本發(fā)明屬于半導體工藝技術和互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器技術領域，涉及一種基于標準CMOS工藝的可變增益光電探測器及制備方法。

背景技術：

隨著CMOS圖像傳感器技術的飛速發(fā)展，其應用領域已從數(shù)碼相機、攝像機、工業(yè)監(jiān)控等傳統(tǒng)領域擴展到生物熒光探測、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。然而，對目前主流的CMOS圖像傳感器而言，例如PD(Photo Diode，光電二極管)、PPD(Pinned Photo Diode，鉗位光電二極管)，受其工作原理的限制，不能提供光電流增益，因而探測靈敏度較低。另外，隨著CMOS工藝節(jié)點的持續(xù)縮減，器件結深不斷降低，這使得光電二極管的有效吸收長度變短，因而降低了光電二極管的靈敏度。基于上述兩點原因，常規(guī)的CMOS圖像傳感器在弱光環(huán)境下難以正常工作。因此，開發(fā)具有光電流增益的新型結構器件來提高探測靈敏度成為當前CMOS圖像傳感器亟待解決的問題之一。

為解決靈敏度問題，具有電流倍增效應的APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管)和PT(Photo Transistor，光電晶體管)受到極大關注。對于雪崩光電二極管而言，只要外加合適的偏置電路就能夠實現(xiàn)高靈敏度、高速探測。然而，雪崩光電二極管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，基于雪崩光電二極管的圖像傳感器像素面積大、功耗高。與雪崩光電二極管相比，光電晶體管的供電電壓較低，而且具有較高的光電流增益。然而，在弱光環(huán)境下，光電晶體管產生的光電流不足以使其偏置在高增益狀態(tài)，不利于光電晶體管的弱光探測。例如，Chang Y W等人提出的光電晶體管在常規(guī)光照下的最大光電流增益為7500，但在弱光條件下，光電流引起光電晶體管的結電壓變化較小，因而其光電流增益明顯下降。綜上所述，高靈敏度的雪崩光電二極管和光電晶體管在弱光探測方面仍存在一些不足之處，且難以同時兼顧強光和弱光兩種不同的應用場景。

鑒于上述高靈敏度光電探測器的缺點，為了實現(xiàn)光電探測器高靈敏度、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、高性能的混合結構光電探測器。

技術實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術的不足，克服光電二極管(PD)靈敏度低和雪崩光電二極管(APD)不易集成、功耗大等缺點，本發(fā)明旨在實現(xiàn)具有高靈敏度、低功耗、易集成等性能的光電探測器，且靈敏度根據(jù)應用場景靈活調節(jié)，提出基于標準CMOS工藝可變增益光電探測器，

基于標準CMOS工藝可變增益光電探測器制備方法，步驟如下：

1)利用包括氧化、淀積、光刻刻蝕及化學機械拋光的標準CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底上制備淺槽隔離STI；

2)在輕摻雜的P型襯底上制作N阱：首先在P型襯底上生成二氧化硅墊層和氮化硅薄膜，然后在二氧化硅和氮化硅薄層上制作出N阱窗口，進行N阱雜質注入，然后高溫退火，重新生成二氧化硅層；

3)確定PMOS晶體管的有源區(qū)，包括源區(qū)S、漏區(qū)D、柵區(qū)G，然后完成場氧生長，并重新生成二氧化硅薄層；

4)制作多晶硅柵。首先在新生長的柵氧層上用化學氣相淀積法淀積多晶硅，然后用干法刻蝕出多晶硅柵圖形；

5)有源區(qū)摻雜。用離子注入法分別制作出PMOS晶體管的源S、漏D和P型襯底的接觸區(qū)，以及N阱的接觸區(qū)；

6)制作接觸孔，光刻出PMOS晶體管的源極S、漏極D、柵極G，以及P型襯底接觸區(qū)和N阱接觸區(qū)的引線孔，然后淀積一層金屬膜，并光刻出晶體管和接觸區(qū)的電極圖形。其中，多晶硅柵表面的光照窗口為金屬開放區(qū)，增加透光量；

7)金屬互連，利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備其它高層互連金屬，用于將光電探測器的光電流引出至接觸焊盤，

