一种基于环栅mosfet结构的太赫兹传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种环栅MOSFET结构太赫兹信号传感器。环栅MOSFET结构的栅极弯曲围绕源极形成环状，漏极分布在外围。相比传统的直栅MOSFET结构，环栅结构缩小了源极面积，减小了源端寄生电容。在探测太赫兹波段时，环栅MOSFET结构比等效的直栅MOSFET结构能得到更大的电压响应RV和更小的噪声等效功率NEP。
【专利说明】-种基于环栅MOSFET结构的太赫兹传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种MOSFET太赫兹信号传感器，尤其是涉及一种环栅MOSFET结构的 太赫兹信号传感器。
【背景技术】
[0002] 太赫兹射线是一种介于微波和红外之间的射线。由于其具备频率高，穿透能力强、 生物无损害等显著优点，在宽带通信、雷达、电子对抗、医学成像、安全检查等方面有着巨大 的应用市场。作为太赫兹成像技术核心器件的太赫兹探测器一直受到科学界的广泛关注。 目前的太赫兹探测器有热辐射计、光声子探测器，热释电探测器，肖特基势垒二极管电子探 测器等。这些太赫兹探测器大多需要专门的非常规技术制备，存在研发工艺复杂，成本昂 贵，设备庞大等突出问题。基于集成电路制造工艺的CMOS太赫兹探测器，具有室温工作，低 成本，简单操作工艺，高成像能力等明显优势，是未来实现太赫兹技术实用化的重要途径。
[0003] CMOS太赫兹探测器包括CMOS传感器、太赫兹天线两个主要模块和一个接收放大 电路辅助模块。CMOS传感器主要是利用MOSFET器件中反型层二维电子气将太赫兹波转换 成直流信号。当MOSFET器件沟道足够短时，实验上可以探测到该太赫兹信号。器件在太 赫兹波段下的电压响应（R v)和噪声等效功率（NEP)是表征MOSFET太赫兹传感器的主要指 标。研究表明，CMOS器件沟道长度越短，探测性能R v越好。2009年，德国的Erik Gjefors
[1]首次利用〇. 25m集成电路工艺的晶体管探测太赫兹波，实现了 3X5的CMOS焦平面阵列 及其在650GHz波段产生的太赫兹图像；2010年，法国电子与信息技术实验（CEA-LETI)的 F. Schuster等人[2]采用0. 13m集成电路工艺实现了 CMOS太赫兹成像芯片。每个像素由 差分扇形连接天线，nMOSFET传感器和电容反馈基带放大器组成，像素尺寸为190mX190m， 该成像器可在〇. 3?ITHz太赫兹波段成像，在ITHz左右的响应度为1. 8KV/W ;2011年，德 国的HaniSherry[3]应用65nm CMOS工艺和S0I技术，制成了高性能CMOS太赫兹成像器， 其噪声等效功率NEP可达到17pW/Hz°_5。
[0004] 目前，采用更先进集成电路制程工艺研制CMOS太赫兹传感器是该技术的主要趋 势。然而，先进制程工艺的使用使得CMOS太赫兹探测器的成本急剧增加；同时，随着器件尺 寸的进一步缩小，小尺寸晶体管器件将出现各种各样的可靠性问题，如自热可靠性问题、器 件参数不确定性、RTN噪声问题等。原有的使用小尺寸CMOS器件的探测优势逐步被昂贵的 工艺成本和复杂的器件可靠性问题所掩盖。利用新型的CMOS结构提高太赫兹传感器响应， 降低传感器噪声将成为下一代CMOS太赫兹技术的主要研究方向。
[0005] 寻找一种新型的CMOS结构提升CMOS太赫兹响应性能是本发明的主要目的。已有 的研究结果表明[4]，信号输入的源极寄生电容对CMOS太赫兹传感器性能影响较大。减小 源极寄生电容，可以有效地提高传感器的电压响应。
[0006] 参考文献：
[0007] [1]E. Ojefors, U. Pfeiffer, A. Lisauskas, and H. Roskos^AO. 65THz Focal-Plane Array in a Quarter-Micron CMOS Process Technology，'IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 44, no. 7, pp. 1968-1976 (2009).
[0008] [2] Schuster F. ；Univ. Montpellier2, Montpellier, France ；Videlier, H.； Sakowicz, M. ；Teppe, F. "Imaging aboveITHz limit with Si-MOSFET detectors" 35th International Conference on Infrared Millimeter and Terahertz Waves(IRMMW-THz), Itlia(2010).
[0009] [3] Sherry, H. ；A1 Hadi, R. ；Grzyb, J. ；0jefors, E. ；Cathelin, A. ；Kaiser, A.； Pfeiffer, U. R. "Lens-Integrated THz Imaging Arrays in65nm CMOS Technologies''IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium(RFIC), Baltimore, MD(2011) ·
[0010] [4]Min Woo Ryu ；Jeong Seop Lee ；Kibog Park ；Kyung Rok Kim ；ffook-Ki Park ； Seong-Tae Han "TCAD modeling and simulation of non-resonant plasmonic THz detector based on asymmetric silicon MOSFETs" International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD), Glasgow2013.
