CN110581125A - 一种集成cmos探测器及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成CMOS探测器及制备工艺，属于半导体技术领域，本发明器件制作工艺简单，AlxGayIn2‑x‑yO3活性层生长工艺成熟，成本低，易于实施，可以大规模推广。在预先制作好CMOS电路和引出电极的Si衬底上，直接通过与Si基CMOS生长工艺兼容的方法生长AlxGayIn2‑x‑yO3材料作为探测器活性层。制作叉指电极与Si衬底的引出电极互连，且叉指电极在AlxGayIn2‑x‑yO3活性层材料的下面，入射光则从AlxGayIn2‑x‑yO3活性层材料上方入射，即相对叉指电极背入射，从而避免叉指电极对光的吸收。选择AlxGayIn2‑x‑yO3材料体系，可通过进一步调整Al,Ga,In各元素的组分，以及AlxGayIn2‑x‑yO3材料的生长位置，实现集成CMOS单芯片宽波段探测器阵列。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种集成CMOS探测器及制备工艺。
背景技术
光电探测器是将一种形式的电磁辐射信号转换成另一种易被接收处理信号形式的传感器，不同波段的光电探测器有不同的用途。比如紫外探测器可以用来核辐射污染监测、臭氧监测、大气污染监控、太空紫外辐射研究、飞行器制导、血液分析、紫外光消毒监控等领域。可见光探测器在可见光通讯上有重要应用。红外探测器在红外通信，生物监测方面有重要应用。MSM型探测器制作过程简单，暗电流小，但当入射光为正入射时，金属电极会将一部分光入射光阻挡和吸收掉，从而降低器件的响应。另外，异质集成也将为后摩尔时代微电子技术的发展开辟一条全新的道路，可以结合成熟Si基CMOS和下一代半导体材料的优势，异质集成中，单芯片集成又将减小电路互连，增加响应速度。但大部分探测器的材料均用昂贵的设备在高温条件下生长，无法与Si基CMOS电路工艺兼容。
发明内容
针对现有技术中探测器的材料均用昂贵的设备在高温条件下生长，无法与Si基CMOS电路工艺兼容的技术问题，本发明的目的在于提供一种CMOS单芯片探测器、集成CMOS宽波段探测器阵列及制备工艺。
本发明提供一种CMOS单芯片探测器，从下至上依次包括硅衬底、绝缘层，绝缘层上形成有CMOS电路，CMOS电路由左右对称的NMOS电路、PMOS电路组成，NMOS电路、PMOS电路上形成有引出电极，所述NMOS电路、PMOS电路之间的区域形成有一对叉指电极，包括左叉指电极、右叉指电极，叉指电极形成于绝缘层的上表面，所述引出电极与叉指电极互连，叉指电极的上方覆盖有AlxGayIn2-x-yO3活性层。
优选的方案，所述的绝缘层为氧化硅、三氧化二铝、氟化镁中的任意一种。
优选的方案，所述的叉指电极由Ni、Au、Pt、Cu、Al、Ag、Cr、In中的一种或多种组合制成，叉指电极在AlxGayIn2-x-yO3活性层的下面，入射光则从AlxGayIn2-x-yO3活性层的上方入射，即相对叉指电极背入射，从而避免叉指电极对光的吸收。
优选的方案，所述的AlxGayIn2-x-yO3材料中Al，Ga，In各元素的组分可以通过调节原材料的组分和生长过程的条件参数，包括气压、温度等来实现，从而调节探测器的响应波长。
本发明还提供了所述CMOS单芯片探测器的制备工艺，包括以下步骤：
(1)先在硅衬底表面生成绝缘层，然后在绝缘层上制作CMOS电路和引出电极；
(2)对步骤(1)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域，裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层生长区域；
(3)对步骤(2)获得的结构中裸露区域制作叉指电极，叉指电极与CMOS电路引出电极互连；
(4)在步骤(3)获得的结构中叉指电极的上方生长AlxGayIn2-x-yO3活性层；
(5)去除光刻胶，裸露出CMOS电路部分区域，完成CMOS单芯片探测器的制作。
优选的方案，步骤(4)中，所述生长AlxGayIn2-x-yO3活性层的方法为磁控溅射、热蒸发、化学气相沉积中的任意一种。
本发明还提供一种集成CMOS宽波段探测器阵列，从下至上依次包括硅衬底、绝缘层，绝缘层上形成有CMOS电路，CMOS电路上形成有引出电极，CMOS电路之间的区域形成有叉指电极阵列，叉指电极阵列形成于绝缘层的上表面，引出电极与叉指电极互连，叉指电极阵列的上方覆盖有AlxGayIn2-x-yO3活性层。
进一步，所述的叉指电极阵列为方形矩阵模块。
更进一步，所述的叉指电极阵列为2*2，3*3，4*4，5*5方形矩阵模块中的任意一种。
进一步，通过调整Al，Ga，In各元素的组分，以及AlxGayIn2-x-yO3材料的生长位置，以实现不同区域不同波长光的探测，并实现了宽波段的探测。
