专利名称：低噪声双极结型光敏场效应晶体管及制作方法
技术领域：
本发明属于半导体领域高性能新器件新结构的设计，是一种新型复合型光电检测器件。
背景技术：
光电检测器是光电子集成电路中的重要组成部分，是CMOS图像传感器阵列的关键。噪声的大小直接影响CMOS图像传感器对图像源信息的接收、输入、采集和处理的各个环节，因此如何提高信噪比是设计CMOS图像传感器的关键技术之一。尽量在图像传感器的前端-光电检测器部分降低噪声和提高转化效率，可以降低对图像处理技术的要求，获得高质量的图像。
CMOS图像传感器的发展得益于集成电路工艺的最小尺寸按等比例原则缩小，如缩小像素的尺寸、提高填充系数、集成更多的模拟和数字电路等。目前，CMOS图像传感器主要采用光电二极管作为光电转化器件，但CMOS工艺制作的PN结存在较大的漏电流，该漏电流增大了噪声、降低了灵敏度。而且，H.Wong等研究表明当工艺下降到0.25um时，光电二极管的暗电流噪声增加、量子效应下降、漏电流大量增加，特性并没有由于工艺的最小尺寸下降而得到改善，在0.25um工艺以下，一般采用STI工艺来抑制噪声。研究新型高增益、低噪声、高灵敏度的光电检测器是发展高性能的图像传感器的关键。
目前一些研究通过改变工艺参数或改变结构器件形状来提高响应灵敏度、降低噪声和提高像素填充因子。遗憾的是不论怎样改变工艺参数和器件结构形状，都没有改变光电二极管的工作机制，即当光照到PN结上产生电子-空穴对，如果光生电子和空穴位于结区两侧的扩散长度内，则他们将扩散到结区边界，在结区外加反向电场的作用下向相反方向运动，从而产生光生电流。光生电流的大小与入射光的强度成正比，但光电流只有纳安至微安数量级，用二极管构成象素时往往加许多放大晶体管，大大降低了填充系数。如果能将光电二极管和低噪声放大管集成到一块，将增大填充系数、提高响应灵敏度；同时若能充分利用半导体中两种载流子来运载信号电荷则能提高像素信号电荷的读出速度和提高光电子转化效率。
针对这种情况，基于CMOS工艺提出一种新结构高性能双极结型光敏场效应晶体管设计技术，并成功应用于CMOS图像传感器的像素。
发明内容
本发明的目的在于提出一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管及制作方法，其是将光电二极管和低噪声放大器(结型场效应管)集成到一个晶体管来降低噪声、提高光电子转化效率；同时充分利用半导体中两种载流子来运载信号电荷来提高信号电荷的读出速度和提高像素填充系数的设计方法，并根据该理论发明一种新型新结构高性能低噪声双极结型光敏场效应晶体管，属于半导体领域高性能新器件新结构的设计。
本发明一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤1)对N型衬底硅片上离子注入P型杂质构成耗尽型导电沟道；2)热生长二氧化硅膜，并进行光刻有源区；3)场氧化、刻栅氧化窗口，并进行栅氧化，淀积多晶硅，光刻多晶栅；4)阴极区进行自对准n+离子注入并扩散；5)栅极区进行自对准n+离子注入并扩散；6)阳极区进行自对准p+离子注入并扩散；7)淀积二氧化硅膜，刻电极接触孔，蒸铝，反刻铝电极，淀积表面钝化膜，刻压焊区。
本发明一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管，其特征在于，包括一N-型的半导体硅基衬底；一导电沟道为P型导电沟道，该P型导电沟道制作在N-型的半导体硅基衬底上；一注入多数电子的N+区，该注入多数电子的N+区制作在P型导电沟道的一侧；一注入多数电子的N+区构成光电二极管，该注入多数电子的N+区构成光电二极管制作在导电沟道为P型导电沟道的中间；一注入多数空穴的P+区，该为注入多数空穴的P+区制作在导电沟道为P型导电沟道的另一侧。
