CN112510058A - 一种集成光电传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高增益及宽动态响应范围的集成光电传感器，其掺杂源区和掺杂漏区间隔设置于衬底的顶部，掺杂源区顶部形成源极电极，掺杂漏区顶部形成漏极电极；栅绝缘层设置于掺杂源区和掺杂漏区之间，其顶部设置有栅电极；掺杂源区、源极电极、掺杂漏区、漏极电极、栅绝缘层和栅电极形成场效应晶体管；光敏掺杂区与所述衬底形成光敏二极管，所述光敏掺杂区顶部形成光敏二极管的顶部电极，所述衬底为光敏二极管的底部电极并与场效应晶体管的背沟道相连；所述隔离区设置于所述光敏二极管与所述场效应晶体管之间。本发明还提供了上述光电传感器的制备方法。该集成光电传感器结构简单，容易实现低成本制造。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及宽动态响应范围及高增益集成光电传感器及其制备方法。
背景技术
微弱光探测被广泛应用在深空探测、医疗成像及科学仪器等领域，其实现的关键取决于探测器的性能。目前，常用的探测器有光电倍增管(Photomultiplier,PMT)、雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)以及光敏三极管等。PMT是一种通过多级阴极对光生电荷进行加速电离并使其数量倍增从而达到放大效果的真空器件，其光增益可高达105以上，但其体积庞大，且工作电压在1000V以上，因此工作能耗高、造价昂贵。与PMT不同的是，APD能被制成微小尺寸，其通过雪崩效应，光生电荷在高电场下碰撞电离达到放大的效果，可实现大于100的光电增益，但在高电场的作用下，其噪声也随之被放大，且其性能受温度影响较大。传统光敏三极管结构示于图1，光敏三极管的集电极c1接入固定正电位VDD，发射极接地，基极b1悬空以用于感光。当光照L射在基极上时，基极b1和集电极c1之间产生光电流，并被光敏三极管进行放大而产生电流增益。其制备工艺与CMOS工艺不兼容，影响了其应用范围。
传统CMOS图像传感器也被广泛使用在各个领域，其中3T、4T及5T有源像素最为常见，以3T有源像素进行说明。图2为传统3T有源像素结构示意图，它由三个晶体管和一个光敏二极管组成，光敏二极管的阴极与用于放大的源极跟随器的栅极和重置晶体管的源极相连，源极跟随器的源极与选通晶体管的漏极相连。传统CMOS传感器的结构复杂，像素尺寸难以降低，使得图像分辨率和填充因子受到限制。
发明内容
基于此，为解决上述问题，本发明提供一种高增益及宽动态响应范围的集成光电传感器，其结构简单，仅含有一个晶体管和一个光敏二极管，其制备方法与CMOS工艺完全兼容。
根据本发明实施例的第一方面，本发明提供了一种集成光电传感器，包括衬底，以及制备在衬底上的光敏掺杂区、掺杂源区、源极电极、掺杂漏区、漏极电极、栅绝缘层、栅电极和隔离区；
所述掺杂源区和所述掺杂漏区间隔设置于所述衬底的顶部，所述掺杂源区顶部形成源极电极，所述掺杂漏区顶部形成漏极电极；所述栅绝缘层设置于掺杂源区和掺杂漏区之间，其顶部设置有栅电极；所述掺杂源区、源极电极、掺杂漏区、漏极电极、栅绝缘层和栅电极形成场效应晶体管；
所述光敏掺杂区与所述衬底形成光敏二极管，所述光敏掺杂区顶部形成光敏二极管的顶部电极，所述衬底为光敏二极管的底部电极并与场效应晶体管的背沟道相连，光敏二极管通过衬底对场效应晶体管的输出电流进行调制，从而实现信号放大；
所述隔离区设置于所述光敏二极管与所述场效应晶体管之间。
相比于现有技术，本发明集成光电传感器至少产生了以下有益技术效果：
本发明通过在衬底上表面制备光敏掺杂区、掺杂源区、源极电极、掺杂漏区、漏极电极、栅绝缘层、栅电极和隔离区，形成一个场效应晶体管(MOSFET)和一个光敏二极管(PD)结构，二者之间设置的隔离区有效减少器件本征噪声。当入射光从PD进入后，产生光生电子空穴对，在PD内建电场的作用下，空穴被扫入衬底，此时，衬底内的空穴浓度增加，并向MOSFET背沟道扩散，使得其衬底电势升高，阈值电压减小，从而输出电流增大。因此，与传统CMOS传感器不同，本发明提供的光电传感器的光敏二极管与场效应晶体管通过衬底偏置对光生电流进行放大，且仅含一个MOSFET和一个PD，结构更为简单，且受光面积比例更大，即填充因子更大。