本发明的有益技术效果为：
(1)工艺兼容：在预先制作好CMOS电路和引出电极的Si衬底上，直接通过与Si基CMOS生长工艺兼容的方法生长AlxGayIn2-x-yO3材料作为探测器活性层。
(2)制作叉指电极与Si衬底的引出电极互连，且叉指电极在AlxGayIn2-x-yO3活性层材料的下面，入射光则从AlxGayIn2-x-yO3活性层材料上方入射，即相对叉指电极背入射，从而避免叉指电极对光的吸收。
(3)选择AlxGayIn2-x-yO3材料体系，可通过进一步调整Al,Ga,In各元素的组分，以及AlxGayIn2-x-yO3材料的生长位置，实现集成CMOS单芯片宽波段探测器阵列。
(4)本发明器件制作工艺简单，AlxGayIn2-x-yO3活性层生长工艺成熟，成本低，易于实施，可以大规模推广。
附图说明
图1为硅衬底表面的绝缘层上制作CMOS电路和引出电极的结构示意图。
图2为叉指电极与引出电极互连的侧视图。
图3为图2的俯视图。
图4为CMOS单芯片探测器的侧视图。
图5为集成CMOS宽波段探测器阵列中叉指电极与引出电极互连的俯视图。
图中：1—硅衬底；2—绝缘层；3—CMOS电路；4—引出电极；5—叉指电极；6—AlxGayIn2-x-yO3活性层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例一种CMOS单芯片探测器，从下至上依次包括硅衬底1、绝缘层2，绝缘层2上形成有CMOS电路3，CMOS电路3由左右对称的NMOS电路、PMOS电路组成，NMOS电路、PMOS电路上形成有引出电极4，所述NMOS电路、PMOS电路之间的区域形成有一对叉指电极5，包括左叉指电极、右叉指电极，叉指电极5位于绝缘层2的上表面，引出电极4与叉指电极5互连，叉指电极5的上方覆盖有AlxGayIn2-x-yO3活性层6。
上述CMOS单芯片探测器的制备工艺，包括以下步骤：
(1)选择平面(110)面硅作为衬底，厚度约为400μm，硅衬底表面形成有氧化硅绝缘层，在绝缘层上旋涂光刻胶，然后进行光刻、热扩散等工艺制作CMOS电路和引出电极，如图1所示；
(2)对步骤(1)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域，裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层生长区域；
(3)对步骤(2)获得的结构中裸露区域制作叉指电极，叉指电极位于绝缘层的上表面，采用电子束蒸发沉积Ni/Au叉指电极(20/100nm)，叉指电极包括左叉指电极、右叉指电极，单元尺寸为100μm×100μm，叉指电极的宽度和间距均为5μm，电极pad区域宽度为10μm、叉指电极两个pad区域分别与CMOS电路引出电极互连，然后剥离光刻胶，得到叉指电极，如图2～3所示；
(4)在步骤(3)获得的结构中叉指电极的上方生长AlxGayIn2-x-yO3活性层，生长方式为磁控溅射，靶材为Al靶，In靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为80W和2Pa，溅射温度为200℃，溅射厚度为约200nm；
(5)去除光刻胶，裸露出CMOS电路部分区域，完成CMOS单芯片探测器的制作，如图4所示。
实施例2
本实施例一种集成CMOS宽波段探测器阵列，从下至上依次包括硅衬底1、绝缘层2，绝缘层2上形成有CMOS电路3，CMOS电路3上形成有引出电极4，CMOS电路3之间的区域形成有叉指电极阵列5，叉指电极阵列5位于绝缘层2的上表面，叉指电极阵列5为2*2方形矩阵模块，引出电极4与叉指电极互连，叉指电极阵列5分为四个区域，四个区域的上方覆盖有AlxGayIn2-x-yO3活性层6。
通过调整Al，Ga，In各元素的组分，以及AlxGayIn2-x-yO3材料的生长位置，可以实现不同区域不同波长光的探测，并实现了宽波段的探测。
上述集成CMOS宽波段探测器阵列的制备工艺，包括以下步骤：
(1)选择平面(110)面硅作为衬底，厚度约为400μm，硅衬底表面形成有氧化硅绝缘层，在绝缘层上旋涂光刻胶，然后进行光刻、热扩散等工艺制作CMOS电路和引出电极；
(2)对步骤(1)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域，裸露出设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的4个；
(3)对步骤(2)获得的结构中裸露区域制作叉指电极阵列，叉指电极位于绝缘层的上表面，叉指电极阵列为2*2方形矩阵模块，采用电子束蒸发沉积Ni/Au叉指电极(20/100nm)，叉指电极与CMOS电路引出电极互连，然后剥离光刻胶，得到叉指电极，如图5所示；
