[發明專利]NMOS型柵體互連光電探測器及其制備方法

有效

• 申請號: 201810108246.9
• 申請日: 2018-02-02
• 公開（公告）號: CN108417590B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 謝生;董威鋒;孫邵凡;毛陸虹
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種NMOS型柵體互連光電探測器及其制備方法，光電探測器由柵體互連NMOS晶體管和光電二極管復合而成；在P型半導體襯底上，由N型雜質注入形成N阱，在N阱內通過P型雜質注入形成T阱；在T阱中通過摻雜或離子注入形成NMOS晶體管，將NMOS晶體管的柵體互連。包括：在熱生長的二氧化硅柵氧層上用化學氣相淀積法淀積多晶硅，干法刻蝕出多晶硅柵圖形；離子注入分別制作出NMOS晶體管的源、漏、P型襯底和N阱、T阱接觸區；光刻出NMOS晶體管源極、漏極、柵極，及P型襯底和N阱、T阱接觸區的引線孔，淀積一層金屬膜，光刻出晶體管和接觸區的電極圖形；利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備其它高層互連金屬，用于將光電流引出至接觸焊盤。

技術領域

本發明涉及半導體工藝技術和互補金屬氧化物半導體(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器技術領域，尤其涉及一種基于標準CMOS工藝的NMOS型柵體互連光電探測器及其制備方法。

背景技術

CMOS圖像傳感器是一種典型的固態成像傳感器，與電荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)圖像傳感器有著相同的歷史淵源。但是，它與CCD圖像傳感器相比，具有低成本、低功耗、易集成等優點。因此，CMOS圖像傳感器廣泛應用于數碼相機、攝像機、工業監控等消費產品和工業產品領域。

近年來，隨著CMOS圖像傳感器技術的飛速發展，其應用領域已逐漸擴展到生物分子成像、生物熒光探測、微弱天文信號觀測等弱光探測領域，因而對CMOS圖像傳感器的探測靈敏度提出了更高的要求。作為CMOS圖像傳感器像素單元的核心組件，光電探測器的優劣對CMOS圖像傳感器的探測靈敏度具有決定性的影響。因此，研發具有高靈敏度的光電探測器逐漸成為一項重要的研究課題。

傳統CMOS圖像傳感器中的探測器主要有鉗位光電二極管(Pinned Photo Diode，PPD)和雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode，APD)兩種。對PPD而言，受其工作原理限制，不能提供光電流增益，且量子效應不高，因而探測靈敏度較低，不能滿足弱光探測的需求。APD能夠實現高靈敏度探測，但雪崩電荷的積累需要很高的工作電壓，因而難以兼容CMOS讀出電路。此外，基于APD的圖像傳感器像素面積大、功耗高。

綜上所述，PPD和APD在弱光探測方面仍存在一些不足之處。最近，Campos F S等人提出了一種基于標準CMOS工藝的柵控雙晶體管型光電探測器結構，在弱光環境下的光電流增益超過了10⁶倍，但在光照較弱時，其光電流增益明顯下降，具有一定的應用局限性。

鑒于上述光電探測器的缺點，為了實現光電探測器的高靈敏度、低功耗、易集成等性能，需要用技術成熟的標準CMOS工藝研制低成本、高性能的復合結構光電探測器。

發明內容

本發明提供了一種NMOS型柵體互連光電探測器及其制備方法，本發明基于標準CMOS工藝，克服了PPD靈敏度低和APD不易集成、功耗大等缺點，實現了光電探測器的高靈敏度、低功耗、易集成等性能，詳見下文描述：

一種NMOS型柵體互連光電探測器，所述光電探測器適用于弱光探測，基于標準CMOS工藝，所述光電探測器由柵體互連NMOS晶體管和光電二極管復合而成；

在P型半導體襯底上，由N型雜質注入形成N阱，在N阱內通過P型雜質注入形成T阱；

再在T阱中通過摻雜或離子注入形成NMOS晶體管，將NMOS晶體管的柵-體互連。

當可見光照射光電二極管區域時，入射光激發電子-空穴對；

光生電子逆著電勢梯度方向轉移到N阱，光生空穴在T阱底部聚集，改變NMOS晶體管的柵極電勢，使其工作在弱反型或強反型狀態；

MOS晶體管將光電流放大為漏電流輸出。