8)在器件表面淀積一層鈍化膜，避免雜質侵入。

基于標準CMOS工藝可變增益光電探測器，結構是，P型輕摻雜的硅晶圓形成所述光電探測器襯底，襯底上部區(qū)域制作有N阱，N阱材料采用中等摻雜的N型硅，N阱一方面作為PMOS晶體管的局部襯底，另一方面與P型襯底形成pn結，利用其中的耗盡區(qū)產生和收集光生電子-空穴對，形成光電流；N阱上部形成有PMOS晶體管的漏區(qū)、柵區(qū)、源區(qū)、N阱接觸區(qū)；

漏區(qū)選用材料為重摻雜的P型硅，所述漏區(qū)作為放大光電流的輸出端；

柵區(qū)選用材料為重摻雜P型多晶硅，用于控制PMOS晶體管的通斷和光電流增益，當柵極施加不同電壓時，所述光電探測器具有不同的光電流增益；

源區(qū)選用材料為重摻雜的P型硅器件正常工作時，所述源極接高電位VDD；

N阱接觸區(qū)選用重摻雜的N型硅，在器件正常工作時，所述N阱接觸區(qū)保持浮空狀態(tài)；

襯底上部N阱以外設置有襯底接觸區(qū)，襯底接觸區(qū)接地。

本發(fā)明提出了一種適用于弱光探測的、高靈敏度的可變增益光電探測器。與傳統(tǒng)的鉗位光電二極管探測器相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明所述光電探測器的靈敏度高，有效光電流增益超過10⁶倍。

2、本發(fā)明所述光電探測器可利用柵壓來調節(jié)光電流增益，適用于不同光強的應用場景。柵壓高時，光電流增益低；柵壓低時，光電流增益高。

3、本發(fā)明所述光電探測器結構與CMOS工藝完全兼容，易集成、功耗低，完全滿足弱光條件下的工作要求。

附圖說明：

圖1為光電探測器的器件剖面圖。

圖2為光電探測器的器件平面圖。

圖3為光電探測器的N阱電壓變化。

圖4為光電探測器的輸出漏電流。

圖5為光電探測器的光電流增益。

具體實施方式

為了克服光電二極管(PD)靈敏度低和雪崩光電二極管(APD)不易集成、功耗大等缺點，實現(xiàn)具有高靈敏度、低功耗、易集成等性能的光電探測器，且靈敏度根據(jù)應用場景靈活調節(jié)，本發(fā)明提出一種基于標準CMOS工藝的可變增益光電探測器及其制備方法。

本發(fā)明所述的基于標準CMOS工藝的高靈敏度光電探測器由PMOS晶體管和光電二極管(PD)混合構成。它主要利用光電二極管的光電效應和PMOS晶體管的襯偏效應及放大功能來實現(xiàn)弱光探測。當可見光照射光電二極管區(qū)域時，入射光激發(fā)電子-空穴對。其中，空穴沿電勢梯度轉移到傳輸溝道，而留下的光生電子改變PMOS晶體管的體電勢，使其工作在弱反型或強反型狀態(tài)，然后PMOS晶體管將光電流放大為漏電流輸出。由于PMOS晶體管處于不同工作狀態(tài)時，具有不同的光電流增益，因而可以同時實現(xiàn)高靈敏度和可變光電流增益的效果。

基于上述探測器結構，本發(fā)明所述光電探測器的制備方法實施如下：

1)利用氧化、淀積、光刻刻蝕及化學機械拋光等標準CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底上制備淺槽隔離(STI)，實現(xiàn)光電探測器和電子電路間的電學隔離，避免相互影響。

2)在輕摻雜的P型襯底上制作N阱。首先在P型襯底上生成二氧化硅墊層和氮化硅薄膜，然后在二氧化硅和氮化硅薄層上制作(光刻、刻蝕)出N阱窗口，進行N阱雜質(如磷離子)注入，然后高溫退火，重新生成二氧化硅層。

3)確定PMOS晶體管的有源區(qū)(源區(qū)(S)、漏區(qū)(D)、柵區(qū)(G))，然后完成場氧生長，并重新生成二氧化硅薄層。

4)制作多晶硅柵。首先在新生長的柵氧層上用化學氣相淀積法淀積多晶硅，然后用干法刻蝕出多晶硅柵圖形。

5)有源區(qū)摻雜。用離子注入法分別制作出PMOS晶體管的源(S)、漏(D)和P型襯底的接觸區(qū)，以及N阱的接觸區(qū)。

6)制作接觸孔。光刻出PMOS晶體管的源極(S)、漏極(D)、柵極(G)，以及P型襯底接觸區(qū)和N阱接觸區(qū)的引線孔，然后淀積一層金屬膜，并光刻出晶體管和接觸區(qū)的電極圖形。其中，多晶硅柵表面的光照窗口為金屬開放區(qū)(除必要的電極金屬外，不加其它金屬層)，增加透光量。