可选的，所述衬底为p-型或n-型的硅或锗晶片。
可选的，所述衬底上还生长有外延层，其为在硅或锗晶片上外延生长的p-型或n-型半导体层；所述光敏掺杂区、掺杂源区、源极电极、掺杂漏区、漏极电极、栅绝缘层、栅电极和隔离区制备在外延层上。
可选的，所述光敏二极管为PN型或PIN型；所述场效应晶体管为p-MOSFET或n-MOSFET。
可选的，所述集成光电传感器外围还设置有深槽隔离区，以隔离相邻两光电传感器。深槽隔离区可以削弱器件之间的串扰。
可选的，所述集成光电传感器可采用环形结构，所述光敏二极管形成中心圆区域，所述场效应晶体管的漏极电极、栅极电极和源极电极依次以环形由内而外排布在光敏二极管外围。
可选的，所述集成光电传感器可采用方形结构，所述场效应晶体管的漏极电极、栅极电极和源极电极以条形形状并排设置在方形结构的一角处，方形结构的其余部分为光敏二极管区域。
根据本发明实施例的第二方面，本发明提供了一种上述集成光电传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在轻掺杂半导体衬底或半导体外延层上定义隔离区域，沉积二氧化硅或氮化硅作为离子注入或热扩散阻挡层；
S2：通过光刻工艺定义场效应晶体管的源区、漏区及光敏二极管顶部掺杂区，利用刻蚀工艺将掺杂区上方的阻挡层去除；
S3：按照设计好的剂量进行离子注入或者热扩散掺杂，并进行退火以激活杂质；
S4：使用刻蚀工艺去除样品上剩余的阻挡层，同时生长栅绝缘层；
S5：利用光刻工艺定义源极、漏极及光敏二极管顶部电极接触孔，使用刻蚀工艺形成接触孔；
S6：制备金属电极，并使用光刻和刻蚀工艺对制得的源极电极、漏极电极、栅电极和光敏二极管顶部电极进行图形化；
S7：沉积钝化层，同时对金属电极区域开孔。
相对于现有技术，本发明提供的集成光电传感器的制备方法与传统CMOS工艺兼容，容易实现低成本制造。
进一步地，步骤S4中采用热氧化法生长栅绝缘层。
进一步地，步骤S6中采用磁控溅射制备金属电极。
综上，本发明提供了一种集成光电传感器，可通过调节栅极电压选择其工作在高增益模式或是宽动态响应范围模式，其光增益可达104～106，动态响应范围可达160dB。本发明还提供了所述光电传感器的制备方法，与传统CMOS工艺兼容，容易实现低成本制造。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1是传统光敏三极管的结构示意图；
图2是传统3T有源像素结构示意图；
图3是本发明示例性实施例的集成光电传感器的结构示意图；
图4是本发明示例性实施例的环形沟道的集成光电传感器上表面俯视图；
图5是本发明示例性实施例的条形沟道的集成光电传感器上表面俯视图；
图6是本发明示例性实施例的集成光电传感器在不同光强下的转移特性曲线；
图7是本发明示例性实施例的集成光电传感器工作在亚阈值区域时的光增益曲线；
图8是本发明示例性实施例的集成光电传感器工作在关态区域和亚阈值区域时输出光电流与入射光强的关系曲线；
图9是本发明示例性实施例的集成光电传感器制备过程示意图。
图中，L-入射光，S-源极，G-栅极，D-漏极，31-衬底，32-光敏掺杂区，321-PD阴极，33-掺杂源区，34-掺杂漏区，35-栅绝缘层，36-隔离区，37-深槽隔离区，41-阻挡层，42-栅氧层，421-接触孔，43-钝化层。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包含多数形式，除非上下文清楚地表示其含义。还应当理解，本发明中使用的术语“和/或”是指包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能的组合。
请参阅图3，本实施例提供了一种集成光电传感器，以n型MOSFET为例作为说明，该光电传感器上表面由一个n型场效应晶体管(MOSFET)和一个光敏二极管(Photodiode,PD)构成，具体的，包括衬底31，以及制备在衬底31上的光敏掺杂区32、掺杂源区33、源极电极(以下简称“源极”)S、掺杂漏区34、漏极电极(以下简称“漏极”)D、栅绝缘层35、栅电极(以下简称“栅极”)G和隔离区36。
