CN109728019A - 基于绝缘层上硅的单晶体管主动像素传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于绝缘层上硅的单晶体管主动像素传感器及制备方法，建立在绝缘层上硅的衬底上，具有低的衬底掺杂，无需传统MOSFET的阱注入掺杂；新型图像传感器的源漏区域具有一大块不被金属电极覆盖的区域以透光；通过施加背栅极脉冲，在衬底中形成深度耗尽，并以此耗尽区收集光生电子，聚集在氧化埋层/衬底界面上的光生电子将造成上硅层中MOSFET的阈值电压偏移和电流变化；正栅极用来进行图像传感阵列中的单元选通。本发明使用单个晶体管完成光电传感、电荷积分、缓冲放大和阵列选通的功能，无需转移电荷，也无需额外的晶体管辅助，具有高量子效率，低功耗和高速度等优点。

Description

基于绝缘层上硅的单晶体管主动像素传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种基于绝缘层上硅的新型单晶体管主动像素传感器及制备方法。

背景技术

图像感器是成像系统的核心部件，其应用非常广泛。不光与我们生活息息相关，集成在手机，平板和电脑等消费电子产品中。而且在军用和科研等领域都至关重要。目前通用的图像传感器大体分为两类，一类是使用电容收集光生载流子，如常用的CCD传感器(参考文选：Keith Fife,Abbas El Gamal and H.-S.Philip Wong,A 0.5p,m Pixel Frame-Transfer CCD Image Sensor in110nm CMOS,IEEE International Electron DevicesMeeting,2007:1003–1006)，而另外一类是基于反向的光电传感二级管，如CMOS传感器(参考文选：Ajp Theuwissen,CMOS image sensors:State-of-the-art,Solid-StateElectronics,2008,52(9):1401-1406)。

在CCD传感器中，通过施加栅极脉冲，在衬底产生深度耗尽，光在深耗尽区产生的电子被电容极板所收集，之后通过电荷耦合串行转移到电荷放大器进行放大。由于CCD传感器基于电荷转移机理，其工作速度慢，电荷转移需要消耗额外的能量并且需要进行电荷转移复杂时钟信号。

而在CMOS传感器中，利用反偏的光电二极管作为敏感元件，结合多个额外的晶体管进行电荷积分、放大和地址选通。CMOS传感器不需要电荷转移，且与CMOS工艺兼容，因此很好地弥补了CCD传感器的缺点。然而，主动式CMOS像素传感器中必须使用大量的额外晶体管，增大了传感单元的复杂度，且损失了有效的传感面积降低了传感器的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于绝缘层上硅的新型单晶体管主动像素传感器及制备方法，与现有的CCD和CMOS传感器的工作机理和结构均不相同，本发明提出的单晶体管主动像素传感器利用SOI衬底天然的埋氧化层结构，在背栅电极上施加电压脉冲，从而在衬底中产生深度耗尽区域；在此耗尽区域中产生的光生电子聚集在埋氧/衬底的界面，类似于CCD传感器；本发明与CCD传感器不同之处在于，本发明衬底界面处聚集的光生电子对上层硅MOSFET的阈值电压产生影响，从而影响其输出电流，因而，原位读出光生电子，而无需CCD传感器中的转移读出电荷；新型器件也无须如CMOS像素传感器中的额外晶体管进行电荷积分、信号放大和选通。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于绝缘层上硅的新型单晶体管主动像素传感器，包含：