7)金屬互連。利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備其它高層互連金屬，用于將光電探測器的光電流引出至接觸焊盤。

8)在器件表面淀積一層鈍化膜(如硅酸玻璃)，避免雜質侵入。

本發(fā)明所述的基于標準CMOS工藝的高靈敏度光電探測器由PMOS晶體管和光電二極管(PD)混合構成。它主要利用光電二極管的光電效應和PMOS晶體管的襯偏效應及放大功能來實現(xiàn)弱光探測。當可見光照射光電二極管區(qū)域時，入射光激發(fā)電子-空穴對。其中，空穴沿電勢梯度轉移到傳輸溝道，而留下的光生電子改變PMOS晶體管的體電勢，使其工作在弱反型或強反型狀態(tài)，然后PMOS晶體管將光電流放大為漏電流輸出。由于PMOS晶體管處于不同工作狀態(tài)時，具有不同的光電流增益，因而可以同時實現(xiàn)高靈敏度和可變光電流增益的效果。

下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步地解釋和說明：

本發(fā)明所述光電探測器的剖面圖和頂視圖分別如圖1和圖2所示，下面對其結構做詳細說明：

1)圖中101部分為光電探測器襯底，襯底材料選用P型輕摻雜的硅晶圓。所述襯底一方面作為光電探測器的組成部分，與N阱形成pn結，利用其中的耗盡區(qū)產生和收集光生電子-空穴對。另外，所述襯底也作為本發(fā)明所述光電探測器的支撐基底。

2)圖中102部分為N阱，N阱材料采用中等摻雜(～10¹⁷cm^-3)的N型硅。所述N阱的主要作用：一方面作為PMOS晶體管的局部襯底；另一方面與P型襯底形成pn結，利用其中的耗盡區(qū)產生和收集光生電子-空穴對，形成光電流。

3)圖中103部分為PMOS晶體管的漏區(qū)(D)，選用材料為重摻雜(～10²⁰cm^-3)的P型硅。所述漏區(qū)作為放大光電流的輸出端。

4)圖中104部分為PMOS晶體管的柵區(qū)(G)，選用材料為重摻雜(～10²⁰cm^-3)的P型多晶硅。所述柵區(qū)控制PMOS晶體管的通斷和光電流增益，當柵極施加不同電壓時，所述光電探測器具有不同的光電流增益。

5)圖中105部分為PMOS晶體管的源區(qū)(S)，選用材料為重摻雜(～10²⁰cm^-3)的P型硅。器件正常工作時，所述源極接高電位VDD。

6)圖中106部分為N阱接觸區(qū)，選用重摻雜(～10²⁰cm^-3)的N型硅。在器件正常工作時，所述N阱接觸區(qū)保持浮空狀態(tài)。

7)圖中107部分為襯底接觸區(qū)，選用重摻雜(～10²⁰cm^-3)的P型硅與接觸金屬形成歐姆接觸。器件正常工作時，所述襯底接觸區(qū)接GND。

本發(fā)明所述光電探測器的工作過程如下：

1)上電準備階段。保持N阱電極浮空，襯底接觸區(qū)接GND，PMOS晶體管的源區(qū)(S)接高電位VDD，漏區(qū)(D)接某一固定中間電位，柵區(qū)(G)接指定低電位，等待曝光。

2)曝光。待測光從PMOS晶體管的柵極上方入射所述光電探測器的表面感光區(qū)域，感光區(qū)面積等于PMOS晶體管的柵極金屬開放區(qū)。

3)光生電荷的產生與收集。入射光在耗盡區(qū)內產生大量電子-空穴對，空穴沿電勢梯度流進PMOS晶體管的溝道，而電子則在N阱內積累。

4)閾值電壓調整，漏電流輸出。隨著N阱內積累電子數(shù)量的增多，N阱電勢被拉低，進而改變PMOS晶體管的閾值電壓，調節(jié)PMOS晶體管的工作狀態(tài)。隨著閾值電壓的降低，PMOS晶體管開啟，輸出漏電流。不同的光照強度對應不同的漏電流。