其中在注入多数电子的N+区的的上面引出阴极管脚。
其中在多数电子的N+区构成光电二极管的上面引出栅极管脚。
其中在注入多数空穴的P+区的上面引出阳极。
其中在导电沟道为P型导电沟道的上面制作有一隔离氧化层。
本发明一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管的读出电路，其特征在于，包括一N-型的半导体硅基衬底；一导电沟道为P型导电沟道，该P型导电沟道制作在N-型的半导体硅基衬底上；一注入多数电子的N+区，该注入多数电子的N+区制作在P型导电沟道的一侧；一注入多数电子的N+区构成光电二极管，该注入多数电子的N+区构成光电二极管制作在导电沟道为P型导电沟道的中间；一注入多数空穴的P+区，该为注入多数空穴的P+区制作在导电沟道为P型导电沟道的另一侧，在注入多数空穴的P+区的上面引出阳极；一选通晶体管，该选通晶体管的源极与双极结型光敏场效应晶体管的阳极相连，栅极接像素单元选通脉冲，漏极与位线相连接。
为进一步说明本发明的技术特征，以下结合实施例及附图对本发明作一详细的描述，其中图1是P沟道的双极结型光敏场效应晶体管的结构剖面原理图。
图2是应用于CMOS图像传感器的双极结型光敏场效应晶体管像素读出电路图。
具体实施例方式
本发明一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管的制作方法，包括如下步骤1)对N型的半导体硅基衬底1上离子注入P型杂质构成耗尽型导电沟道2；2)热生长二氧化硅膜，并进行光刻有源区；3)场氧化、刻栅氧化窗口，并进行栅氧化，淀积多晶硅，光刻多晶栅；4)阴极区进行自对准n+离子注入并扩散；5)栅极区进行自对准n+离子注入并扩散；6)阳极区进行自对准p+离子注入并扩散；7)淀积二氧化硅膜，刻电极接触孔，蒸铝，反刻铝电极，淀积表面钝化膜，刻压焊区。
图1是P沟道的双极结型光敏场效应晶体管的结构剖面原理图，引入p+n注入结充分利用半导体中两种载流子导电提高光电响应灵敏度的结构剖面图。假设双极结型光敏场效应晶体管制造在N-型的半导体硅基衬底1上，导电沟道为P型导电沟道2；3为注入多数电子的N+区，4为注入多数电子的N+区构成光电二极管，5为注入多数空穴的P+区；6是从注入多数电子的N+区3引出的阴极管脚，7是从注入多数电子的N+区构成的光电二极管4引出的栅极管脚，8是从注入多数空穴的P+区5引出的阳极；9为入射光，10为隔离氧化层。
本发明一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管，包括一N-型的半导体硅基衬底1；一导电沟道为P型导电沟道2，该P型导电沟道2制作在N-型的半导体硅基衬底1上；一注入多数电子的N+区3，该注入多数电子的N+区3制作在P型导电沟道2的一侧，其中在注入多数电子的N+区3的上面引出阴极管脚6；一注入多数电子的N+区构成光电二极管4，该注入多数电子的N+区构成光电二极管4制作在导电沟道为P型导电沟道2的中间，其中在多数电子的N+区构成光电二极管的上面引出栅极管脚7；一注入多数空穴的P+区5，该注入多数空穴的P+区5制作在导电沟道为P型导电沟道2的另一侧，其中在注入多数空穴的P+区的上面引出阳极8。
其中在导电沟道为P型导电沟道2的上面制作有一隔离氧化层10。
