CN108417590A - Nmos型栅体互连光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NMOS型栅体互连光电探测器及其制备方法，光电探测器由栅体互连NMOS晶体管和光电二极管复合而成；在P型半导体衬底上，由N型杂质注入形成N阱，在N阱内通过P型杂质注入形成T阱；在T阱中通过掺杂或离子注入形成NMOS晶体管，将NMOS晶体管的栅体互连。包括：在热生长的二氧化硅栅氧层上用化学气相淀积法淀积多晶硅，干法刻蚀出多晶硅栅图形；离子注入分别制作出NMOS晶体管的源、漏、P型衬底和N阱、T阱接触区；光刻出NMOS晶体管源极、漏极、栅极，及P型衬底和N阱、T阱接触区的引线孔，淀积一层金属膜，光刻出晶体管和接触区的电极图形；利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其它高层互连金属，用于将光电流引出至接触焊盘。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术和互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)图像传感器技术领域，尤其涉及一种基于标准CMOS工艺的NMOS型栅体互连光电探测器及其制备方法。
背景技术
CMOS图像传感器是一种典型的固态成像传感器，与电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)图像传感器有着相同的历史渊源。但是，它与CCD图像传感器相比，具有低成本、低功耗、易集成等优点。因此，CMOS图像传感器广泛应用于数码相机、摄像机、工业监控等消费产品和工业产品领域。
近年来，随着CMOS图像传感器技术的飞速发展，其应用领域已逐渐扩展到生物分子成像、生物荧光探测、微弱天文信号观测等弱光探测领域，因而对CMOS图像传感器的探测灵敏度提出了更高的要求。作为CMOS图像传感器像素单元的核心组件，光电探测器的优劣对CMOS图像传感器的探测灵敏度具有决定性的影响。因此，研发具有高灵敏度的光电探测器逐渐成为一项重要的研究课题。
传统CMOS图像传感器中的探测器主要有钳位光电二极管(Pinned Photo Diode，PPD)和雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)两种。对PPD而言，受其工作原理限制，不能提供光电流增益，且量子效应不高，因而探测灵敏度较低，不能满足弱光探测的需求。APD能够实现高灵敏度探测，但雪崩电荷的积累需要很高的工作电压，因而难以兼容CMOS读出电路。此外，基于APD的图像传感器像素面积大、功耗高。
综上所述，PPD和APD在弱光探测方面仍存在一些不足之处。最近，Campos F S等人提出了一种基于标准CMOS工艺的栅控双晶体管型光电探测器结构，在弱光环境下的光电流增益超过了106倍，但在光照较弱时，其光电流增益明显下降，具有一定的应用局限性。
鉴于上述光电探测器的缺点，为了实现光电探测器的高灵敏度、低功耗、易集成等性能，需要用技术成熟的标准CMOS工艺研制低成本、高性能的复合结构光电探测器。
发明内容
本发明提供了一种NMOS型栅体互连光电探测器及其制备方法，本发明基于标准CMOS工艺，克服了PPD灵敏度低和APD不易集成、功耗大等缺点，实现了光电探测器的高灵敏度、低功耗、易集成等性能，详见下文描述：
一种NMOS型栅体互连光电探测器，所述光电探测器适用于弱光探测，基于标准CMOS工艺，所述光电探测器由栅体互连NMOS晶体管和光电二极管复合而成；
在P型半导体衬底上，由N型杂质注入形成N阱，在N阱内通过P型杂质注入形成T阱；
再在T阱中通过掺杂或离子注入形成NMOS晶体管，将NMOS晶体管的栅-体互连。
当可见光照射光电二极管区域时，入射光激发电子-空穴对；
光生电子逆着电势梯度方向转移到N阱，光生空穴在T阱底部聚集，改变NMOS晶体管的栅极电势，使其工作在弱反型或强反型状态；
MOS晶体管将光电流放大为漏电流输出。
进一步地，所述光电探测器基于UMC 0.18μm标准CMOS工艺设计。
具体实现时，在光强小于10-4W/cm-2时，所述光电探测器的光电流增益超过了105倍，且光电流增益随光强的增加而减小，但总体增益仍大于102倍。
一种NMOS型栅体互连光电探测器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)利用氧化、淀积、光刻刻蚀及化学机械抛光在P型轻掺杂硅衬底上制备浅槽隔离；