衬底，其为不掺杂或者弱掺杂；

埋层氧化层，置于所述衬底上；

沟道层，置于所述埋层氧化层上；

开设于所述绝缘层上硅两侧的隔离，其为浅槽隔离区域；

正栅极氧化层，置于所述沟道层上；

正栅极，置于所述正栅极氧化层上；

位于所述埋层氧化层上的源极区域，设置在所述沟道层的第一侧；

位于所述埋层氧化层上的漏极区域，设置在所述沟道层的第二侧；

背栅接触区域，位于所述绝缘层上硅的一端；

源极金属接触，置于所述源极区域上；

漏极金属接触，置于所述漏极区域上；

背栅金属接触，置于所述背栅接触区域上。

优选地，所述背栅接触区域位于所述绝缘层上硅上靠近所述源极区域的一端，所述背栅接触区域为重掺杂。

优选地，所述隔离沿垂直向下开槽直至所述衬底；所述绝缘层上硅第一侧的第一隔离位于所述背栅接触区域与所述源极区域之间，所述绝缘层上硅第二侧的第二隔离位于所述漏极区域远离所述正栅极的一侧。

优选地，所述源极区域的上方包含未有金属电极覆盖的第一间隙区域，所述第一间隙区域的宽度为所述源极金属接触到所述第一隔离之间的水平距离；和/或，所述漏极区域的上方包含未有金属电极覆盖的第二间隙区域，所述第二间隙区域的宽度为所述漏极金属接触(到所述第二隔离之间的水平距离。

优选地，所述第一间隙区域的宽度介于100nm至10μm之间，所述第二间隙区域的宽度介于100nm至10μm之间。

优选地，所述源极区域为重掺杂，所述漏极区域为重掺杂；所述漏极区域与所述源极区域为同型掺杂。

优选地，所述衬底为硅、锗硅、氮化镓、铟镓砷中的任意一种，所述埋层氧化层为二氧化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种，所述沟道层为硅、锗硅、氮化镓、铟镓砷中的任意一种。

本发明还提供一种制备如上文所述的新型单晶体管主动像素传感器的制备方法，该方法包含以下步骤：

S1、准备起始的绝缘层上硅，所述绝缘层上硅包含衬底、埋层氧化层和沟道层；

S2、光刻、刻蚀、淀积氧化层之后进行抛光，形成隔离；

S3、淀积正栅极氧化层和正栅极材料，进行光刻与刻蚀以形成正栅极的图形；

S4、形成栅极侧墙和源漏外延后，光刻并注入掺杂的离子以形成重掺杂的源极区域和重掺杂的漏极区域；

S5、光刻并注入掺杂的离子以形成背栅重掺杂区，并高温退火以激活掺杂，形成背栅接触区域；

S6、光刻并刻蚀，打开金属接触的窗口，淀积金属接触并退火以形成源极区域、漏极区域和背栅接触区域对应的源极金属接触、漏极金属接触和背栅金属接触。

优选地，所述步骤S1中，所述衬底为不掺杂或者弱掺杂，弱掺杂的掺杂浓度在10¹⁵cm^-2至10¹⁷cm^-2之间，所述衬底为硅、锗硅、氮化镓、铟镓砷中的任意一种，所述埋层氧化层为二氧化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种，所述埋层氧化层厚度在10nm至1000nm之间；所述沟道层为硅、锗硅、氮化镓、铟镓砷中的任意一种，所述沟道层厚度为2nm至100nm之间；

和/或，所述步骤S2中，所述刻蚀选用干法刻蚀或者湿法刻蚀，刻蚀之后利用化学气相淀积在槽中填满二氧化硅，再利用化学机械抛光，形成隔离；

和/或，所述步骤S3中，所述正栅氧化层为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氧化铪中的一种，所述正栅氧化层厚度为2nm至30nm之间，所述正栅极为多晶硅或铟锡氧化物或金属，所述正栅极的厚度为10nm至200nm，沉积正栅氧化层或正栅极的淀积方式为热氧化或化学气相沉积或原子层沉积方法；

和/或，所述步骤S3中，刻蚀选用干法刻蚀或者湿法刻蚀；

和/或，所述步骤S4中，离子注入使用砷或磷，每个窗口的离子注入剂量为10¹³cm^-2至10¹⁶cm^-2之间，能量为1keV至100keV之间；

和/或，所述步骤S5中，离子注入使用硼或者BF₂，窗口的离子剂量为10¹³cm^-2至10¹⁶cm^-2之间，能量为1keV至100keV之间，离子激活退火温度为900度至1200度之间，时间为1微秒至10秒；

