低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體及製作方法
2023-05-23 18:01:11
專利名稱：低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體及製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體領域高性能新器件新結構的設計，是一種新型複合型光電檢測器件。
背景技術：
光電檢測器是光電子集成電路中的重要組成部分，是CMOS圖像傳感器陣列的關鍵。噪聲的大小直接影響CMOS圖像傳感器對圖像源信息的接收、輸入、採集和處理的各個環節，因此如何提高信噪比是設計CMOS圖像傳感器的關鍵技術之一。儘量在圖像傳感器的前端-光電檢測器部分降低噪聲和提高轉化效率，可以降低對圖像處理技術的要求，獲得高質量的圖像。
CMOS圖像傳感器的發展得益於集成電路工藝的最小尺寸按等比例原則縮小，如縮小像素的尺寸、提高填充係數、集成更多的模擬和數字電路等。目前，CMOS圖像傳感器主要採用光電二極體作為光電轉化器件，但CMOS工藝製作的PN結存在較大的漏電流，該漏電流增大了噪聲、降低了靈敏度。而且，H.Wong等研究表明當工藝下降到0.25um時，光電二極體的暗電流噪聲增加、量子效應下降、漏電流大量增加，特性並沒有由於工藝的最小尺寸下降而得到改善，在0.25um工藝以下，一般採用STI工藝來抑制噪聲。研究新型高增益、低噪聲、高靈敏度的光電檢測器是發展高性能的圖像傳感器的關鍵。
目前一些研究通過改變工藝參數或改變結構器件形狀來提高響應靈敏度、降低噪聲和提高像素填充因子。遺憾的是不論怎樣改變工藝參數和器件結構形狀，都沒有改變光電二極體的工作機制，即當光照到PN結上產生電子-空穴對，如果光生電子和空穴位於結區兩側的擴散長度內，則他們將擴散到結區邊界，在結區外加反向電場的作用下向相反方向運動，從而產生光生電流。光生電流的大小與入射光的強度成正比，但光電流只有納安至微安數量級，用二極體構成象素時往往加許多放大電晶體，大大降低了填充係數。如果能將光電二極體和低噪聲放大管集成到一塊，將增大填充係數、提高響應靈敏度；同時若能充分利用半導體中兩種載流子來運載信號電荷則能提高像素信號電荷的讀出速度和提高光電子轉化效率。
針對這種情況，基於CMOS工藝提出一種新結構高性能雙極結型光敏場效應電晶體設計技術，並成功應用於CMOS圖像傳感器的像素。
發明內容
本發明的目的在於提出一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體及製作方法，其是將光電二極體和低噪聲放大器(結型場效應管)集成到一個電晶體來降低噪聲、提高光電子轉化效率；同時充分利用半導體中兩種載流子來運載信號電荷來提高信號電荷的讀出速度和提高像素填充係數的設計方法，並根據該理論發明一種新型新結構高性能低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，屬於半導體領域高性能新器件新結構的設計。
本發明一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟1)對N型襯底矽片上離子注入P型雜質構成耗盡型導電溝道；2)熱生長二氧化矽膜，並進行光刻有源區；3)場氧化、刻柵氧化窗口，並進行柵氧化，澱積多晶矽，光刻多晶柵；4)陰極區進行自對準n+離子注入並擴散；5)柵極區進行自對準n+離子注入並擴散；6)陽極區進行自對準p+離子注入並擴散；7)澱積二氧化矽膜，刻電極接觸孔，蒸鋁，反刻鋁電極，澱積表面鈍化膜，刻壓焊區。