(4)对步骤(3)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域，覆盖设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的3个，只裸露出设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的1个；
(5)在步骤(4)获得的结构中裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长和叉指电极区域上生长GaxIn2-xO3活性层，生长方式为磁控溅射，靶材为In靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为80W和2Pa，溅射温度为200℃，溅射厚度为约200nm；所生长GaxIn2-xO3活性层对应带边波长为460nm，组分x值约为0.3；
(6)对步骤(5)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域、活性层材料生长区域，裸露出设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的其余2个；
(7)在步骤(6)获得的结构中裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长和叉指电极区域上生长GaxIn2-xO3活性层，生长方式为磁控溅射，靶材为In靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为80W和2Pa，溅射温度为180℃，溅射厚度为约200nm；所生长GaxIn2-xO3活性层对应带边波长为520nm，组分x值约为0.25；
(8)对步骤(7)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域、活性层材料生长区域，裸露出设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的最后1个；
(9)在步骤(8)获得的结构中裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长和叉指电极区域上生长GaxIn2-xO3活性层，生长方式为磁控溅射，靶材为In靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为80W和2Pa，溅射温度为160℃，溅射厚度为约200nm；所生长GaxIn2-xO3活性层对应带边波长为620nm，组分x值约为0.2；
(10)去除光刻胶，裸露出CMOS电路部分区域、活性层区域，完成集成CMOS宽波段探测器阵列的制作。
实施例3
本实施例一种集成CMOS宽波段探测器阵列的制备工艺，包括以下步骤：
(1)选择平面(110)面硅作为衬底，厚度约为400μm，硅衬底表面形成有氧化硅绝缘层，在绝缘层上旋涂光刻胶，然后进行光刻、热扩散等工艺制作CMOS电路和引出电极；
(2)对步骤(1)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域，裸露出设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的4个；
(3)对步骤(2)获得的结构中裸露区域制作叉指电极阵列，叉指电极位于绝缘层的上表面，叉指电极阵列为2*2方形矩阵模块，采用电子束蒸发沉积Ni/Au叉指电极(20/100nm)，叉指电极与CMOS电路引出电极互连，然后剥离光刻胶，得到叉指电极；
(4)对步骤(3)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域，覆盖设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的3个，只裸露出设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的1个；
(5)在步骤(4)获得的结构中裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长和叉指电极区域上生长GaxIn2-xO3活性层，生长方式为磁控溅射，靶材为In靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为80W和2Pa，溅射温度为300℃，溅射厚度为约200nm；所生长GaxIn2-xO3活性层对应带边波长为365nm，组分x值约为0.4；
(6)对步骤(5)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域、活性层材料生长区域，裸露出设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的其余2个；