和/或，所述步骤S6中，淀积的金属为铝或镍或钛，退火温度为300度至900度之间。

所述干法刻蚀使用氟基或者卤族元素气体，所述湿法刻蚀为湿法腐蚀，使用TMAH或KOH溶液。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明的半导体主动像素图像传感器建立在绝缘层上硅(SOI)的衬底上，器件结构与传统的SOI基金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)相近，但具有低的衬底掺杂，无需传统MOSFET的阱注入掺杂；(2)此外，本发明的新型图像传感器的源漏区域具有一大块不被金属电极覆盖的区域以透光；(3)本发明通过施加背栅极脉冲，在SOI的衬底中形成深度耗尽，并以此耗尽区收集光生电子；而聚集在氧化埋层/衬底界面上的光生电子将造成上硅层中MOSFET的阈值电压偏移和电流变化；(4)本发明的正栅极用来进行图像传感阵列中的单元选通；(5)相比于传统的CCD和CMOS图像传感器，本发明使用单个晶体管完成光电传感、电荷积分、缓冲放大和阵列选通的功能；无需转移电荷，也无需额外的晶体管辅助，大大降低像素单元的复杂度，增大有效传感面积，从而实现高灵敏度、功耗和高速的图像传感。

附图说明

图1为本发明实施例一的新型单晶体管主动像素传感器的结构示意图；

图2a-图2f为本发明的新型单晶体管主动像素传感器的制备流程示意图；

图3为本发明实施例二的新型单晶体管主动像素传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的新型单晶体管主动像素传感器是基于绝缘层上硅晶片，该起始的绝缘层上硅包衬底1、埋层氧化层2和沟道层3，埋层氧化层2位于衬底1上，沟道层3位于埋层氧化层2上。衬底1为不掺杂或者弱掺杂，衬底1可为硅、锗硅、氮化镓或铟镓砷等多种半导体；埋层氧化层2可为二氧化硅、氧化铝和氧化铪等绝缘材料；沟道层3也可为硅、锗硅、氮化镓或铟镓砷等多种半导体。

新型单晶体管主动像素传感器还包含器件之间的隔离4、正栅极氧化层5、正栅极6、源极区域7、漏极区域8、背栅接触区域9、源极金属接触10、漏极金属接触11、背栅金属接触12、源极的无金属电极覆盖的间隙区域13和漏极的无金属电极覆盖的间隙区域14。

源极区域7、漏极区域8设置在埋层氧化层2上，并分别位于沟道层3两侧。正栅极氧化层5位于沟道层3上，正栅极6位于正栅极氧化层5上。源极金属接触10位于源极区域7上，漏极金属接触11位于漏极区域8上。地，源极区域7为重掺杂，漏极区域8也为重掺杂，漏极区域8与源极区域7为同型掺杂。

背栅接触区域9位于绝缘层上硅上靠近源极区域7一端，该背栅接触区域9为重掺杂。隔离4为浅槽隔离区域，用于隔离不同器件，隔离4位于绝缘层上硅的两侧，隔离4垂直向下开槽直至衬底1的区域。第一侧隔离位于背栅接触区域9与源极区域7之间，第二侧隔离位于漏极区域8远离正栅极6的一侧。背栅金属接触12位于背栅接触区域9上。间隙区域13、间隙区域14分别位于源极区域7、漏极区域8的上方，间隙区域13位于源极金属接触10远离正栅极6一侧，间隙区域14位于漏极金属接触11远离正栅极6一侧。间隙区域13是指源极金属接触10到第一侧隔离之间的水平间隙，间隙区域14是指漏极金属接触11到漏极金属接触11之间的水平间隙。间隙区域13和/或间隙区域14的间隙宽度介于100nm至10μm之间。