本發明一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，其特徵在於，包括一N-型的半導體矽基襯底；一導電溝道為P型導電溝道，該P型導電溝道製作在N-型的半導體矽基襯底上；一注入多數電子的N+區，該注入多數電子的N+區製作在P型導電溝道的一側；一注入多數電子的N+區構成光電二極體，該注入多數電子的N+區構成光電二極體製作在導電溝道為P型導電溝道的中間；一注入多數空穴的P+區，該為注入多數空穴的P+區製作在導電溝道為P型導電溝道的另一側。
其中在注入多數電子的N+區的的上面引出陰極管腳。
其中在多數電子的N+區構成光電二極體的上面引出柵極管腳。
其中在注入多數空穴的P+區的上面引出陽極。
其中在導電溝道為P型導電溝道的上面製作有一隔離氧化層。
本發明一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體的讀出電路，其特徵在於，包括一N-型的半導體矽基襯底；一導電溝道為P型導電溝道，該P型導電溝道製作在N-型的半導體矽基襯底上；一注入多數電子的N+區，該注入多數電子的N+區製作在P型導電溝道的一側；一注入多數電子的N+區構成光電二極體，該注入多數電子的N+區構成光電二極體製作在導電溝道為P型導電溝道的中間；一注入多數空穴的P+區，該為注入多數空穴的P+區製作在導電溝道為P型導電溝道的另一側，在注入多數空穴的P+區的上面引出陽極；一選通電晶體，該選通電晶體的源極與雙極結型光敏場效應電晶體的陽極相連，柵極接像素單元選通脈衝，漏極與位線相連接。
為進一步說明本發明的技術特徵，以下結合實施例及附圖對本發明作一詳細的描述，其中圖1是P溝道的雙極結型光敏場效應電晶體的結構剖面原理圖。
圖2是應用於CMOS圖像傳感器的雙極結型光敏場效應電晶體像素讀出電路圖。
具體實施例方式
本發明一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體的製作方法，包括如下步驟1)對N型的半導體矽基襯底1上離子注入P型雜質構成耗盡型導電溝道2；2)熱生長二氧化矽膜，並進行光刻有源區；3)場氧化、刻柵氧化窗口，並進行柵氧化，澱積多晶矽，光刻多晶柵；4)陰極區進行自對準n+離子注入並擴散；5)柵極區進行自對準n+離子注入並擴散；6)陽極區進行自對準p+離子注入並擴散；7)澱積二氧化矽膜，刻電極接觸孔，蒸鋁，反刻鋁電極，澱積表面鈍化膜，刻壓焊區。
圖1是P溝道的雙極結型光敏場效應電晶體的結構剖面原理圖，引入p+n注入結充分利用半導體中兩種載流子導電提高光電響應靈敏度的結構剖面圖。假設雙極結型光敏場效應電晶體製造在N-型的半導體矽基襯底1上，導電溝道為P型導電溝道2；3為注入多數電子的N+區，4為注入多數電子的N+區構成光電二極體，5為注入多數空穴的P+區；6是從注入多數電子的N+區3引出的陰極管腳，7是從注入多數電子的N+區構成的光電二極體4引出的柵極管腳，8是從注入多數空穴的P+區5引出的陽極；9為入射光，10為隔離氧化層。
本發明一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，包括一N-型的半導體矽基襯底1；一導電溝道為P型導電溝道2，該P型導電溝道2製作在N-型的半導體矽基襯底1上；一注入多數電子的N+區3，該注入多數電子的N+區3製作在P型導電溝道2的一側，其中在注入多數電子的N+區3的上面引出陰極管腳6；一注入多數電子的N+區構成光電二極體4，該注入多數電子的N+區構成光電二極體4製作在導電溝道為P型導電溝道2的中間，其中在多數電子的N+區構成光電二極體的上面引出柵極管腳7；一注入多數空穴的P+區5，該注入多數空穴的P+區5製作在導電溝道為P型導電溝道2的另一側，其中在注入多數空穴的P+區的上面引出陽極8。
其中在導電溝道為P型導電溝道2的上面製作有一隔離氧化層10。
