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)。本发明还涉及一种光电原位有源像素传感器的制造方法。

背景技术：

1、现有传统的与硅兼容的图像传感器主要有cmos图像传感器(cis)和电荷耦合器件(ccd)，为了克服这两种代表性光电传感器的劣势，发明人曾提出全耗尽绝缘层上硅衬底(soi)的光电原位有源像素传感器，实现了高灵敏度的单晶体管光电原位有源像素传感。pisd将有源像素传感器所需的所有功能集成到一个晶体管中，包括光电转换、电荷积分、放大和随机选通，因此，它比传统cis更加紧凑。

2、但是，在基于传统绝缘层上硅衬底结构的pisd中，因为光电子在衬底中的迁移，传感器不同像素之间的串扰非常严重，故有必要对pisd的像素间的串扰进行降低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种光电原位有源像素传感器，能减少像素即器件单元结构之间的串扰。为此，本发明还提供一种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，本发明提供的光电原位有源像素传感器的器件单元结构形成于双埋层soi(dsoi)衬底上。

3、所述双埋层soi衬底包括：半导体主体层、第二介质埋层、半导体中间层、第一介质埋层和半导体顶层。

4、所述第二介质埋层形成于所述半导体主体层的顶部表面上，所述半导体中间层形成于所述第二介质埋层的顶部表面上，所述第一介质埋层形成于所述半导体中间层的顶部表面上，所述半导体顶层形成于所述第一介质埋层的顶部表面上。

5、所述器件单元结构包括mos晶体管和感光结构。

6、所述mos晶体管形成于所述半导体顶层上，所述mos晶体管的沟道区由所述半导体顶层组成。

7、所述感光结构包括所述半导体中间层、第一半导体外延层和第一欧姆接触区。

8、所述第一半导体外延层穿过所述半导体顶层和所述第一介质埋层并和所述半导体中间层接触；所述第一半导体外延层和所述半导体中间层都具有第二导电类型的轻掺杂结构。

9、所述第一欧姆接触区形成于所述第一半导体外延层的表面区域中并具有第二导电类型的重掺杂结构。

10、所述第一欧姆接触区通过顶部的接触孔连接到由正面金属层组成的第一电极。

11、在所述器件单元结构的周侧还形成有深沟槽隔离，所述深沟槽隔离的底部表面达到所述第二介质埋层中。

12、在所述深沟槽隔离外侧还形成有第二半导体外延层和第二欧姆接触区。

13、所述第二半导体外延层穿过所述半导体顶层、所述第一介质埋层、所述半导体中间层和所述第二介质埋层并和所述半导体主体层接触；所述第二半导体外延层和所述半导体主体层都具有第二导电类型的轻掺杂结构。

14、所述第二欧姆接触区形成于所述第二半导体外延层的表面区域中并具有第二导电类型的重掺杂结构。

15、所述深沟槽隔离和所述第二介质埋层使所述感光结构和周侧的所述第二半导体外延层和所述半导体主体层相隔离，以抑制相邻的所述器件单元结构之间的串扰。

16、进一步的改进是，所述mos晶体管形成于第一有源区中。

17、所述第一有源区位于浅沟槽隔离围成的环绕区域内或者所述第一有源区位于浅沟槽隔离和对应的所述深沟槽隔离一起围成的环绕区域内。

18、所述浅沟槽隔离的底部表面达到所述第一介质埋层中。

19、进一步的改进是，所述mos晶体管的栅极结构为平面栅，所述栅极结构形成于所述半导体顶层的顶部表面上，被所述栅极结构所述覆盖的所述半导体顶层作为所述沟道区。

20、在所述栅极结构两侧分别形成有第一导电类型重掺杂的源区和漏区，所述半导体顶层具有第二导电类型轻掺杂结构。

21、进一步的改进是，所述器件单元结构中的所述mos晶体管的数量为一个。

22、进一步的改进是，在曝光工作状态下，所述第一电极连接第一耗尽电压，所述第一耗尽电压使所述感光结构的所述半导体中间层和第一半导体外延层产生耗尽并形成第一耗尽区，所述第一耗尽电压还使所述第一耗尽区中产生的第一导电类型的光生载流子转移到所述mos晶体管底部的所述第一介质埋层和所述半导体中间层之间的第一界面处，所述第一界面处的所述光生载流子通过界面耦合效应使所述mos晶体管的阈值电压变化。

23、在复位状态下，所述第一电极连接所述第二复位电压，用于使所述第一耗尽区中的所述光生载流子复位。

24、进一步的改进是，所述第二欧姆接触区通过顶部的接触孔连接到由正面金属层组成的第二电极。

25、所述栅极结构通过顶部的接触孔连接到由正面金属层组成的栅极。

26、所述源区通过顶部的接触孔连接到由正面金属层组成的源极。

27、所述漏区通过顶部的接触孔连接到由正面金属层组成的漏极。

28、进一步的改进是，所述第二半导体外延层和所述半导体主体层的掺杂浓度都为1e15cm-3～1e17cm-3。

29、所述第一半导体外延层和所述半导体中间层的掺杂浓度都为1e15cm-3～1e17cm-3。

30、所述源区和所述漏区的掺杂浓度为1e19cm-3～1e21cm-3。

31、所述第一欧姆接触区和所述第二欧姆接触区的掺杂浓度为1e19cm-3～1e21cm-3。

32、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。

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

34、步骤一、提供双埋层soi衬底并在选定区域形成第一半导体外延层和第二半导体外延层。

35、所述双埋层soi衬底包括：半导体主体层、第二介质埋层、半导体中间层、第一介质埋层和半导体顶层。

36、所述第二介质埋层形成于所述半导体主体层的顶部表面上，所述半导体中间层形成于所述第二介质埋层的顶部表面上，所述第一介质埋层形成于所述半导体中间层的顶部表面上，所述半导体顶层形成于所述第一介质埋层的顶部表面上。

