CN112382639A - 基于绝缘层上硅衬底的可调性能光电传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，具体为一种基于绝缘层上硅衬底的可调性能光电传感器及其制备方法。本发明光电传感器包括：混合型衬底，氧化埋层，四个像素有源区，欧姆接触区域，三个顶层硅沟道区,以及在沟道区之上的栅氧化层,栅极，器件隔离侧墙，栅极侧墙，栅极金属接触，源极金属接触，漏极金属接触，衬底金属接触；本发明通过在像素有源区上引入额外的辅助控制栅极，来调控像素的有效有源区长度LA，成功实现具有传感性能可调的PISD器件。与通过工艺制造调整有源区实际物理长度相比，本发明通过辅助栅极的电学调控，可实现PISD在高灵敏度和高探测范围两种工作模式之间的自由切换，丰富了原有PISD器件的光电传感功能。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及基于绝缘层上硅衬底的可调性能光电传感器及其制备方法。
背景技术
传统的光电传感技术以电荷耦合器件CCD和CMOS图像传感器为代表，数十年来其市场应用已经十分成熟。然而这两种代表性光电传感技术仍旧伴随着一些无法克服的劣势，具体体现在集成度、功耗、量子效率等方面。为了克服这些缺点，发明人于2019年提出了一种工作机理截然不同的新型光电传感器—全耗尽绝缘层上硅衬底（SOI）的光电原位有源像素传感器（PISD）。该传感器建立在SOI衬底上，巧妙运用SOI特有的界面耦合效应作为光电传感机理，实现了单晶体管的光电原位有源像素传感。对于P衬底N型PISD结构来说，当背栅加上负电压脉冲后，在氧化埋层/衬底界面下方形成深度耗尽区（正空间电荷区）。光照后，该耗尽区内产生的光生电子受耗尽区电场作用流向并聚集在氧化埋层/衬底界面下方。由于界面耦合效应，这股聚集的负电荷将增大顶层硅沟道的阈值电压，降低输出电流和源极输出电压。因此光信号的变化最终体现在管子的端口输出电压变化上,从而实现光电传感，被报道的PISD灵敏度高达 1.5 V/(µJ/cm2)。
由于PISD具有单晶体管的紧凑结构，因此具有高集成度和低功耗的天然优势。此外，其全新的工作机理使得该传感器件同时具有光电传感、电荷积分、缓冲放大和随机选通的功能。可见此新型光电传感器件具有很大的潜在市场应用价值[1-6]。
PISD的传感性能主要体现在探测灵敏度和探测范围两方面，主要由器件结构的一些关键参数（如：像素有源区长度，顶层硅厚度，栅极氧化层厚度等）决定。当这些参数发生改变时，探测灵敏度和探测范围会随之改变。传统改变像素有源区长度LA的方法可从工艺制造的角度，改变其物理设计长度。但是此举会增加工艺成本，并且制造工艺一旦完成，PISD的探测灵敏度和探测范围也随之固定，缺乏灵活性。
本发明的创新之处在于，在晶体管主体栅极两侧引入了两个辅助栅极，通过栅极电学调控来调整像素有源区的有效长度。当辅助栅极所加电压大于沟道阈值电压时，下方沟道开启，LA将扩展至整个像素长度LP，从而显著提高传感器的探测范围。反之，当辅助栅极关闭下方沟道，LA减小至原来长度，恢复传感器原有的高探测灵敏度。这就使得单个成品传感器能够在高灵敏度和高探测范围两种工作模式之间灵活切换。本发明无需通过其他工艺手段即可获得可调性能的PISD，降低成本的同时，丰富了原有PISD的沟光电传感功能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能够在高探测灵敏度和高探测范围两种工作模式下自由切换，从而丰富光电功能的基于绝缘层上硅衬底的可调性能光电传感器及其制备方法。
本发明提出的可调性能光电传感器，是基于绝缘层上硅的基本结构的，其结构如图1所示，由以下几个部分组成：混合型衬底1，氧化埋层2，像素有源区3~6，欧姆接触区域7，顶层沟道8~10, 在沟道区之上的栅氧化层11~13, 栅极14~16，器件隔离侧墙17~18，栅极侧墙19~24，栅极金属接触25~27，源极金属接触28，漏极金属接触29，衬底金属接触30；其中：
混合型衬底(1)作为整个传感器件的制造衬底，其上形成衬底欧姆接触区域7，同时支撑起上方的氧化埋层2和最上层的顶层；最上层的顶层由像素有源区3~6和沟道区8~10共同构成；主体栅极15通过栅氧化层12控制顶层硅沟道区9，主体栅极15两侧的辅助控制栅极14和栅极16分别通过栅氧化层11和栅氧化层13调控顶层硅沟道区8和顶层硅沟道区10的通断；三个栅极的两侧均形成保护性侧墙19~24，在衬底1中形成的STI隔离性侧墙17~18则定义出该器件的像素尺寸。