5)增益調整。調節(jié)柵極(G)電壓，控制輸出漏電流的增益。

下面以面積為16μm×16μm的器件結構為例，對所述光電探測器的制備方法進行詳細敘述。

1)利用氧化、淀積、光刻刻蝕及化學機械拋光等標準CMOS工藝在P型輕摻雜硅襯底上制備淺槽隔離(STI)，實現(xiàn)光電探測器和電子電路間的電學隔離，避免相互影響。

2)在<100>晶向的P型硅襯底上依次淀積50nm二氧化硅薄層和200nm氮化硅薄層，然后在二氧化硅和氮化硅薄層上光刻、刻蝕出10μm×10μm N阱窗口，注入磷離子進行N阱摻雜(雜質濃度～5×10¹⁵cm^-3)，然后高溫退火處理，重新生成二氧化硅薄層。

3)確定PMOS晶體管的有源區(qū)，源區(qū)(S)面積為2μm×8μm、漏區(qū)(D)面積為2μm×8μm、柵區(qū)(G)面積為2μm×8μm，然后完成場氧生長，并重新生成50nm二氧化硅薄層。

4)制作多晶硅柵。首先在新生長的柵氧層上用化學氣相淀積法淀積多晶硅，然后用干法刻蝕出多晶硅，厚度約為20nm。

5)有源區(qū)摻雜。用離子注入法制作出PMOS管的源區(qū)(S)、漏區(qū)(D)以及P型襯底接觸區(qū)、N阱接觸區(qū)。源區(qū)(S)和漏區(qū)(D)的摻雜濃度約為1×10¹⁹cm³，結深約為0.17μm，襯底和N阱的接觸區(qū)摻雜濃度約為1×10²⁰cm³，結深約為0.05μm。

6)制作接觸孔。光刻出PMOS晶體管的源區(qū)(S)、漏區(qū)(D)、柵區(qū)(G)、N阱接觸區(qū)和P型襯底接觸區(qū)的引線孔，接觸孔面積約為0.5×0.5μm²，然后淀積一層金屬膜，并光刻出晶體管和接觸區(qū)的電極圖形。其中，多晶硅柵極表面(光照窗口)為金屬開放區(qū)(除電極金屬外，不加其他金屬層)，以增加進光量。

7)金屬互聯(lián)。利用光刻、刻蝕及金屬化工藝制備其它高層互連金屬，用于將光電探測器的光電流引出至接觸焊盤。

8)在器件表面淀積一層鈍化膜(如硅酸玻璃)，厚度約為50nm，避免雜質侵入。

對于上述方法設計和制備的光電探測器，在N阱電位懸空，襯底端接GND，PMOS晶體管的源電壓為1.8V，柵電壓為1.5V時，器件表面光照強度在10^-6Wcm^-2～1Wcm^-2范圍變化時，PMOS晶體管的N阱電壓變化曲線如圖3所示。由圖可知，N阱電壓隨光照強度增強而減小，且呈對數(shù)關系變化。這是因為光電流是光強線性函數(shù)，N阱電壓是光電流的對數(shù)函數(shù)。

圖4所示為相同偏置條件下，漏電流隨光強和柵壓的變化。漏電流隨光照強度增強而增大，且漏電流受外加柵壓的控制。柵壓越小，漏電流越大。在外加柵壓分別為1.8V、1.5V和1.2V時，漏電流從10^-9A量級變化到10^-6A量級。這是因為外加柵壓越小，PMOS晶體管越接近開啟狀態(tài)，這使得PMOS晶體管最終開啟所需的光照強度也越小，因而在相同光強下的漏電流變大。

柵壓對光電流增益的控制如圖5所示。本發(fā)明所設計的光電探測器在柵壓較低時，光電流增益相對較高；而在柵壓較高時，光電流增益相對較低。例如，在光強小于10^-5Wcm^-2時，光電流增益超過10⁶倍，且光電流增益隨光強的增加而減小，避免應光強過大而出現(xiàn)高光溢出，因而非常適用于弱光探測。

綜上所述，本發(fā)明所設計光電探測器不僅具有很高的光電流增益，適用于微弱光信號探測，而且通過調節(jié)外加柵壓，控制光電流增益，因而也適用于不同光強的探測環(huán)境。