37、所述第一半导体外延层穿过所述半导体顶层和所述第一介质埋层并和所述半导体中间层接触；所述第一半导体外延层和所述半导体中间层都具有第二导电类型的轻掺杂结构。

38、所述第二半导体外延层穿过所述半导体顶层、所述第一介质埋层、所述半导体中间层和所述第二介质埋层并和所述半导体主体层接触；所述第二半导体外延层和所述半导体主体层都具有第二导电类型的轻掺杂结构。

39、步骤二、在器件单元结构的周侧形成深沟槽隔离，所述深沟槽隔离的底部表面达到所述第二介质埋层中。

40、所述第二半导体外延层位于在所述深沟槽隔离的外侧。

41、步骤三、在所述半导体顶层上形成器件单元结构的mos晶体管。

42、所述mos晶体管的沟道区由所述半导体顶层组成。

43、步骤四、在所述第一半导体外延层的表面区域中形成第二导电类型重掺杂的第一欧姆接触区以及在所述第二半导体外延层的表面区域中形成第二导电类型重掺杂的第二欧姆接触区。

44、所述器件单元结构的感光结构包括所述半导体中间层、所述第一半导体外延层和所述第一欧姆接触区。

45、所述深沟槽隔离和所述第二介质埋层使所述感光结构和周侧的所述第二半导体外延层和所述半导体主体层相隔离，以抑制相邻的所述器件单元结构之间的串扰。

46、步骤四、形成接触孔以及由正面金属层组成的电极，电极包括通过接触孔和所述第一欧姆接触区相连的第一电极。

47、进一步的改进是，在步骤三之前，还包括：

48、形成浅沟槽隔离，所述浅沟槽隔离的底部表面达到所述第一介质埋层中。

49、所述mos晶体管形成于第一有源区中；

50、所述第一有源区位于所述浅沟槽隔离围成的环绕区域内或者所述第一有源区位于所述浅沟槽隔离和对应的所述深沟槽隔离一起围成的环绕区域内。

51、进一步的改进是，步骤三包括如下分步骤：

52、形成所述mos晶体管的栅极结构，所述栅极结构为平面栅，所述栅极结构形成于所述半导体顶层的顶部表面上，被所述栅极结构所述覆盖的所述半导体顶层作为所述沟道区；所述半导体顶层具有第二导电类型轻掺杂结构；

53、在所述栅极结构两侧同时形成第一导电类型重掺杂的源区和漏区，所述源区的掺杂类型相同且和所述沟道区的掺杂类型相反。

54、进一步的改进是，所述器件单元结构中的所述mos晶体管的数量为一个。

55、进一步的改进是，在曝光工作状态下，所述第一电极连接第一耗尽电压，所述第一耗尽电压使所述感光结构的所述半导体中间层和第一半导体外延层产生耗尽并形成第一耗尽区，所述第一耗尽电压还使所述第一耗尽区中产生的第一导电类型的光生载流子转移到所述mos晶体管底部的所述第一介质埋层和所述半导体中间层之间的第一界面处，所述第一界面处的所述光生载流子通过界面耦合效应使所述mos晶体管的阈值电压变化；

56、在复位状态下，所述第一电极连接所述第二复位电压，用于使所述第一耗尽区中的所述光生载流子复位。

57、进一步的改进是，步骤四中，由所述正面金属层形成的电极还包括：第二电极、栅极、源极和漏极。

58、所述第二欧姆接触区通过顶部的接触孔连接到所述第二电极；

59、所述栅极结构通过顶部的接触孔连接到所述栅极；

60、所述源区通过顶部的接触孔连接到所述源极；

61、所述漏区通过顶部的接触孔连接到所述漏极。

62、进一步的改进是，所述第二半导体外延层和所述半导体主体层的掺杂浓度都为1e15cm-3～1e17cm-3。

63、所述第一半导体外延层和所述半导体中间层的掺杂浓度都为1e15cm-3～1e17cm-3。

64、所述源区和所述漏区的掺杂浓度为1e19cm-3～1e21cm-3。

65、所述第一欧姆接触区和所述第二欧姆接触区的掺杂浓度为1e19cm-3～1e21cm-3。

66、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。

67、本发明pisd采用了双埋层soi衬底，其中感光结构位于双埋层之间半导体中间层中，结合深沟槽隔离和底部的第二介质埋层的设置，能使感光结构和周侧的半导体主体层相隔离，从而能防止相邻的器件单元结构之间的光生载流子通过半导体主体层产生串扰，故本发明能抑制不同像素之间的串扰。

68、另外，本发明通过在感光结构的半导体中间层顶部的第一半导体外延层表面设置第一欧姆接触区并通过接触孔将第一欧姆接触区和由正面金属层形成的第一电极连接，通过调节第一电极上的电压，不仅能实现在光照下的曝光操作，还能在光照后实现复位操作，也即通过调节施加在第一电极上的电压能使半导体中间层中经过光照产生的载流子如电子复合而不至于在半导体中间层中保留，故能实现传感器在光照后的复位操作。

69、另外，本发明能通过浅沟槽隔离或者通过浅沟槽隔离和邻近的深沟槽隔离一起定义出mos晶体管形成区域对应的第一有源区，这能使整个器件单元结构紧凑性好，有利于降低器件尺寸。