如图2a-图2f结合所示，本发明提供了一种半导体光电传感器的制备方法，具体步骤如下：

S1、准备起始的绝缘层上硅，所述绝缘层上硅包含衬底1、埋层氧化层2和沟道层3；

S2、光刻、刻蚀、淀积氧化层之后进行抛光，形成隔离4(浅槽隔离区域)；

S3、淀积正栅极氧化层5和正栅极材料，进行光刻并刻蚀以形成正栅极6的图形；

S4、形成栅极侧墙和源、漏外延后，光刻并注入N型掺杂的离子以形成重掺杂的源极区域7和重掺杂的漏极区域8(例如N型掺杂)；

S5、光刻并注入P型掺杂的离子以形成背栅重掺杂区，并高温退火以激活掺杂，从而形成背栅接触区域9；

S6、光刻并刻蚀，打开金属接触的窗口；淀积金属接触并退火以形成源极区域7、漏极区域8和背栅接触区域9各自的金属接触(即分别为源极金属接触10、漏极金属接触11和背栅金属接触12)。

基于同一工作原理，器件的结构可以不同，具体实施方式依据实施例不同，可分为实施例一和实施例二。

(一)实施例一：

所述步骤S1中，在起始的绝缘层上硅晶片中，衬底1的掺杂一般为弱p型掺杂的硅，掺杂浓度在10¹⁵cm^-2至10¹⁷cm^-2之间。根据传感的光学波长不同，衬底1也可为锗硅、氮化镓或者铟镓砷等材料；埋层氧化层2一般为二氧化硅，厚度在10nm至1000nm之间；上层的沟道层3一般为硅、锗硅、氮化镓或者铟镓砷等材料，厚度为2nm至100nm之间。

所述步骤S2具体包含：当光刻并打开隔离槽的窗口之后，利用光刻胶为掩膜刻蚀以形成隔离槽的图形。

其中，刻蚀可选用干法刻蚀或者湿法刻蚀。所述干法刻蚀一般使用氟基或者卤族元素气体，例如SF₆、CHF₃、HBr或者Cl₂等；所述湿法刻蚀为湿法腐蚀，一般使用TMAH、KOH等溶液；之后，利用化学气相淀积(CVD)在槽中填满二氧化硅，然后再利用化学机械抛光，形成隔离槽。

所述步骤S3具体包含：正栅氧化层5一般为二氧化硅(SiO₂)，也可是氮化硅、三氧化二铝或氧化铪等材料；正栅氧化层5厚度一般为2nm至30nm之间；沉积正栅氧化层5或正栅极6的淀积方式可以是热氧化、化学气相沉积或原子层沉积等方法；正栅极6一般为多晶硅，也可是铟锡氧化物(ITO)等透明材料或是铝等金属，正栅极6的厚度可为10nm至200nm。

所述步骤S3还包含：光刻并打开正栅极图形的窗口，之后利用光刻胶为掩膜对正栅极6进行刻蚀，从而形成正栅极6的图形；该刻蚀可选用干法刻蚀或者湿法刻蚀；所述干法刻蚀一般使用氟基或者卤族元素气体，例如SF₆、CHF₃、HBr或者Cl₂等；所述湿法刻蚀为湿法腐蚀，一般使用TMAH(四甲基氢氧化铵)、KOH等溶液。

所述步骤S4具体包含：光刻并打开源、漏离子注入的窗口，并进行离子注入形成源、漏重掺杂区域；其中，离子注入一般使用砷或磷，每个窗口的离子注入剂量为10¹³cm^-2至10¹⁶cm^-2之间，能量为1keV至100keV之间。

所述步骤S5具体包含：光刻并打开背栅掺杂图形的窗口，之后进行离子注入，以形成背栅重掺杂区域，此后，进行退火以激活源漏的掺杂；其中，离子注入一般使用硼或者BF₂，剂量为10¹³cm^-2至10¹⁶cm^-2之间，能量为1keV至100keV之间；离子激活退火温度一般为900度至1200度之间，时间为1微秒至10秒。