未加入射光9的光信號時，雙極結型光敏場效應電晶體的導電溝道可以等效為一個傳統的JFET和一個pn結串聯。未加柵壓時，光電二極體4與溝道2間的pn結呈現高阻抗；當陰極6和陽極8的電壓差小於零時，溝道因為陽極結的反偏不存在，只有當陰極6和陽極8的電壓差大於零時，陽極的P+區5向溝道注入載流子向陰極N-區3漂移，而陰極N-區3的電子向陽極的P+區5作漂移運動。在直流工作情況下，溝道中載流子濃度處於穩定分布，當載流子擴散長度大於溝道長度時，載流子以極限飽和速度運動，因此載流子運動過程中的複合電流可以忽略，溝道電流主要是電場作用下的漂移流，這兩種載流子運動方向相反，形成的電流方向一致，且電流隨陰極6和陽極8的電壓差而變化。當在柵極加反偏電壓，將調節導電溝道的厚度，導電溝道的厚度將隨柵極的反偏電壓的大小而變化，從而改變溝道電流的大小。當入射光9照射到雙極結型光敏場效應電晶體表面柵極區4時，在柵極結的耗盡層產生電子空穴對，空穴被移出光電檢測器的表面柵極，電子被收集和存儲，因此信號電荷導致柵極電勢的變化，從而對溝道2中的電流進行調製，從而將光信號轉變為電流信號。溝道電流由於引進PN注入結，因此溝道電流同時存在電子電流和空穴電流，當信號電荷對溝道電流進行調製時將引起大的電流變化，這樣半導體中兩種載流子參與導電將信號電荷讀出，使其既具有雙極器件工作速度快又具有場效應電晶體的壓控特性來提高動態響應範圍和響應靈敏度，這種工作原理能提高像素信號電荷的讀出速度、降低噪聲、提高光電子轉化效率和提高像素填充係數。
圖2是應用於CMOS圖像傳感器的雙極結型光敏場效應電晶體像素讀出電路。雙極結型光敏場效應電晶體像素讀出電路由雙極結型光敏場效應電晶體和一個選通金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)管構成，MOSFET的源極與雙極結型光敏場效應電晶體的陽極8相連，MOSFET的柵極11接像素單元選通脈衝，讀出的信號通過MOSFET的漏極12與位線13相連讀出。雙極結型光敏場效應電晶體的結構同圖1，在雙極結型光敏場效應電晶體的柵極7加有一定的偏置電壓。無光照時雙極結型光敏場效應電晶體處於截止狀態。當管子受光照時，在柵與陰極之間的PN結附近產生電子一空穴對，它們在結電場的作用下，分別向柵極7與陰極6運動，引起柵極與陰極之間的電荷積累，產生光生電動勢。當柵極與陽極之間外加正向電壓形成迴路時，降有溝道電流流過，它正比於入射光9的強度光強，此電流為信號電流，光的強度變化將引起信號電流的變化。由於雙極結型光敏場效應電晶體中等效JFET的放大作用，當選通MOSFET在柵極脈衝電壓導通時，在位線13上得到一個隨入射光強而變化且放大的電流信號。
當光照射到雙極結型光敏場效應電晶體表面柵極時在柵極結的耗盡層產生電子空穴對，空穴被移出光電檢測器的表面柵極，電子被收集和存儲，因此信號電荷導致柵極電勢的變化，從而對溝道電流進行調製。溝道電流由於引進PN注入結，因此溝道電流同時存在電子電流和空穴電流，當信號電荷對溝道電流進行調製時將引起大的電流變化，這樣半導體中兩種載流子參與導電，使其既具有雙極器件工作速度快又具有場效應電晶體的壓控特性來提高動態響應範圍和響應靈敏度，這種工作原理能提高像素信號電荷的讀出速度、降低噪聲、提高光電子轉化效率和提高像素填充係數。雙極結型光敏場效應電晶體可以等效為一個光電二極體和結型場效應管，結型場效應管作為預放大器，從而避免了大的寄生電容，能提供很低的噪聲特性，提高信噪比。
為便於標準CMOS工藝集成，光電雙極結型場效應管內集成的結型場效應電晶體(JFET)為橫著的導電溝道，JFET製作在n型襯底上，器件的導電溝道是p型導電溝道，表面的柵極被優化為低光度照射檢測結，與普通的JFET不同之處是漏極依然為p+離子注入作為陽極，源極n+離子注入作為陰極。雙極結型光敏場效應電晶體也可以是N型導電溝道，製造在P型襯底上。
