集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器及制造方法技术

本发明专利技术公开了一种集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器及制造方法，该光电探测器包括由下至上的硅衬底和氧化层；其中，所述硅衬底和所述氧化层包括CMOS集成电路区域、探测器区域和硅太阳能电池区域。本发明专利技术通过修改硅衬底上浅沟槽隔离的成熟CMOS工艺流程，嵌入选择性硅、锗外延制作硅、锗探测器，并利用CMOS源漏区掺杂充当晶硅太阳能电池的电极接触区掺杂，通过金属连线连接电极。硅太阳能电池为探测器和CMOS电路提供电源，探测器将吸收的光信号转变为电信号，经过CMOS电路放大和处理信号，实现完整的光接收器功能，并独立于外部电源工作。本发明专利技术解决了目前集成太阳能电池和/或CMOS电路的光电探测器制造难度大、成本高的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器及制造方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，尤其涉及到一种集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器及制造方法。

技术介绍

[0002]半导体光电探测器，用于吸收光信号转换为电信号输出，具有非常广泛的用途。探测器通常需要电源提供负偏工作状态，同时经过跨阻放大器将光电流转换为放大的电压信号，经信号读出电路进一步处理。在太空、野外等场景使用的光电探测器，常缺乏长期稳定的电源，或者需要为电源付出高昂的成本，一直是困扰探测器使用的问题之一；另一方面，若能将跨阻放大器和CMOS读出电路同探测器集成在同一衬底上，对于提高性能、缩小芯片面积和降低成本会有明显帮助。
[0003]专利技术CN104319316A提出了绝缘体上硅(SOI)衬底上制作高效薄膜晶硅太阳能电池，主张其结构和工艺同硅CMOS集成电路兼容，但是其在太阳能电池部分依赖的丝网印刷设备、TCO透明导电薄膜、银电极等同CMOS工艺难以兼容，氢化非晶硅薄膜也难以承受CMOS金属化过程典型400℃的温度；并且，若采用硅材料制作探测器，只能吸收近红外(NIR，0.75～1.1微米)及可见光波长(0.4～0.76微米)，对于短波红外(SWIR，1.1～2.5微米)则不能响应。SWIR对光通信、量子密钥分配、TOF测距、气体监测、无损检测、医疗诊断、生物识别等重要领域，不能应用于SWIR是硅探测器的一个明显限制。
[0004]专利技术CN202110920144提出了将锗探测器和硅太阳能电池在同一SOI衬底上集成的结构和制造方法，解决了SWIR红外应用的问题，但并未实现同CMOS电路的集成，并且SOI衬底的顶硅层厚度限制了太阳能电池的吸收层厚度，衬底成本也较普通的硅衬底高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器及制造方法，旨在解决目前集成太阳能电池的光电探测器制造难度大、成本高的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，包括：
[0007]由下至上的硅衬底和氧化层；其中，所述硅衬底和所述氧化层包括CMOS集成电路区域、探测器区域和硅太阳能电池区域；
[0008]探测器，配置于所述探测器区域，用于将吸收的光信号转变为电信号；
[0009]CMOS集成电路，配置于所述CMOS集成电路区域，用于对所述探测器输出的电信号进行处理；
[0010]硅太阳能电池，配置于所述硅太阳能电池区域，用于对所述探测器和所述CMOS集成电路供电。
[0011]可选的，所述探测器区域中，所述硅衬底由下至上依次设有N阱区、P
+
导电层和外延层；其中，所述硅衬底设有浅沟槽隔离区，所述外延层设置于所述浅沟槽隔离区内，并通
过去除浅沟槽隔离区的氧化层暴露硅衬底后外延生长而获得，所述P
+
导电层设置于所述浅沟槽隔离区的底面和侧面，并包围浅沟槽隔离区，所述N阱区设置于所述P
+
导电层的底面和侧面，并包围P
+
导电层。
[0012]可选的，所述探测器包括硅探测器和/或锗探测器，所述探测器区域包括硅探测器区域和/或锗探测器区域，所述外延层包括外延硅层和/或外延锗层。
[0013]可选的，所述外延硅层包括非掺杂外延硅层和N
++
掺杂外延硅层，所述外延锗层包括非掺杂外延锗层和N
+
掺杂外延锗层。
[0014]可选的，所述探测器区域中，所述硅衬底与所述氧化层之间设有分别设置于所述浅沟槽隔离区两侧，并与所述N阱区、P
+
导电层相接触的P
++
接触层。
[0015]可选的，所述CMOS集成电路区域中，所述硅衬底设有P阱区和N阱区以及设置于所述P阱区和N阱区之间并与所述氧化层接触的浅沟槽隔离区，所述P阱区与所述氧化层之间设有N
++
接触层，所述N阱区与所述氧化层之间设有P
++
接触层。
[0016]可选的，所述硅衬底还设有所述CMOS集成电路区域、所述硅探测器区域、所述锗探测器区域、所述硅太阳能电池区域之间以及这些区域内部不同器件之间的浅沟槽隔离区。
[0017]可选的，所述硅太阳能电池区域中，所述硅衬底与所述氧化层之间设有N
++
接触层和所述P
++
接触层。
[0018]可选的，所述氧化层还设有分别与所述N
++
掺杂外延硅层和所述N
+
掺杂外延锗层接触连接的金属电极。
[0019]可选的，所述氧化层设有分别与所述N
