用于偏振成像的光电原位有源像素传感器及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件，特别涉及一种用于偏振成像的光电原位有源像素传感器(photoelectron in-situ sensing device，pisd)。本发明还涉及一种用于偏振成像的光电原位有源像素传感器的制造方法。

背景技术：

1、光的偏振特征蕴含丰富的信息，在天文探测、气象学、材料学等许多领域具有重要意义。为提取光的偏振信息，可以采用多种偏振成像系统，包括分时、分振幅、分孔径、分焦平面、通道调节型偏振成像系统等，其中分焦平面式成像系统以其可以同时成像、适用于动态场景、集成度高等优势得到广泛应用。

2、分焦平面式成像系统常在电荷耦合器件(ccd)和cmos图像传感器(cis)等传感器芯片表面添加0°、45°、90°、135°四种偏振方向一组的偏振光栅阵列，使得不同像素单元可以检测不同偏振态光线的强度，从而分析入射光的偏振信息。但该种结构工艺较为复杂、成本高昂、体积较大，同时由于偏振光栅与感光材料之间存在一定距离，光线经过偏振片可能传播到相邻像素造成偏振串扰。综合来看，传统器件具有一定不足，难以满足实际需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种用于偏振成像的光电原位有源像素传感器，能简化工艺、降低成本和体积以及减少偏振串扰。为此，本发明还提供一种用于偏振成像的光电原位有源像素传感器的制造方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的用于偏振成像的光电原位有源像素传感器包括：

3、由多个像素单元排列形成的像素组。

4、所述像素单元包括mos晶体管和感光结构。

5、所述mos晶体管形成于soi衬底的半导体顶层中。

6、所述感光结构的组成部分包括位于所述mos晶体管底部的所述soi衬底的半导体主体层。

7、所述mos晶体管包括一个第一栅极结构，所述第一栅极结构为位于所述半导体顶层表面上的平面栅，被所述第一栅极结构所覆盖的所述半导体顶层作为沟道区；在所述第一栅极结构两侧形成有由第一导电类型重掺杂区组成的源区和漏区。

8、在所述半导体顶层上还形成有多个第二栅极结构，各所述第二栅极结构和所述第一栅极结构的工艺结构相同且平行排列形成偏振光栅，所述偏振光栅用于对入射光进行偏振分光并将经过所述偏振分光的所述入射光入射到所述感光结构的耗尽区中。

9、所述偏振光栅的偏振分光方向为所述第一栅极结构的长度方向，同一所述像素组中的各所述偏振光栅的偏振分光方向包括多个。

10、进一步的改进是，在所述像素单元的周侧形成有深沟槽隔离，所述深沟槽隔离穿过所述半导体顶层、所述soi衬底的介质埋层并进入到所述半导体主体层中。

11、进一步的改进是，在各所述第二栅极结构两侧也形成有第一导电类型重掺杂区。

12、进一步的改进是，所述第一栅极结构包括依次叠加的栅介质层和栅极导电材料层。

13、进一步的改进是，所述栅介质层的材料包括二氧化硅或高介电常数材料。

14、所述栅极导电材料层的材料包括多晶硅或金属。

15、进一步的改进是，所述感光结构还包括第二导电类型重掺杂的第一接触区以及半导体外延层。

16、所述第一接触区形成于所述半导体外延层的表面区域中。

17、所述第一接触区形成区域中的所述半导体顶层和所述介质埋层被去除，所述半导体外延层形成于所述半导体顶层和所述介质埋层被去除的区域中。

18、所述半导体外延层和所述半导体主体层都具有第二导电类型轻掺杂。

19、进一步的改进是，还包括多个金属接触层。

20、在所述第一栅极结构的顶部、各所述第二栅极结构的顶部、所述源区的顶部、所述漏区的顶部和所述第一接触区的顶部都设置有对应的所述金属接触层。

21、进一步的改进是，所述像素组中的所述像素单元的数量为4个。

22、各所述像素对应的所述偏振光栅的偏振分光方向分别为0°、45°、90°和135°。

23、进一步的改进是，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型；或者，第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。