2)在P型轻掺杂硅衬底上生成二氧化硅垫层和氮化硅薄膜，在二氧化硅垫层和氮化硅薄膜上制作出N阱窗口，进行N阱杂质注入，然后进行高温退火处理；
3)重新生成二氧化硅垫层和氮化硅薄膜，然后在二氧化硅和氮化硅薄层上制作出T阱窗口，进行T阱杂质注入，再进行高温退火处理，重新生成二氧化硅栅氧层；
4)在热生长的二氧化硅栅氧层上用化学气相淀积法淀积多晶硅，然后用干法刻蚀出多晶硅栅图形；
5)用离子注入分别制作出NMOS晶体管的源S、漏D以及P型衬底和N阱、T阱的接触区；
6)光刻出NMOS晶体管的源极S、漏极D、栅极G，以及P型衬底和N阱、T阱接触区的引线孔，然后淀积一层金属膜，并光刻出晶体管和接触区的电极图形；
7)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其它高层互连金属，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘；
8)在器件表面淀积一层钝化膜，避免杂质和水汽侵入。
进一步地，多晶硅栅表面的光照窗口为金属开放区，增加透光量。
本发明提出了一种适用于弱光探测的、高灵敏度的NMOS型栅体互连光电探测器结构，与传统PPD型探测器结构相比，本发明具有如下优点：
1、本发明设计的光电探测器灵敏度高，有效光电流增益超过106倍；
2、本发明设计的光电探测器采用栅体互连的NMOS管结构，可以通过光强改变NMOS管阈值电压和栅源电压，从而实现光电流的放大和输出；
3、本发明设计的光电探测器的结构与标准CMOS工艺完全兼容，易集成、功耗低，完全满足弱光条件下的工作要求。
附图说明
图1为光电探测器的剖面图；
图2为光电探测器的平面图；
图3为光电探测器的栅电压变化效果图；
图4为光电探测器的漏电流变化效果图；
图5为光电探测器的光电流增益效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例所述的基于标准CMOS工艺的NMOS型栅体互连光电探测器，由栅体互连NMOS晶体管和光电二极管(PD)复合而成。
该光电探测器基于UMC 0.18μm标准CMOS工艺设计，在P型半导体衬底上，由N型杂质注入形成N阱，在N阱内通过P型杂质注入形成T阱(浅P阱)，再在T阱中用掺杂或离子注入的方法形成NMOS晶体管，最后将NMOS晶体管的栅-体互连，进而构成复合型光电探测器结构。当可见光照射光电二极管区域时，入射光激发电子-空穴对。
其中，光生电子逆着电势梯度方向转移到N阱，而光生空穴在T阱底部聚集，改变NMOS晶体管的栅极电势，使其工作在弱反型或强反型状态，随后MOS晶体管将光电流放大为漏电流输出。
实施例2
基于上述探测器结构，本发明实施例所述光电探测器的制备方法实施如下：
1)利用氧化、淀积、光刻刻蚀及化学机械抛光等标准CMOS工艺在P型轻掺杂硅衬底上制备浅槽隔离(STI)，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响。
2)在轻掺杂的P型衬底上制作N阱；
首先在P型衬底上生成二氧化硅垫层和氮化硅薄膜，然后在二氧化硅垫层和氮化硅薄膜上制作(光刻、刻蚀)出N阱窗口，进行N阱杂质(如磷离子)注入，然后进行高温退火处理。
3)在N阱中制作T阱；
重新生成二氧化硅垫层和氮化硅薄膜，然后在二氧化硅和氮化硅薄层上制作(光刻、刻蚀)出T阱窗口，进行T阱杂质(如硼离子)注入，再进行高温退火处理，重新生成二氧化硅栅氧层。
4)制作多晶硅栅；
首先在热生长的二氧化硅栅氧层上用化学气相淀积法淀积多晶硅，然后用干法刻蚀出多晶硅栅图形。
5)有源区掺杂；
用离子注入法分别制作出NMOS晶体管的源S、漏D以及P型衬底和N阱、T阱的接触区。
6)制作接触孔；
光刻出NMOS晶体管的源极S、漏极D、栅极G，以及P型衬底和N阱、T阱接触区的引线孔，然后淀积一层金属膜，并光刻出晶体管和接触区的电极图形。
其中，多晶硅栅表面的光照窗口为金属开放区(除必要的电极金属外，不加其它金属层)，增加透光量。
7)金属互连；
利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其它高层互连金属，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘。
8)在器件表面淀积一层钝化膜(如硅酸玻璃)，避免杂质和水汽侵入。
实施例3