所述步骤S6具体包含：淀积金属并退火以在源漏和背栅形成电极；常用金属为铝、镍或钛等，退火温度为300度至900度之间。

(二)实施例二：

实施例二与实施例一类似，区别在于实施一的沟道是基于P型MOSFET，而非N型。源极区域7、漏极区域8和背栅接触区域9都为重度的P型掺杂。因此，此实施例的工艺流程与实施例一类似，只需将步骤S4和步骤S5改成光刻时同时打开源极区域7、漏极区域8和背栅接触区域9，之后注入P型离子，例如硼或BF₂，且各个窗口注入剂量和能量同实施例一，其他与实施例一类似，在此不做赘述。

由上所述，本发明是基于深耗尽和原位电荷感应的单晶体管主动像素传感器建立在全耗尽的绝缘层上硅的衬底上，沟道的硅层厚度可以在20nm以下；借助于全耗尽的薄硅层，背栅极得以在沟道中产生界面耦合效应，从而使得光生电子改变MOSFET的阈值电压；此外，薄硅层还有助于减小光的损耗，进一步提高量子效率。在快速的背栅极脉冲下，沟道下的衬底产生深度耗尽。而入射的光信号在此深度耗尽区域内产生光生电子，受电场驱动在埋氧层/衬底的界面处聚集。聚集的光生电子降低有效的背栅电压，使得上面沟道中MOSFET的阈值电压移动，从而造成其电流的变化。而正栅极可控制晶体管的导通和截至，从而实现阵列选通的功能。本发明的新型器件在单个晶体管中集成了光电传感、电荷积分、缓冲放大和阵列选通的功能；无需转移电荷，也无需额外的晶体管辅助；具有高量子效率，低功耗和高速度等优点。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于绝缘层上硅的新型单晶体管主动像素传感器，其特征在于，包含：

衬底(1)，其为不掺杂或者弱掺杂；

埋层氧化层(2)，置于所述衬底(1)上；

沟道层(3)，置于所述埋层氧化层(2)上；

开设于所述绝缘层上硅两侧的隔离(4)，其为浅槽隔离区域；

正栅极氧化层(5)，置于所述沟道层(3)上；

正栅极(6)，置于所述正栅极氧化层(5)上；

位于所述埋层氧化层(2)上的源极区域(7)，设置在所述沟道层(3)的第一侧；

位于所述埋层氧化层(2)上的漏极区域(8)，设置在所述沟道层(3)的第二侧；

背栅接触区域(9)，位于所述绝缘层上硅的一端；

源极金属接触(10)，置于所述源极区域(7)上；

漏极金属接触(11)，置于所述漏极区域(8)上；

背栅金属接触(12)，置于所述背栅接触区域(9)上。

2.如权利要求1所述的新型单晶体管主动像素传感器，其特征在于，所述背栅接触区域(9)位于所述绝缘层上硅上靠近所述源极区域(7)的一端，所述背栅接触区域(9)为重掺杂。

3.如权利要求1或2所述的新型单晶体管主动像素传感器，其特征在于，所述隔离(4)沿垂直向下开槽直至所述衬底(1)；

所述绝缘层上硅第一侧的第一隔离位于所述背栅接触区域(9)与所述源极区域(7)之间，所述绝缘层上硅第二侧的第二隔离位于所述漏极区域(8)远离所述正栅极(6)的一侧。

4.如权利要求1所述的新型单晶体管主动像素传感器，其特征在于，所述源极区域(7)的上方包含未有金属电极覆盖的第一间隙区域，所述第一间隙区域的宽度为所述源极金属接触(10)到所述第一隔离之间的水平距离；

和/或，所述漏极区域(8)的上方包含未有金属电极覆盖的第二间隙区域，所述第二间隙区域的宽度为所述漏极金属接触(11)到所述第二隔离之间的水平距离。

5.如权利要求4所述的新型单晶体管主动像素传感器，其特征在于，所述第一间隙区域的宽度介于100nm至10μm之间，所述第二间隙区域的宽度介于100nm至10μm之间。