本发明中，衬底1可为半导体，如硅、锗、锗硅、氮化镓或铟镓砷等。顶层像素有源区3~6和沟道区8~10也可为半导体，如硅，锗，锗硅，氮化镓或铟镓砷等。氧化埋层2可为二氧化硅，氧化铝和氧化铪等绝缘材料。
本发明中，所述衬底为P型轻掺杂，掺杂浓度为1015-1017cm-3；像素有源区3~6为N型重掺杂，掺杂浓度为1019-1021cm-3，衬底欧姆接触区域7为P型重掺杂，掺杂浓度为1019-1021cm-3。
本发明中，所述像素长度为LP，像素有源区长度LA，LA的实际长度被主栅极两侧的2个辅助电学栅极调控，从而调控传感器的探测灵敏度和探测范围。
本发明中，传感器结构具有多个栅极，除晶体管主栅极外，辅助栅极起到调控像素有源区长度的作用。当像素有源区长度发生改变时，传感器的光电传感性能（探测灵敏度和探测范围）将发生显著变化。因此，此新型传感器能够在高探测灵敏度和高探测范围两种工作模式下自由切换，光电功能更加丰富。
本发明还提出上述半导体可调性能光电传感器的制备方法，参见图2所示，具体步骤为：
(1)起始的绝缘层上硅衬底，通过刻蚀与外延形成最初的混合型衬底及衬底欧姆接触区，包括图1所示的衬底1，氧化埋层2和顶层硅；
(2)光刻并刻蚀后，在混合型衬底中氧化生长形成两处隔离侧墙STI结构，STI结构所夹中间区域为像素有源区；（STI是通过刻蚀出凹槽，然后用CVD生长SiO2填充凹槽形成的）
(3)外延生长栅氧化物与多晶硅层，光刻并刻蚀后形成栅极；
(4) 光刻并刻蚀除栅极覆盖的顶层硅部分，后外延生长N型重掺杂区；
(5) 光刻并淀积栅极,源漏和衬底的金属接触层。
本发明通过在像素有源区上引入额外的辅助控制栅极，来调控像素的有效有源区长度LA，成功实现具有传感性能可调的PISD器件。与通过工艺制造调整有源区实际物理长度相比，本发明通过辅助栅极的电学调控，可实现PISD在高灵敏度和高探测范围两种工作模式之间的自由切换，丰富了原有PISD器件的光电传感功能。
附图说明
图1为本发明的可调性能光电传感器的结构图示。
图2为本发明的可调性能光电传感器的制备流程图示。
图3为本发明的可调性能光电传感器的实施例2的结构。
图4为本发明的可调性能光电传感器的实施例3的结构。
具体实施方式
基于同一工作原理，器件的结构可以不同，具体实施方式体现在不同实施例中。
实施例1（对应图1的器件结构和图2的工艺流程）：
(1)如图2(a)所示,为起始的绝缘层上硅晶片。其衬底掺杂一般为弱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，衬底也可为锗硅，氮化镓或者铟镓砷等材料。其埋层一般为二氧化硅，厚度在10nm至1000nm之间。上层的沟道一般为硅、锗硅，氮化镓或者铟镓砷等材料。厚度为5nm至500nm之间；
（2）光刻并打开衬底接触区的窗口，之后利用光刻胶为掩膜刻蚀完氧化埋层至衬底硅，随后外延生长硅，并对表面进行离子注入或外延掺杂形成衬底欧姆接触区，如图2(b)。刻蚀可选用干法或者湿法方法：干法刻蚀一般使用氟基或者卤族元素气体，如SF6、Cl2等；而湿法腐蚀一般使用强酸或强碱如HF、NH4HF2等溶液。离子注入一般使用硼或者氟化硼，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；
（3）光刻并打开衬底侧墙隔离STI的窗口，之后利用光刻胶为掩膜刻蚀完氧化埋层至衬底硅，接着氧化生长二氧化硅。可以采用化学气相淀积（CVD）或者物理气相淀积（PVD）的方法形成该氧化隔离层，如图2(c)；
（4）在结构上淀积生长栅极氧化层（12）和外延生长栅极材料（14、15、16）。氧化层可以是氧化铪或者氧化铝等高K介质材料，通过原子层沉积系统（ALD）淀积，其厚度一般为1nm至30nm之间。栅极材料可以为多晶硅层或是多晶硅和金属的复合层，其厚度可为10nm至500nm；
（5）光刻并打开三个栅极的窗口，之后利用光刻胶为掩膜，对（4）中生长材料进行刻蚀以形成栅极的图形，如图2(d)所示；刻蚀可选用干法或者湿法方法。干法刻蚀一般使用氟基或者卤族元素气体，如SF6，CHF3，HBr或者Cl2等。而湿法腐蚀一般使用TMAH，KOH等溶液；
（6）光刻并打开像素有源区窗口，利用光刻胶为掩膜刻蚀掉除栅极覆盖的顶层硅部分，接着外延生长硅，外延生长时进行原位掺杂，掺杂浓度在1019cm-3 至 1021cm-3 之间。最终形成N型重掺杂的有源区，如图2（e）；