其中，所述掺杂源区33和掺杂漏区34间隔设置于所述衬底31顶部，所述掺杂源区33顶部形成源极S，所述掺杂漏区34顶部形成漏极D。所述栅绝缘层35设置于掺杂源区33和掺杂漏区34之间，且其顶部设置有栅极G，用于接入电压以选择场效应晶体管的工作状态处于宽动态响应范围模式或高增益模式。所述掺杂源区33、源极S、掺杂漏区34、漏极D、栅绝缘层35和栅极G形成场效应晶体管(MOSFET)。
所述光敏掺杂区32与所述衬底31形成光敏二极管(PD)，所述光敏掺杂区32顶部形成光敏二极管的顶部电极，即PD阴极321，用于接入正电压以使光电二极管工作在反偏区。所述衬底31为光敏二极管的底部电极并与场效应晶体管的背沟道相连。光敏二极管通过衬底31对场效应晶体管的输出电流进行调制，从而实现信号放大。
所述隔离区36设置在所述光敏二极管与所述场效应晶体管之间，以减小器件本征噪声。本实施例中该隔离区36采用浅槽隔离技术(Shallow Trench Isolation,STI)，在其他实施例中也可采用场氧化层(Field Oxide,FOX)或硅的局部氧化(LOCOS)进行隔离。
所述光电传感器上表面除金属电极(源极S、漏极D、栅极和PD阴极321)区域外的部分均覆盖有钝化层43。
所述光电传感器外围还设置有深槽隔离(DTI)区37，以隔离相邻两光电传感器，从而削弱器件间的串扰。
本实施例中，所述衬底31为p-型或n-型的硅或锗晶片，光敏掺杂区32、掺杂源区33、源极S、掺杂漏区34、漏极D、栅绝缘层35、栅极G和隔离区36直接制备在该衬底31上。在其他实施例中，也可以在硅或锗晶片衬底31上外延生长p-型或n-型半导体层，形成半导体外延层，所述光敏掺杂区32、掺杂源区33、源极S、掺杂漏区34、漏极D、栅绝缘层35、栅极G和隔离区36则制备在该半导体外延层上。
本实施例中，场效应晶体管为n-MOSFET，在其他实施例中也可采用p-MOSFET。所述光敏二极管可以是PN型或PIN型。
当入射光从光敏二极管进入后，产生光生电子空穴对，在光敏二极管内建电场的作用下，空穴被扫入衬底31，此时，衬底31内的空穴浓度增加，并向场效应晶体管背沟道扩散，使得其衬底电势升高，阈值电压减小，从而输出电流增大。因此，与传统CMOS传感器不同，本发明所述光电传感器的光敏二极管与场效应晶体管通过衬底偏置对光生电流进行放大，且仅含一个场效应晶体管和一个光敏二极管，结构更为简单，且与传统CMOS传感器(含至少3个TFT)相比，在相同像素面积下由于PD所占面积比例更大，因此其受光面积比例更大，即填充因子更大。
本发明还提供了所述集成光电传感器的两种不同沟道形状设计。请参阅图4，其为环形沟道的集成光电传感器上表面俯视图。所述光敏二极管形成中心圆区域，隔离区36、所述场效应晶体管的漏极D、栅极G、源极S和深槽隔离区37依次以环形由内而外排布在PD阴极321外围。图3的剖面示意图可视作环形沟道的集成光电传感器沿半径的剖面图，仅隔离区36处有所区别，环形沟道的集成光电传感器沿半径的剖面图相比图3隔离区36仅需保留任一侧(即环形外围一侧)。
图5为方形沟道的集成光电传感器上表面俯视图。所述场效应晶体管的漏极D、栅极G和源极S以条形形状并排设置在方形结构的一角处，方形结构的其余部分为光敏二极管区域。
图6为所述光电传感器在不同光强下的转移特性曲线，图7为所述光电传感器工作在亚阈值区域时的光增益曲线，所述集成光电传感器可通过调节栅极电压选择其工作在高增益模式或是宽动态响应范围模式，从图中可以看出，其光增益可达104～106，高于传统APD和光敏三极管，与PMT相当。图8为所述光电传感器工作在关态区域和亚阈值区域时输出光电流与入射光强的关系曲线，当传感器工作在关态区域时，输出电流与入射光强呈现强线性关系，而在亚阈值区域时则呈现类线性关系，从图中可以看出，所述光电传感器的动态响应范围可达160dB以上。
本发明还提供一种上述集成光电传感器的制备方法，请同时参阅图9(a)～9(g)，以10μm像素大小、p型轻掺杂衬底为例，其他像素尺寸所用参数须根据实际进行相应调整，该制备方法包括以下步骤：
S1：准备好p型轻掺杂的单晶硅衬底并清洗，使用STI和DTI技术定义隔离区域，然后在衬底上沉积二氧化硅或氮化硅作为离子注入或热扩散的阻挡层41，厚度为300nm，如图9(a)所示；
S2：通过光刻工艺定义场效应晶体管的源区、漏区及光敏二极管顶部掺杂区，其中源区及、漏区长度为0.9μm，光敏二极管利用干法刻蚀将掺杂区上方的阻挡层41去除，如图9(b)所示；