基於雙極結型光敏場效應電晶體的像素很好的結合了傳統PPS和APS的優點，避免了兩者的缺點。PPS像素的優點是像素內只集成一個選通電晶體，填充係數大，因此光量子效應大，在給出的工藝下，設計的解析度最高；但輸出的信號幅度小，像素傳感點的寄生電容大限制了讀出速率。典型的APS像素為一個光電二極體和三個電晶體構成，輸出的信號幅度增大；像素傳感點的寄生電容由於源跟隨器的隔離只是置位電晶體的等效寄生電容和光電二極體的電容之和，因此讀出速率增大；但填充係數降低，光量子效應減少。而雙極結型光敏場效應電晶體構成的像素內只需集成一個選通電晶體，填充係數增大、光量子效應增大；雙極結型光敏場效應電晶體等效的雙極結型場效應管作為預放大器，從而避免了大的寄生電容，能提供很低的噪聲特性、快的讀出速率和大的輸出信號幅度，並為發展像素單元內集成ADC的高性能DPS像素提供了可能。
權利要求
1.一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，其特徵在於，包括一N-型的半導體矽基襯底；一導電溝道為P型導電溝道，該P型導電溝道製作在N-型的半導體矽基襯底上；一注入多數電子的N+區，該注入多數電子的N+區製作在P型導電溝道的一側；一注入多數電子的N+區構成光電二極體，該注入多數電子的N+區構成光電二極體製作在導電溝道為P型導電溝道的中間；一注入多數空穴的P+區，該為注入多數空穴的P+區製作在導電溝道為P型導電溝道的另一側。
2.根據權利要求1所述的低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，其特徵在於，其中在注入多數電子的N+區的的上面引出陰極管腳。
3.根據權利要求1所述的低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，其特徵在於，其中在多數電子的N+區構成光電二極體的上面引出柵極管腳。
4.根據權利要求1所述的低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，其特徵在於，其中在注入多數空穴的P+區的上面引出陽極。
5.根據權利要求1所述的低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，其特徵在於，其中在導電溝道為P型導電溝道的上面製作有一隔離氧化層。
6.一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體的讀出電路，其特徵在於，包括一N-型的半導體矽基襯底；一導電溝道為P型導電溝道，該P型導電溝道製作在N-型的半導體矽基襯底上；一注入多數電子的N+區，該注入多數電子的N+區製作在P型導電溝道的一側；一注入多數電子的N+區構成光電二極體，該注入多數電子的N+區構成光電二極體製作在導電溝道為P型導電溝道的中間；一注入多數空穴的P+區，該注入多數空穴的P+區製作在導電溝道為P型導電溝道的另一側，在注入多數空穴的P+區的上面引出陽極；一選通電晶體，該選通電晶體的源極與雙極結型光敏場效應電晶體的陽極相連，柵極接像素單元選通脈衝，漏極與位線相連接。
7.一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟1)對N型襯底矽片上離子注入P型雜質構成耗盡型導電溝道；2)熱生長二氧化矽膜，並進行光刻有源區；3)場氧化、刻柵氧化窗口，並進行柵氧化，澱積多晶矽，光刻多晶柵；4)陰極區進行自對準n+離子注入並擴散；5)柵極區進行自對準n+離子注入並擴散；6)陽極區進行自對準p+離子注入並擴散；7)澱積二氧化矽膜，刻電極接觸孔，蒸鋁，反刻鋁電極，澱積表面鈍化膜，刻壓焊區。
全文摘要
本發明一種低噪聲雙極結型光敏場效應電晶體，包括一N
文檔編號H01L27/14GK1538532SQ03123140
公開日2004年10月20日 申請日期2003年4月17日 優先權日2003年4月17日
發明者金湘亮, 陳杰 申請人:中國科學院微電子中心