未加入射光9的光信号时，双极结型光敏场效应晶体管的导电沟道可以等效为一个传统的JFET和一个pn结串联。未加栅压时，光电二极管4与沟道2间的pn结呈现高阻抗；当阴极6和阳极8的电压差小于零时，沟道因为阳极结的反偏不存在，只有当阴极6和阳极8的电压差大于零时，阳极的P+区5向沟道注入载流子向阴极N-区3漂移，而阴极N-区3的电子向阳极的P+区5作漂移运动。在直流工作情况下，沟道中载流子浓度处于稳定分布，当载流子扩散长度大于沟道长度时，载流子以极限饱和速度运动，因此载流子运动过程中的复合电流可以忽略，沟道电流主要是电场作用下的漂移流，这两种载流子运动方向相反，形成的电流方向一致，且电流随阴极6和阳极8的电压差而变化。当在栅极加反偏电压，将调节导电沟道的厚度，导电沟道的厚度将随栅极的反偏电压的大小而变化，从而改变沟道电流的大小。当入射光9照射到双极结型光敏场效应晶体管表面栅极区4时，在栅极结的耗尽层产生电子空穴对，空穴被移出光电检测器的表面栅极，电子被收集和存储，因此信号电荷导致栅极电势的变化，从而对沟道2中的电流进行调制，从而将光信号转变为电流信号。沟道电流由于引进PN注入结，因此沟道电流同时存在电子电流和空穴电流，当信号电荷对沟道电流进行调制时将引起大的电流变化，这样半导体中两种载流子参与导电将信号电荷读出，使其既具有双极器件工作速度快又具有场效应晶体管的压控特性来提高动态响应范围和响应灵敏度，这种工作原理能提高像素信号电荷的读出速度、降低噪声、提高光电子转化效率和提高像素填充系数。
图2是应用于CMOS图像传感器的双极结型光敏场效应晶体管像素读出电路。双极结型光敏场效应晶体管像素读出电路由双极结型光敏场效应晶体管和一个选通金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)管构成，MOSFET的源极与双极结型光敏场效应晶体管的阳极8相连，MOSFET的栅极11接像素单元选通脉冲，读出的信号通过MOSFET的漏极12与位线13相连读出。双极结型光敏场效应晶体管的结构同图1，在双极结型光敏场效应晶体管的栅极7加有一定的偏置电压。无光照时双极结型光敏场效应晶体管处于截止状态。当管子受光照时，在栅与阴极之间的PN结附近产生电子一空穴对，它们在结电场的作用下，分别向栅极7与阴极6运动，引起栅极与阴极之间的电荷积累，产生光生电动势。当栅极与阳极之间外加正向电压形成回路时，降有沟道电流流过，它正比于入射光9的强度光强，此电流为信号电流，光的强度变化将引起信号电流的变化。由于双极结型光敏场效应晶体管中等效JFET的放大作用，当选通MOSFET在栅极脉冲电压导通时，在位线13上得到一个随入射光强而变化且放大的电流信号。
当光照射到双极结型光敏场效应晶体管表面栅极时在栅极结的耗尽层产生电子空穴对，空穴被移出光电检测器的表面栅极，电子被收集和存储，因此信号电荷导致栅极电势的变化，从而对沟道电流进行调制。沟道电流由于引进PN注入结，因此沟道电流同时存在电子电流和空穴电流，当信号电荷对沟道电流进行调制时将引起大的电流变化，这样半导体中两种载流子参与导电，使其既具有双极器件工作速度快又具有场效应晶体管的压控特性来提高动态响应范围和响应灵敏度，这种工作原理能提高像素信号电荷的读出速度、降低噪声、提高光电子转化效率和提高像素填充系数。双极结型光敏场效应晶体管可以等效为一个光电二极管和结型场效应管，结型场效应管作为预放大器，从而避免了大的寄生电容，能提供很低的噪声特性，提高信噪比。
为便于标准CMOS工艺集成，光电双极结型场效应管内集成的结型场效应晶体管(JFET)为横着的导电沟道，JFET制作在n型衬底上，器件的导电沟道是p型导电沟道，表面的栅极被优化为低光度照射检测结，与普通的JFET不同之处是漏极依然为p+离子注入作为阳极，源极n+离子注入作为阴极。双极结型光敏场效应晶体管也可以是N型导电沟道，制造在P型衬底上。