S3：将样品送入离子注入机按照设计好的剂量(4×1015/cm2)及注入能量(100keV)注入，并对样品进行退火(950℃，30分钟)以激活注入的杂质，退火后结深0.3μm，如图9(c)所示；
S4：使用湿法刻蚀去除样品上剩余的阻挡层41，同时通过高温热氧化法生长栅氧层42，厚度15nm，如图9(d)所示；
S5：利用光刻工艺定义源极、漏极及PD阴极接触孔421，使用干法刻蚀形成接触孔421，如图9(e)所示；
S6：通过磁控溅射制备不透光金属电极(可为铝、钼、钛等)，厚度100nm，并使用光刻和湿法刻蚀对制得的源极电极、漏极电极、栅电极和光敏二极管顶部电极进行图形化，如图9(f)所示；
S7：沉积钝化层43，同时对金属电极区域开孔，如图9(g)所示。
相比于现有技术，上述集成光电传感器的制备方法与传统CMOS工艺兼容，容易实现低成本制造，具有良好的推广前景。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (10)
1.一种集成光电传感器，其特征在于，包括半导体衬底，以及制备在衬底上的光敏掺杂区、掺杂源区、源极电极、掺杂漏区、漏极电极、栅绝缘层、栅电极和隔离区；
所述掺杂源区和所述掺杂漏区间隔设置于所述衬底的顶部，所述掺杂源区顶部形成源极电极，所述掺杂漏区顶部形成漏极电极；所述栅绝缘层设置于掺杂源区和掺杂漏区之间，其顶部设置有栅电极；所述掺杂源区、源极电极、掺杂漏区、漏极电极、栅绝缘层和栅电极形成场效应晶体管；
所述光敏掺杂区与所述衬底形成光敏二极管，所述光敏掺杂区顶部形成光敏二极管的顶部电极，所述衬底为光敏二极管的底部电极并与场效应晶体管的背沟道相连；
所述隔离区设置于所述光敏二极管与所述场效应晶体管之间。
2.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，所述衬底为p-型或n-型的硅或锗晶片。
3.根据权利要求2所述的集成光电传感器，其特征在于，所述衬底上还生长有外延层，其为在硅或锗晶片上外延生长的p-型或n-型半导体层；所述光敏掺杂区、掺杂源区、源极电极、掺杂漏区、漏极电极、栅绝缘层、栅电极和隔离区制备在外延层上。
4.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，所述光敏二极管为PN型或PIN型；所述场效应晶体管为p-MOSFET或n-MOSFET。
5.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，其外围还设置有深槽隔离区，以隔离相邻两光电传感器。
6.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，其为环形结构，所述光敏二极管形成中心圆区域，所述场效应晶体管的漏极电极、栅极电极和源极电极依次以环形由内而外排布在光敏二极管外围。
7.根据权利要求1所述的集成光电传感器，其特征在于，其为方形结构，所述场效应晶体管的漏极电极、栅极电极和源极电极以条形形状并排设置在方形结构的一角处，方形结构的其余部分为光敏二极管区域。
8.一种如权利要求1所述的集成光电传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在轻掺杂半导体衬底或半导体外延层上定义隔离区域，沉积二氧化硅或氮化硅作为离子注入或热扩散阻挡层；
S2：通过光刻工艺定义场效应晶体管的源区、漏区及光敏二极管顶部掺杂区，利用刻蚀工艺将掺杂区上方的阻挡层去除；
S3：按照设计好的剂量进行离子注入或者热扩散掺杂，并进行退火以激活杂质；
S4：使用刻蚀工艺去除样品上剩余的阻挡层，同时生长栅绝缘层；
S5：利用光刻工艺定义源极、漏极及光敏二极管顶部电极接触孔，使用刻蚀工艺形成接触孔；
S6：制备金属电极，并使用光刻和刻蚀工艺对制得的源极电极、漏极电极、栅电极和光敏二极管顶部电极进行图形化；
S7：沉积钝化层，同时对金属电极区域开孔。
9.一种如权利要求8所述的集成光电传感器的制备方法，其特征在于，步骤S4中采用热氧化法生长栅绝缘层。
10.一种如权利要求8所述的集成光电传感器的制备方法，其特征在于，步骤S6中采用磁控溅射制备金属电极。
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