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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术光电传感器包括：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；本发明专利技术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L

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于半导体器件
，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。

技术介绍

[0002]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，专利技术人于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/(
µ
J/cm2)。
[0003]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]。
[0004]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L
A
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。
[0005]本专利技术的创新之处在于，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，L
A
将扩展至整个像素长度L
P
，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，L
A
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。本专利技术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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术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。
[0008]本专利技术中，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。
[0009]本专利技术中，所述衬底为P型轻掺杂，掺杂浓度为10
15-10
17
cm-3
；像素有源区3~6为N型重掺杂，掺杂浓度为10
19-10
21
cm-3
，衬底欧姆接触区域7为P型重掺杂，掺杂浓度为10
19-10
21
cm-3
。
[0010]本专利技术中，所述像素长度为L
P
，像素有源区长度L
A
，L
A
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。
[0011]本专利技术中，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。
[0012]本专利技术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。
[0013]本专利技术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L
A
，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，本专利技术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
[0014]图1为本专利技术的可调性能光电传感器的结构图示。
[0015]图2为本专利技术的可调性能光电传感器的制备流程图示。
[0016]图3为本专利技术的可调性能光电传感器的实施例2的结构。
[0017]图4为本专利技术的可调性能光电传感器的实施例3的结构。
具体实施方式
[0018]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。
[0019]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10
15
cm-2 至 10
17
cm-2 之间。根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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10
15-10
17
cm-3

【专利技术属性】
技术研发人员：万景，刘坚，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：