基于双极结型光敏场效应晶体管的像素很好的结合了传统PPS和APS的优点，避免了两者的缺点。PPS像素的优点是像素内只集成一个选通晶体管，填充系数大，因此光量子效应大，在给出的工艺下，设计的分辨率最高；但输出的信号幅度小，像素传感点的寄生电容大限制了读出速率。典型的APS像素为一个光电二极管和三个晶体管构成，输出的信号幅度增大；像素传感点的寄生电容由于源跟随器的隔离只是置位晶体管的等效寄生电容和光电二极管的电容之和，因此读出速率增大；但填充系数降低，光量子效应减少。而双极结型光敏场效应晶体管构成的像素内只需集成一个选通晶体管，填充系数增大、光量子效应增大；双极结型光敏场效应晶体管等效的双极结型场效应管作为预放大器，从而避免了大的寄生电容，能提供很低的噪声特性、快的读出速率和大的输出信号幅度，并为发展像素单元内集成ADC的高性能DPS像素提供了可能。
权利要求
1.一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管，其特征在于，包括一N-型的半导体硅基衬底；一导电沟道为P型导电沟道，该P型导电沟道制作在N-型的半导体硅基衬底上；一注入多数电子的N+区，该注入多数电子的N+区制作在P型导电沟道的一侧；一注入多数电子的N+区构成光电二极管，该注入多数电子的N+区构成光电二极管制作在导电沟道为P型导电沟道的中间；一注入多数空穴的P+区，该为注入多数空穴的P+区制作在导电沟道为P型导电沟道的另一侧。
2.根据权利要求1所述的低噪声双极结型光敏场效应晶体管，其特征在于，其中在注入多数电子的N+区的的上面引出阴极管脚。
3.根据权利要求1所述的低噪声双极结型光敏场效应晶体管，其特征在于，其中在多数电子的N+区构成光电二极管的上面引出栅极管脚。
4.根据权利要求1所述的低噪声双极结型光敏场效应晶体管，其特征在于，其中在注入多数空穴的P+区的上面引出阳极。
5.根据权利要求1所述的低噪声双极结型光敏场效应晶体管，其特征在于，其中在导电沟道为P型导电沟道的上面制作有一隔离氧化层。
6.一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管的读出电路，其特征在于，包括一N-型的半导体硅基衬底；一导电沟道为P型导电沟道，该P型导电沟道制作在N-型的半导体硅基衬底上；一注入多数电子的N+区，该注入多数电子的N+区制作在P型导电沟道的一侧；一注入多数电子的N+区构成光电二极管，该注入多数电子的N+区构成光电二极管制作在导电沟道为P型导电沟道的中间；一注入多数空穴的P+区，该注入多数空穴的P+区制作在导电沟道为P型导电沟道的另一侧，在注入多数空穴的P+区的上面引出阳极；一选通晶体管，该选通晶体管的源极与双极结型光敏场效应晶体管的阳极相连，栅极接像素单元选通脉冲，漏极与位线相连接。
7.一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤1)对N型衬底硅片上离子注入P型杂质构成耗尽型导电沟道；2)热生长二氧化硅膜，并进行光刻有源区；3)场氧化、刻栅氧化窗口，并进行栅氧化，淀积多晶硅，光刻多晶栅；4)阴极区进行自对准n+离子注入并扩散；5)栅极区进行自对准n+离子注入并扩散；6)阳极区进行自对准p+离子注入并扩散；7)淀积二氧化硅膜，刻电极接触孔，蒸铝，反刻铝电极，淀积表面钝化膜，刻压焊区。
全文摘要
本发明一种低噪声双极结型光敏场效应晶体管，包括一N
文档编号H01L27/14GK1538532SQ03123140
公开日2004年10月20日 申请日期2003年4月17日 优先权日2003年4月17日
发明者金湘亮, 陈杰 申请人:中国科学院微电子中心