 15 prevede una riduzione dello spessore del materiale semiconduttivo in un volume elettricamente inattivo del fotodiodo. Tale riduzione dello spessore del materiale semiconduttivo consente di ridurre ulteriormente la probabilità di assorbimento dei fotoni secondari, e quindi la probabilità di generazione dei summenzionati portatori minoritari.

Claims (18)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger, comprendente un corpo semiconduttore (1) che include: - una struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6; 104, 105); - uno strato epitassiale frontale (8) di un primo tipo di conducibilità, il quale è disposto sulla struttura semiconduttiva; e - una regione di anodo (12) di un secondo tipo di conducibilità, la quale si estende nello strato epitassiale frontale; detto fotodiodo comprendendo inoltre una pluralità di regioni di gettering (40), disposte nella struttura semiconduttiva.
  2. 2. Fotodiodo secondo la rivendicazione 1, in cui la struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6) comprende un substrato (4) del primo tipo di conducibilità ed un numero di strati epitassiali intermedi (5, 6; 4, 54, 55, 5, 6) del primo tipo di conducibilità, detti strati epitassiali intermedi essendo interposti tra il substrato e lo strato epitassiale frontale (8); ed in cui il substrato e gli strati epitassiali intermedi hanno rispettivi livelli di drogaggio, i quali decrescono in direzione del substrato.
  3. 3. Fotodiodo secondo la rivendicazione 2, in cui le regioni di gettering (40) sono disposte nel substrato (4).
  4. 4. Fotodiodo secondo la rivendicazione 3, in cui il substrato (4) è delimitato da una superficie frontale (S1), rivolta verso gli strati epitassiali intermedi (5, 6; 4, 54, 55, 5, 6); ed in cui le regioni di gettering (40) hanno una disposizione planare e sono disposte a distanza dalla superficie frontale.
  5. 5. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui il substrato (4;104) ha uno spessore compreso tra 80μm e 200μm.
  6. 6. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 5, in cui la struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6) comprende almeno uno strato intermedio prossimale (6), il quale è interposto tra il substrato (4) e lo strato epitassiale frontale (8), in contatto diretto con lo strato epitassiale frontale, detto strato intermedio prossimale avendo un livello di drogaggio superiore al livello di drogaggio dello strato epitassiale frontale.
  7. 7. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una regione di isolamento laterale (24), la quale ha forma anulare e si estende attraverso lo strato epitassiale frontale (8) e parte della struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6; 104, 105), in modo da circondare, a distanza, la regione di anodo (12), detta regione di isolamento laterale comprendendo una regione conduttiva di barriera (28) ed una regione isolante (27), la quale circonda la regione di barriera.
  8. 8. Fotodiodo secondo la rivendicazione 7, in cui il corpo semiconduttore (1) è delimitato da una superficie anteriore (Sint), la quale sovrasta la regione di anodo (12), e da una superficie posteriore (Sinf), detto fotodiodo (10) comprendendo inoltre una cavità (157) di forma anulare, la quale si estende attraverso il corpo semiconduttore a partire dalla superficie posteriore, circondando lateralmente parte della regione di isolamento laterale (24), a distanza dalla superficie anteriore.
  9. 9. Schiera di fotodiodi (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, detta schiera comprendendo una piastrina (100) di materiale semiconduttore, detti fotodiodi essendo integrati in detta piastrina.
  10. 10. Sistema di rivelazione di fotoni comprendente: - una schiera (220) secondo la rivendicazione 9; - una sorgente luminosa (200) accoppiata otticamente alla schiera; e - un’unità di elaborazione (520,530) accoppiata elettricamente alla schiera.
  11. 11. Procedimento di fabbricazione di un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger, comprendente la fase di formare un corpo semiconduttore (1), detta fase di formare un corpo semiconduttore includendo le fasi di: - formare una struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6; 104, 105); - sulla struttura semiconduttiva, formare uno strato epitassiale frontale (8) di un primo tipo di conducibilità; e - nello strato epitassiale frontale, formare una regione di anodo (12) di un secondo tipo di conducibilità; detto procedimento di fabbricazione comprendendo inoltre una fase di formare una pluralità di regioni di gettering (40) nella struttura semiconduttiva.
  12. 12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, in cui detta fase di formare una struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6) comprende formare un substrato (4) del primo tipo di conducibilità ed un numero di strati epitassiali intermedi (5, 6; 4, 54, 55, 5, 6) del primo tipo di conducibilità, detti strati epitassiali intermedi essendo interposti tra il substrato e lo strato epitassiale frontale (8); ed in cui il substrato e gli strati epitassiali intermedi hanno rispettivi livelli di drogaggio, i quali decrescono in direzione del substrato.
  13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui detta fase di formare una pluralità di regioni di gettering (40) comprende formare le regioni di gettering nel substrato (4).
  14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui detta fase di formare una struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6) comprende formare almeno uno strato intermedio prossimale (6), il quale è interposto tra il substrato (4) e lo strato epitassiale frontale (8), in contatto diretto con lo strato epitassiale frontale, detto strato intermedio prossimale avendo un livello di drogaggio superiore al livello di drogaggio dello strato epitassiale frontale.
  15. 15. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 14, comprendente inoltre una fase di formare una regione di isolamento laterale (24), in modo che abbia forma anulare e si estenda attraverso lo strato epitassiale frontale (8) e, in parte, attraverso la struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6; 104, 105), circondando, a distanza, la regione di anodo (12), detta regione di isolamento laterale comprendendo una regione conduttiva di barriera (28) ed una regione isolante (27), la quale circonda la regione di barriera.
  16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 15, in cui il corpo semiconduttore (1) è delimitato da una superficie anteriore (Sint), la quale sovrasta la regione di anodo (12), e da una superficie posteriore (Sinf); detto procedimento comprendendo inoltre una fase di formare una cavità (157) di forma anulare, la quale si estende attraverso il corpo semiconduttore a partire dalla superficie posteriore, circondando lateralmente parte della regione di isolamento laterale (24), a distanza dalla superficie anteriore.
  17. 17. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 16, in cui detta fase di formare una pluralità di regioni di gettering (40) comprende: - formare una prima parte della struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6; 104, 105), avente una struttura reticolare; e successivamente - eseguire un impianto selettivo in detta prima parte della struttura semiconduttiva, in modo da danneggiare porzioni (40’) della struttura reticolare; e successivamente - formare una seconda parte della struttura semiconduttiva e lo strato epitassiale frontale (8).
  18. 18. Procedimento secondo la rivendicazione 17, in cui detta prima parte della struttura semiconduttiva (4, 5, 6; 4, 54, 55, 5, 6; 104, 105) è delimitata da una superficie superiore (S1); ed in cui detta fase di eseguire un impianto selettivo viene eseguita in maniera tale per cui dette porzioni danneggiate (40’) si estendono a distanza dalla superficie superiore.
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