24、为解决上述技术问题，本发明提供的用于偏振成像的光电原位有源像素传感器的制造方法包括如下步骤：

25、步骤一、提供soi衬底，所述soi衬底包括半导体主体层，介质埋层和半导体顶层，所述介质埋层形成于所述半导体主体层表面，所述半导体顶层形成于所述介质埋层表面。

26、所述半导体主体层作为所述像素单元的感光结构的组成部分。

27、步骤二、在所述半导体顶层上形成所述像素单元的mos晶体管，包括如下分步骤：

28、步骤21、形成所述mos晶体管的第一栅极结构，所述第一栅极结构为位于所述半导体顶层表面上的平面栅，被所述第一栅极结构所覆盖的所述半导体顶层作为沟道区。

29、在形成所述第一栅极结构的同时形成多个第二栅极结构；各所述第二栅极结构和所述第一栅极结构的工艺结构相同且平行排列形成偏振光栅，所述偏振光栅用于对入射光进行偏振分光并将经过所述偏振分光的所述入射光入射到所述感光结构的耗尽区中；所述偏振光栅的偏振分光方向为所述第一栅极结构的长度方向；由多个所述像素单元排列形成的像素组，同一所述像素组中的各所述偏振光栅的偏振分光方向包括多个。

30、步骤22、在所述第一栅极结构两侧形成由第一导电类型重掺杂区组成的源区和漏区。

31、进一步的改进是，在步骤二之前还包括：

32、在所述像素单元的周侧形成深沟槽，所述深沟槽穿过所述半导体顶层、所述soi衬底的介质埋层并进入到所述半导体主体层中。

33、在所述深沟槽中填充介质层形成深沟槽隔离。

34、进一步的改进是，步骤22中，还包括：同时在各所述第二栅极结构两侧形成第一导电类型重掺杂区。

35、进一步的改进是，步骤22包括：

36、去除所述第一栅极结构和各所述第二栅极结构两侧的所述半导体顶层。

37、在所述第一栅极结构和各所述第二栅极结构两侧进行外延生长形成第一导电类型重掺杂区。

38、进一步的改进是，所述第一栅极结构和各所述第二栅极结构的形成工艺包括：

39、依次生长栅介质层和栅极导电材料层。

40、对所述栅极导电材料层和所述栅介质层进行图形化刻蚀形成所述第一栅极结构和各所述第二栅极结构。

41、进一步的改进是，所述栅介质层的材料包括二氧化硅或高介电常数材料。

42、所述栅极导电材料层的材料包括多晶硅或金属。

43、进一步的改进是，所述感光结构还包括第二导电类型重掺杂的第一接触区以及半导体外延层。

44、所述半导体外延层在步骤二之前形成，包括：

45、去除所述半导体外延层形成区域中的所述半导体顶层和所述介质埋层。

46、进行外延生长在所述半导体顶层和所述介质埋层被去除的区域中形成所述半导体外延层。

47、所述第一接触区通过第二导电类型重掺杂的离子注入形成于所述半导体外延层的表面区域中。

48、进一步的改进是，还包括：

49、形成多个金属接触层，在所述第一栅极结构的顶部、各所述第二栅极结构的顶部、所述源区的顶部、所述漏区的顶部和所述第一接触区的顶部都形成有对应的所述金属接触层。

50、进一步的改进是，所述像素组中的所述像素单元的数量为4个；

51、各所述像素对应的所述偏振光栅的偏振分光方向分别为0°、45°、90°和135°。

52、本发明的偏振光栅采用pisd的mos晶体管的第一栅极结构以及和第一栅极结构相同且平行排列的第二栅极结构组成，也即偏振光栅是通过周期性排列的栅极阵列实现，和现有技术相比，本发明栅极阵列组成的偏振光栅能很好的mos晶体管的栅极结构结合，故不需要额外设置不同工艺层次的偏振光栅，这样能简化器件结构和工艺、降低成本并减小器件体积。

53、另外，本发明中，由于偏振光栅直接采用栅极阵列实现，入射光在通过栅极阵列检偏后会立即进入光传感材料中即底部的感光结构的半导体主体层形成的耗尽区中，能避免相邻像素光线出现偏振串扰。

54、本发明的像素单元是以光电原位有源像素传感器为基础得到，具有结构简单、体积较小和灵敏度高的优点。

55、综合来看，本发明能提升偏振图像传感器的性能，并提高实用性。