本发明实施例提出了一种NMOS型栅体互连光电探测器结构，具有较高的灵敏度，能够实现微弱光信号的放大。下面结合附图和实例对光电探测器结构作进一步的解释和说明：
参见图1和图2，以面积为25μm×25μm的探测器为例，该光电探测器具体结构如下：
1)图中101部分为探测器的衬底，衬底101的材料选用轻掺杂(～1015cm-3)的P型硅晶圆。衬底101作为探测器的支撑基底；
2)图中102部分为光感应区，是N阱和T阱形成的PD(光电二极管)结构，当光线从栅极上方射入到该结构时，该结构产生和收集光生电荷；
3)图中103部分为器件的N阱，N阱103的材料采用中等掺杂(～1016cm-3)的N型硅，面积约为25μm×25μm。N阱103的主要作用：一方面作为PD(光电二极管)的组成部分，参与光生电荷的产生和收集；另一方面也使NMOS管与衬底隔离；
4)图中104部分为T阱，T阱材料采用中等掺杂(～1017cm-3)的P型硅，面积约为21μm×21μm。T阱104的主要作用：一方面作为NMOS管的局部衬底；另一方面作为PD(光电二极管)的组成部分，为主要的光生电荷产生和积累区域；
5)图中105部分为NMOS管的漏区D，采用材料为重掺杂(～1020cm-3)的N型硅，面积约为7μm×8μm。漏区D为NMOS管放大光电流的输出端；
6)图中106部分为NMOS管的栅区G，采用材料为重掺杂(～1020cm-3)的N型多晶硅，面积约为2μm×8μm。栅区G控制NMOS管的通断和放大光电流的大小；
7)图中107部分为NMOS管的源区S，采用材料为重掺杂(～1020cm-3)的N型硅，长度约为7μm×8μm。器件工作时，源区S接地；
8)图中108部分为T阱接触区，面积约为1μm×8μm，采用重掺杂(～1020cm-3)的P型硅与接触金属形成欧姆接触。器件工作时，T阱接触区108的电极与NMOS管的栅极G电极相连，当光线入射到器件感光区时，光强变化可以使NMOS管栅极G电压随T阱电压同步变化；
9)图中109部分为N阱接触区，面积约为1μm×8μm，采用重掺杂(～1020cm-3)的N型硅与接触金属形成欧姆接触。器件工作时，N阱接触区109的电极接高电位；
10)图中110部分为P型衬底接触区，长度约为1μm×8μm，采用重掺杂(～1020cm-3)的P型硅与接触金属形成欧姆接触。器件工作时，P型衬底接触区110的电极接地。
上述基于标准CMOS工艺的NMOS型栅体互连光电探测器工作机理和过程如下：
1)上电准备阶段；
NMOS管栅极处于悬空状态，并与T阱电极相连。NMOS管源极S和P型衬底电极接地，漏极D接0.4V固定电位，N阱电极接1.8V高电位，等待曝光。
2)曝光；
待测光从NMOS管栅极上方入射到所述光电探测器的表面感光区域，即NMOS晶体管栅极。
3)光生电荷的收集；
光照会在耗尽区产生大量电子-空穴对，电子逆着电势梯度方向流向N阱，而空穴则在T阱内积累。
4)T阱电势变化，漏电流输出。
随着在T阱内积累光生空穴的增多，T阱电势被拉高，进而降低NMOS晶体管的阈值电压，提高NMOS晶体管的栅压，从而使NMOS晶体管工作在亚阈值或强反型状态。NMOS晶体管开启，把光电流转化为NMOS晶体管漏电流后输出。
实施例4
下面以面积为25μm×25μm的器件结构为例，对光电探测器的制备方法进行详细叙述，详见下文描述：
1)利用氧化、淀积、光刻刻蚀及化学机械抛光等标准CMOS工艺在P型轻掺杂硅衬底上制备浅槽隔离(STI)，实现光电探测器和电子电路间的电学隔离，避免相互影响。
2)在<100>晶向的P型硅衬底上依次淀积50nm二氧化硅薄层和200nm氮化硅薄层，然后在二氧化硅和氮化硅薄层上光刻、刻蚀出25μm×25μm N阱窗口，注入磷离子进行N阱掺杂(杂质浓度～5×1015cm-3)，然后高温退火处理。
3)在N阱中制作T阱。
重新生成50nm二氧化硅垫层和200nm氮化硅薄膜，然后在二氧化硅和氮化硅薄层上光刻、刻蚀出21×21μm T阱窗口，注入硼离子进行T阱掺杂(杂质浓度～1×1017cm-3)，然后高温退火。
4)确定NMOS晶体管的有源区，源区S面积为7μm×8μm、漏区D面积为7μm×8μm、栅区G面积为2μm×8μm。
5)制作多晶硅栅。
首先在热生长的栅氧层上用化学气相淀积法淀积多晶硅，然后用干法刻蚀出多晶硅，厚度约为20nm。
6)有源区掺杂。
用离子注入法制作出NMOS管的源区S、漏区D以及P型衬底、N阱、T阱接触区。源区S和漏区D的掺杂浓度约为1×1020cm3，结深约为0.17μm，衬底和N阱、T阱的接触区掺杂浓度约为1×1020cm3，结深约为0.05μm。