6.如权利要求1或4所述的新型单晶体管主动像素传感器，其特征在于，所述源极区域(7)为重掺杂，所述漏极区域(8)为重掺杂；

所述漏极区域(8)与所述源极区域(7)为同型掺杂。

7.如权利要求1所述的新型单晶体管主动像素传感器，其特征在于，所述衬底(1)为硅、锗硅、氮化镓、铟镓砷中的任意一种，所述埋层氧化层(2)为二氧化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种，所述沟道层(3)为硅、锗硅、氮化镓、铟镓砷中的任意一种。

8.一种制备如权利要求1-7任意一项所述的新型单晶体管主动像素传感器的制备方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

S1、准备起始的绝缘层上硅，所述绝缘层上硅包含衬底(1)、埋层氧化层(2)和沟道层(3)；

S2、光刻、刻蚀、淀积氧化层之后进行抛光，形成隔离(4)；

S3、淀积正栅极氧化层(5)和正栅极(6)材料，进行光刻与刻蚀以形成正栅极(6)的图形；

S4、形成栅极侧墙和源、漏外延后，光刻并注入掺杂的离子以形成重掺杂的源极区域(7)和重掺杂的漏极区域(8)；

S5、光刻并注入掺杂的离子以形成背栅重掺杂区，并高温退火以激活掺杂，形成背栅接触区域(9)；

S6、光刻并刻蚀，打开金属接触的窗口，淀积金属接触并退火以形成源极区域(7)、漏极区域(8)和背栅接触区域(9)对应的源极金属接触(10)、漏极金属接触(11)和背栅金属接触(12)。

9.如权利要求8所述的新型单晶体管主动像素传感器的制备方法，其特征在于，

所述步骤S1中，所述衬底(1)为不掺杂或者弱掺杂，弱掺杂的掺杂浓度在10¹⁵cm^-2至10¹⁷cm^-2之间，所述衬底(1)为硅、锗硅、氮化镓、铟镓砷中的任意一种，所述埋层氧化层(2)为二氧化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种，所述埋层氧化层(2)厚度在10nm至1000nm之间；所述沟道层(3)为硅、锗硅、氮化镓、铟镓砷中的任意一种，所述沟道层(3)厚度为2nm至100nm之间；

和/或，所述步骤S2中，所述刻蚀选用干法刻蚀或者湿法刻蚀，刻蚀之后利用化学气相淀积在槽中填满二氧化硅，再利用化学机械抛光，形成隔离(4)；

和/或，所述步骤S3中，所述正栅氧化层(5)为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氧化铪中的一种，所述正栅氧化层(5)厚度为2nm至30nm之间，所述正栅极(6)为多晶硅或铟锡氧化物或金属，所述正栅极(6)的厚度为10nm至200nm，沉积正栅氧化层(5)或正栅极(6)的淀积方式为热氧化或化学气相沉积或原子层沉积方法；

和/或，所述步骤S3中，刻蚀选用干法刻蚀或者湿法刻蚀；

和/或，所述步骤S4中，离子注入使用砷或磷，每个窗口的离子注入剂量为10¹³cm^-2至10¹⁶cm^-2之间，能量为1keV至100keV之间；

和/或，所述步骤S5中，离子注入使用硼或者BF₂，窗口的离子剂量为10¹³cm^-2至10¹⁶cm^-2之间，能量为1keV至100keV之间，离子激活退火温度为900度至1200度之间，时间为1微秒至10秒；

和/或，所述步骤S6中，淀积的金属为铝或镍或钛，退火温度为300度至900度之间。

10.如权利要求9所述的新型单晶体管主动像素传感器的制备方法，其特征在于，

所述干法刻蚀使用氟基或者卤族元素气体；

所述湿法刻蚀为湿法腐蚀，使用TMAH或KOH溶液。