（7）淀积一层栅极侧墙材料，如常用的氮化硅，二氧化硅，又或者是SiOCN和SiBCN等低介电常数介质。淀积可使用化学气相沉积（CVD），原子层淀积（ALD）等工艺。之后进行刻蚀以形成如图2(f)所示的栅极侧墙。刻蚀一般使用具有垂直方向性的反应离子刻蚀，干法刻蚀一般使用氟基气体，如SF6，CHF3或者CH3F等；
（8）光刻并打开三个栅极、源漏极接触区、衬底欧姆接触区窗口，淀积金属并退火以在N型重掺杂有源区和三个栅极顶部形成如图2(g)所示的电极；常用金属为铝，镍，钛或者金属硅化物，如镍硅，钛硅等，退火温度为300度至900度之间。
实施例2（对应图3的器件结构图）
实施例2与实施例1类似，区别在于衬底为N型轻掺杂，且上层硅层中的晶体管是P型的，而非N型。因此，此实施例的工艺流程与实施例1类似，只需更换步骤（1）中的SOI衬底，并将步骤（6）外延生长时的原位掺杂杂质类型反转。
实施例3（对应图4的器件结构图）
实施例3与实施例1类似，区别在于辅助栅极的数目以及位置发生变化。此实施例的工艺流程与实施例1类似，只需改变步骤(5)、（6）和（8）中对应的版图结构。
参考文选
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Claims (7)
1.一种基于绝缘层上硅衬底的可调性能光电传感器，其特征在于，由以下几个部分组成：混合型衬底(1)，氧化埋层(2)，四个像素有源区(3~6)，欧姆接触区域(7)，三个顶层沟道区(8)~(10), 分别在这些沟道区之上的三个栅氧化层(11~13), 以及三个栅极(14~16)，两个器件隔离侧墙(17、18)，六个栅极侧墙(19~24)，三个栅极金属接触(25~27)，源极金属接触(28)，漏极金属接触(29)，衬底金属接触(30)；其中：
混合型衬底(1)作为整个传感器件的制造衬底，其上形成衬有底欧姆接触区域(7)，同时支撑起上方的氧化埋层(2)和最上层的顶层；最上层的顶层包括像素有源区(3)~(6)和顶层沟道区(8)~(10)；主体栅极(15)通过栅氧化层(12)控制顶层沟道区(9)，主体栅极(15)两侧为辅助控制栅极(14)和(16)，分别通过栅氧化层(11)和(13)调控顶层沟道区(8)和沟道区(10)的通断；三个栅极的两侧均形成保护性侧墙(19)~(24)，在衬底(1)中形成的STI隔离性侧墙(17、18)则定义出该器件的像素尺寸。
2.根据权利要求1所述的可调性能光电传感器，其特征在于，所述衬底(1)为半导体，选自硅、锗、锗硅、氮化镓或铟镓砷；顶层的像素有源区(3)~(6)和沟道区(8~10)也是半导体，选自硅、锗、锗硅、氮化镓或铟镓砷；所述氧化埋层(2)为二氧化硅、氧化铝或氧化铪绝缘材料。
3.根据权利要求1或2所述的可调性能光电传感器，其特征在于，所述衬底为P型轻掺杂，掺杂浓度为1015-1017cm-3；像素有源区(3)~(6)为N型重掺杂，掺杂浓度为1019-1021cm-3，衬底欧姆接触区域(7)为P型重掺杂，掺杂浓度为1019-1021cm-3。
4.根据权利要求3所述的可调性能光电传感器，其特征在于，所述氧化埋层(2) 厚度在10nm至1000nm之间；顶层沟道区厚度为5nm至500nm之间。
5.根据权利要求4所述的可调性能光电传感器，其特征在于，所述栅氧化层(12)材料为氧化铪或者氧化铝高K介质材料，其厚度为1nm至30nm之间；栅极材料为多晶硅层或是多晶硅和金属的复合层，厚度为10nm至500nm。
6.根据权利要求1所述的可调性能光电传感器，其特征在于，设像素长度为LP，像素有源区长度LA，LA的实际长度被主栅极两侧的2个辅助电学栅极调控，从而调控传感器的探测灵敏度和探测范围。
7.一种如权利要求1-6之一所述的可调性能光电传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)起始的绝缘层上硅衬底，通过刻蚀与外延形成最初的混合型衬底及衬底欧姆接触区，氧化埋层和顶层；
(2)光刻并刻蚀后，在混合型衬底中氧化生长形成两处隔离侧墙STI结构，STI结构所夹中间区域为像素有源区；
(3)外延生长栅氧化物与多晶硅层，光刻并刻蚀后形成栅极；
(4) 光刻并刻蚀除栅极覆盖的顶层硅部分，后外延生长N型重掺杂区；
(5) 光刻并淀积栅极,源漏和衬底的金属接触层。
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