7)制作接触孔。
光刻出NMOS晶体管的源区S、漏区D、栅区G、N阱、T阱和P型衬底接触区的引线孔，接触孔面积约为0.5×0.5μm2，然后淀积一层金属膜，并光刻出晶体管和接触区的电极图形。其中，多晶硅栅极表面(光照窗口)为金属开放区(除电极金属外，不加其他金属层)，以增加进光量。
8)金属互连。
利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其它高层互连金属，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘。
9)在器件表面淀积一层钝化膜(如硅酸玻璃)，厚度约为50nm，避免杂质和水汽侵入。
实施例5
本发明实施例基于标准CMOS工艺，设计了一种NMOS型栅体互连光电探测器，通过入射光光强来改变NMOS管阈值电压和栅极电压，NMOS管栅极电压随光强的变化曲线如图3所示。NMOS晶体管的栅极电压随光照强度增强而增大，且呈对数关系变化。这是因为光电流是光强线性函数，栅极电压是光电流的对数函数。
NMOS晶体管阈值电压和栅极电压的改变会使NMOS管工作在亚阈值或强反型状态，从而把光电流转化为NMOS管漏电流输出。NMOS管的漏电流随光强的变化曲线如图4所示。漏电流随光强的增大而增大，且与相同光强下的光电流相比，高出数个数量级。这是因为光强的增大转化为NMOS管阈值电压的减小和栅极电压的增大，从而开启了NMOS管，使光电流放大数个数量级。
本发明实施例的光电探测器结构具有极高的光电流增益，其随光强变化曲线如图5所示。在光强小于10-4W/cm-2时，光电流增益超过了105倍，且光电流增益随光强的增加而减小，但总体增益仍大于102倍，非常适用于弱光探测。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。
Claims (5)
1.一种NMOS型栅体互连光电探测器，其特征在于，所述光电探测器适用于弱光探测，且基于标准CMOS工艺；
所述光电探测器由栅体互连NMOS晶体管和光电二极管复合而成；
在P型半导体衬底上，由N型杂质注入形成N阱，在N阱内通过P型杂质注入形成T阱；
再在T阱中通过掺杂或离子注入形成NMOS晶体管，将NMOS晶体管的栅-体互连；
当可见光照射光电二极管区域时，入射光激发电子-空穴对；
光生电子逆着电势梯度方向转移到N阱，光生空穴在T阱底部聚集，改变NMOS晶体管的栅极电势，使其工作在弱反型或强反型状态；
MOS晶体管将光电流放大为漏电流输出。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
所述光电探测器基于UMC 0.18μm标准CMOS工艺设计。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，
在光强小于10-4W/cm-2时，所述光电探测器的光电流增益超过了105倍，且光电流增益随光强的增加而减小，但总体增益仍大于102倍。
4.一种用于权利要求1-3中任一权利要求所述的NMOS型栅体互连光电探测器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)利用氧化、淀积、光刻刻蚀及化学机械抛光在P型轻掺杂硅衬底上制备浅槽隔离；
2)在P型轻掺杂硅衬底上生成二氧化硅垫层和氮化硅薄膜，在二氧化硅垫层和氮化硅薄膜上制作出N阱窗口，进行N阱杂质注入，然后进行高温退火处理；
3)重新生成二氧化硅垫层和氮化硅薄膜，然后在二氧化硅和氮化硅薄层上制作出T阱窗口，进行T阱杂质注入，再进行高温退火处理，重新生成二氧化硅栅氧层；
4)在热生长的二氧化硅栅氧层上用化学气相淀积法淀积多晶硅，然后用干法刻蚀出多晶硅栅图形；
5)用离子注入分别制作出NMOS晶体管的源S、漏D以及P型衬底和N阱、T阱的接触区；
6)光刻出NMOS晶体管的源极S、漏极D、栅极G，以及P型衬底和N阱、T阱接触区的引线孔，然后淀积一层金属膜，并光刻出晶体管和接触区的电极图形；
7)利用光刻、刻蚀及金属化工艺制备其它高层互连金属，用于将光电探测器的光电流引出至接触焊盘；
8)在器件表面淀积一层钝化膜，避免杂质和水汽侵入。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，多晶硅栅表面的光照窗口为金属开放区，增加透光量。
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