(7)在步骤(6)获得的结构中裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长和叉指电极区域上生长GaxIn2-xO3活性层，生长方式为磁控溅射，靶材为Al靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为70W和2Pa，溅射温度为350℃，溅射厚度为约200nm；所生长GaxIn2-xO3活性层对应带边波长为280nm，组分x值约为0.25；
(8)对步骤(7)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域、活性层材料生长区域，裸露出设计4个AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长区域中的最后1个；
(9)在步骤(8)获得的结构中裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层材料生长和叉指电极区域上生长GaxAl2-xO3活性层，生长方式为磁控溅射，靶材为Al靶，Ga2O3靶材(99.99％)，溅射功率和压强为60W和2Pa，溅射温度为400℃，溅射厚度为约200nm；所生长GaxAl2-xO3活性层对应带边波长为220nm,组分x值约为0.8；
(10)去除光刻胶，裸露出CMOS电路部分区域、活性层区域，完成集成CMOS宽波段探测器阵列的制作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种CMOS单芯片探测器，其特征在于，从下至上依次包括硅衬底、绝缘层，绝缘层上形成有CMOS电路，CMOS电路由左右对称的NMOS电路、PMOS电路组成，NMOS电路、PMOS电路上形成有引出电极，所述NMOS电路、PMOS电路之间的区域形成有一对叉指电极，包括左叉指电极、右叉指电极，叉指电极形成于绝缘层的上表面，所述引出电极与叉指电极互连，叉指电极的上方覆盖有AlxGayIn2-x-yO3活性层。
2.根据权利要求1所述的CMOS单芯片探测器，其特征在于，所述的绝缘层为氧化硅、三氧化二铝、氟化镁中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的CMOS单芯片探测器，其特征在于，所述的叉指电极由Ni、Au、Pt、Cu、Al、Ag、Cr、In中的一种或多种组合制成。
4.根据权利要求1所述的CMOS单芯片探测器，其特征在于，所述的AlxGayIn2-x-yO3材料中Al、Ga、In各元素的组分可以通过调节原材料的组分和生长过程的条件参数，包括气压、温度来实现，从而调节探测器的响应波长。
5.根据权利要求1～4中任一项所述CMOS单芯片探测器的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)先在硅衬底表面生成绝缘层，然后在绝缘层上制作CMOS电路和引出电极；
(2)对步骤(1)获得的结构进行光刻，用光刻胶覆盖住CMOS电路部分区域，裸露出设计AlxGayIn2-x-yO3活性层生长区域；
(3)对步骤(2)获得的结构中裸露区域制作叉指电极，叉指电极与CMOS电路引出电极互连；
(4)在步骤(3)获得的结构中叉指电极的上方生长AlxGayIn2-x-yO3活性层；
(5)去除光刻胶，裸露出CMOS电路部分区域，完成CMOS单芯片探测器的制作。
6.根据权利要求5所述CMOS单芯片探测器的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，所述生长AlxGayIn2-x-yO3活性层的方法为磁控溅射、热蒸发、化学气相沉积中的任意一种。
7.一种集成CMOS宽波段探测器阵列，其特征在于，从下至上依次包括硅衬底、绝缘层，绝缘层上形成有CMOS电路，CMOS电路上形成有引出电极，CMOS电路之间的区域形成有叉指电极阵列，叉指电极阵列形成于绝缘层的上表面，引出电极与叉指电极互连，叉指电极的上方覆盖有AlxGayIn2-x-yO3活性层。
8.根据权利要求7所述的集成CMOS宽波段探测器阵列，其特征在于，所述的叉指电极阵列为方形矩阵模块。
9.根据权利要求8所述的集成CMOS宽波段探测器阵列，其特征在于，所述的叉指电极阵列为2*2，3*3，4*4，5*5方形矩阵模块中的任意一种。
10.根据权利要求7所述的集成CMOS宽波段探测器阵列，其特征在于，通过调整Al、Ga、In各元素的组分，以及AlxGayIn2-x-yO3材料的生长位置，以实现不同区域不同波长光的探测，并实现宽波段的探测。
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