[發明專利]硅基石墨烯光電探測陣列及其CMOS三維集成方法

有效

• 申請號: 202110475908.8
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113270435B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 徐楊;劉亦倫;呂建杭;董云帆;劉粒祥;俞濱
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種硅基石墨烯光電探測陣列及其CMOS三維集成方法，該硅基石墨烯光電探測陣列采用了p型硅襯底，包括柵極、半導體硅襯底、氧化物絕緣層與單層石墨烯薄膜等；陣列器件中感光像素區域單元與外部區域采用LOCOS工藝實現隔離，實現小尺寸陣列的低串擾效應；CMOS三維集成工藝采用倒裝焊互連技術實現石墨烯光電探測陣列與讀出電路芯片的有效集成，并實現優異的熱傳導；CMOS讀出電路采用跨阻放大器、采樣放大器和模數轉換器進行高質量、低噪聲的信號輸出。本發明實現了石墨烯與傳統CMOS集成工藝相結合，在光電探測領域拓寬光譜響應范圍、提高成像質量以及拓展應用場景。

技術領域

本發明屬于圖像傳感器技術領域，涉及圖像傳感器器件結構，尤其涉及一種硅基石墨烯光電探測陣列及其CMOS(互補金屬氧化物半導體)三維集成方法。

背景技術

光電探測器能感應光線，并轉換出模擬信號電流，經過信號處理就可以實現圖像的獲取、傳輸和處理。光電探測器具有良好的感光效率和極高的成像品質，在高端成像化學材料分析、醫療衛生、空間技術等領域具有廣泛的用途。目前主流的光電探測器制造技術主要基于傳統的硅基CMOS工藝，具有成本低、集成密度高、兼容性好等優勢。傳統的硅基CMOS工藝在次10納米技術節點正逐漸接近其性能極限，后續由于來自物理定律和制造成本的限制，性能難以繼續提升。因此，需要開發新型材料的CMOS三維集成方法，在光電探測器領域拓寬光譜響應范圍、提高成像質量以及拓展應用場景。

石墨烯(Graphene)是一種新型二維材料，由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度。石墨烯是目前世界上最薄卻也是最堅硬的納米材料。它透明度極高，對可見光吸收率僅為2.3％；石墨烯導熱系數高達5300W/m·K，常溫下電子遷移率超過15000cm²/V·s，而電阻率只有約10^-6Ω·cm。石墨烯可以作為透明導電薄膜，提高器件吸收光能力的同時加快信號轉移輸出的速率。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種硅基石墨烯光電探測陣列及其CMOS三維集成方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種硅基石墨烯光電探測陣列，由下至上依次包括p型半導體硅襯底、N阱、氧化物絕緣層、第一鈍化層、第二鈍化層和CMOS讀出電路；所述N阱沉積形成隔離層；所述氧化物絕緣層上開有柵極通孔，且上表面設有像素電極，所述像素電極上覆蓋單層石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜上覆蓋第一鈍化層，在第一鈍化層上露出像素電極和柵極通孔，并在露出的像素電極和柵極通孔上依次設有第一UBM層、焊料凸點、第二UBM層和金屬電極；在金屬電極上覆蓋第二鈍化層，并在第二鈍化層上設有與金屬電極連通的CMOS讀出電路。

進一步地，所述氧化物絕緣層上表面每個像素點兩端設有兩塊平行的像素電極，且每個像素點的單層石墨烯薄膜與氧化物絕緣層和該像素點的兩塊像素電極接觸。

進一步地，所述N阱為p型半導體硅襯底的上表面進行摻雜而形成，摻雜深度為10μm～15μm。

進一步地，所述隔離層為氮化硅隔離層，通過在N阱上沉積出氮化硅層，利用氮化硅掩膜經過沉積、圖形化、刻蝕硅后形成槽，并在槽中填充沉積氧化物而形成，用于與硅隔離，厚度為5nm～20nm。

進一步地，所述氧化物絕緣層為二氧化硅，通過LOCOS工藝進行硅的選擇氧化，厚度為5nm～20nm。

進一步地，所述CMOS讀出電路由時序柵壓輸入電路、跨阻放大器、采樣放大器和模數轉換器(ADC)組成；所述時序柵壓輸入電路與柵極通孔連通；所述跨阻放大器的輸入端與像素電極連通，輸出端依次連接采樣放大器、模數轉換器。

進一步地，所述像素電極和金屬電極均為金屬薄膜電極，材料為鉻金合金，厚度為800nm。

進一步地，所述第一鈍化層和第二鈍化層是氮化硅，反應溫度為50℃～100℃。