++
接触层和所述P
++
接触层接触的金属电极。
[0020]可选的，所述金属电极与所述N
++
掺杂外延硅层、所述N
+
掺杂外延锗层、所述N
++
接触层、所述P
++
接触层之间的界面，设有镍硅化物或镍锗化物以改善欧姆接触。
[0021]可选的，所述探测器、所述CMOS集成电路和所述硅太阳能电池通过所述金属电极之间的金属布线相互连接。
[0022]此外，为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器制造方法，包括如下步骤：
[0023]S1：选取硅衬底，将硅衬底分为CMOS集成电路区域、探测器区域和硅太阳能电池区域；
[0024]S2：在探测器区域进行N型离子注入形成N阱区，并退火激活；
[0025]S3：在硅衬底上，利用硬掩模干法刻蚀，形成浅沟槽；
[0026]S4：对探测器区域的浅沟槽进行P型离子注入，并退火激活，形成P
+
导电层；
[0027]S5：对浅沟槽进行氧化硅填充和化学机械抛光，去除硬掩模后，形成浅沟槽隔离区；
[0028]S6：沉积氧化层，干法刻蚀探测器区域的浅沟槽隔离区的氧化硅，暴露硅表面；
[0029]S7：选择性外延非掺杂层；
[0030]S8：在外延层的顶部进行离子注入掺杂；
[0031]S9：以光刻胶掩蔽探测器的外延层区域，干法刻蚀去除S6步骤沉积的氧化层；
[0032]S10：沉积氧化层，光刻接触孔图形，干法刻蚀打开CMOS集成电路、探测器和硅太阳能电池的电极接触孔；
[0033]S11：制备金属电极，光刻金属布线图形，干法刻蚀形成接触孔填充、金属电极和互
连线；
[0034]S12：合金退火。
[0035]可选的，所述探测器区域包括硅探测器区域和/或锗探测器区域。
[0036]可选的，当所述探测器区域为硅探测器区域时，选择性外延非掺杂的单晶硅层，在外延硅层的顶部进行N
++
离子注入掺杂；当所述探测器区域为锗探测器区域时，选择性外延非掺杂的单晶锗层，在外延锗层的顶部进行N
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，包括：由下至上的硅衬底和氧化层；其中，所述硅衬底和所述氧化层包括CMOS集成电路区域、探测器区域和硅太阳能电池区域；探测器，配置于所述探测器区域，用于将吸收的光信号转变为电信号；CMOS集成电路，配置于所述CMOS集成电路区域，用于对所述探测器输出的电信号进行处理；硅太阳能电池，配置于所述硅太阳能电池区域，用于对所述探测器和所述CMOS集成电路供电。2.如权利要求1所述的集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，所述探测器区域中，所述硅衬底由下至上依次设有N阱区、P
+
导电层和外延层；其中，所述硅衬底设有浅沟槽隔离区，所述外延层设置于所述浅沟槽隔离区内，并通过去除浅沟槽隔离区的氧化层暴露硅衬底后外延生长而获得，所述P
+
导电层设置于所述浅沟槽隔离区的底面和侧面，并包围浅沟槽隔离区，所述N阱区设置于所述P
+
导电层的底面和侧面，并包围P
+
导电层。3.如权利要求2所述的集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，所述探测器包括硅探测器和/或锗探测器，所述探测器区域包括硅探测器区域和/或锗探测器区域，所述外延层包括外延硅层和/或外延锗层。4.如权利要求3所述的集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，所述外延硅层包括非掺杂外延硅层和N
++
掺杂外延硅层，所述外延锗层包括非掺杂外延锗层和N
+
掺杂外延锗层。5.如权利要求4所述的集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，所述探测器区域中，所述硅衬底与所述氧化层之间设有分别设置于所述浅沟槽隔离区两侧，并与所述N阱区、P
+
导电层相接触的P
++
接触层。6.如权利要求1所述的集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，所述CMOS集成电路区域中，所述硅衬底设有P阱区和N阱区以及设置于所述P阱区和N阱区之间并与所述氧化层接触的浅沟槽隔离区，所述P阱区与所述氧化层之间设有N
++
接触层，所述N阱区与所述氧化层之间设有P
++
接触层。7.如权利要求3所述的集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，所述硅衬底还设有所述CMOS集成电路区域、所述硅探测器区域、所述锗探测器区域、所述硅太阳能电池区域之间以及前述这些区域内部不同器件之间的浅沟槽隔离区。8.如权利要求1所述的集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，所述硅太阳能电池区域中，所述硅衬底与所述氧化层之间设有N
++
接触层和所述P
++
接触层。9.如权利要求4所述的集成太阳能电池和CMOS电路的光电探测器，其特征在于，所述氧化层还设有分别与所述N
++
掺杂外延硅层和所述N

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣，余明斌，
申请(专利权)人：上海铭锟半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：