【发明内容】
[0011] 本发明目的针对常规M0SFET结构传感器中的大寄生源电容，提出了一种基于环 栅M0SFET结构的太赫兹传感器。该传感器通过环栅结构减小源极面积的方法，减小输入端 寄生电容，该结构不仅提升了太赫兹电压响应，还降低了器件的噪声等效功率，实现从太赫 兹信号到直流信号的高效转换。
[0012] 本发明的技术方案是：一种基于环栅M0SFET结构的太赫兹传感器，包括环栅 M0SFET结构，所述环栅M0SFET结构包括一个在中心位置的源极、环绕着源极的弯曲的栅极 以及在栅极外围的漏极。相较于传统的M0SFET结构，将栅极弯曲，环绕源极分布，具有较小 的源面积，因此具有较小的输入阻抗。
[0013] 进一步的，所述的环栅M0SFET结构单管采用P型阱；中心是一个截角正方形，对截 角正方形区域进行η型注入，形成源极；在源极的四周，环绕多晶硅栅极；进一步对栅极外 部进行η型注入，形成环型漏极。
[0014] 进一步的，所述源极尺寸大小由工艺节点可使用最小环形尺寸决定。
[0015] 进一步的，包括两个对称的环栅M0SFET结构，两个环栅M0SFET结构公用漏极。
[0016] 进一步的，所述两个对称的环栅M0SFET结构的栅极加相同的工作电压；源极分别 接太赫兹信号的正、负两极；漏极输出混频后的信号；交流信号通过对称的环栅M0SFET结 构单管输出相抵消，直流信号通过漏极输出。
[0017] 进一步的，所述环栅M0SFET结构的栅极工作电压高于M0SFET结构的阈值电压 0· 08-0. 12V，以获得较小的噪声等效功率ΝΕΡ。
[0018] 本发明的有益效果：环栅M0SFET结构的太赫兹传感器与等效栅宽的传统M0SFET 结构传感器相比，将栅极弯曲，环绕源极分布，有效地减小了源极面积，抑制了源极与衬底， 源极与栅极之间的寄生参数，从而降低了器件的太赫兹输入阻抗，提高了太赫兹电压响应 Rv，减小了噪声等效功率ΝΕΡ。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1 :环栅M0SFET结构太赫兹传感器3D模型；
[0020] 图2 :直栅M0SFET结构太赫兹传感器3D模型；
[0021] 图3 :M0SFET结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对提出方案进行详细说明。
[0023] 本实例运用3D-TCAD器件仿真，对0. 18m环栅M0SFET结构与对应的直栅M0SFET 结构传感器进行性能表征和对比。仿真基于〇. 18m标准CMOS工艺参数建立环栅结构的3D 模型。如图1所示，3D模型中包括两个对称的环栅M0SFET结构。器件置于P型衬底上，栅 长为0. 18m ;源极面积为0. 33m2 ;环栅外围为漏极。环栅M0SFET结构的阈值电压为0. 52V。 为了与普通直栅结构性能进行对比，将环栅结构等效成直栅结构。等效过程主要通过仿真 不同直栅宽度的沟道电阻，选取与环栅M0SFET结构的沟道电阻相同的直栅结构作为等效 结构。仿真结果表明，栅宽为2. 78m的直栅M0SFET结构的沟道电阻与环栅M0SFET结构的 沟道电阻相等。图2为栅宽2. 78m等效直栅M0SFET结构的3D模型。
[0024] 利用软件计算环栅和直栅M0SFET结构的太赫兹电压响应Rv和NEP。如图3所示， 栅极电压￥ (； = 0.6￥;源极太赫兹信号^11=1父10_38111(〇￥，其中〇3=231乜€ = 5006抱； 漏极连接R= 1X1012的电阻后接地，该设置下漏极可等效为浮空状态。测试太赫兹响应电 压VDC的电压表与电阻并联。在所设偏压条件下获得V DC后，进一步通过以下公式计算器件 的太赫兹响应和噪声功率：
【权利要求】
1. 一种基于环栅MOSFET结构的太赫兹传感器，其特征在于：包括环栅MOSFET结构，所 述环栅M0SFET结构包括一个在中心位置的源极、环绕着源极的弯曲的栅极以及在栅极外 围的漏极。
2. 根据权利要求1所述的一种基于环栅MOSFET结构的太赫兹传感器，其特征在于：所 述的环栅MOSFET结构单管采用P型阱；中心是一个截角正方形，对截角正方形区域进行η 型注入，形成源极；在源极的四周，环绕多晶硅栅极；进一步对栅极外部进行η型注入，形成 环型漏极。
3. 根据权利要求2所述的一种基于环栅MOSFET结构的太赫兹传感器，其特征在于：所 述源极尺寸大小由工艺节点可使用最小环形尺寸决定。
4. 根据权利要求1所述的一种基于环栅MOSFET结构的太赫兹传感器，其特征在于：包 括两个对称的环栅MOSFET结构，两个环栅MOSFET结构公用漏极。
5. 根据权利要求4所述的一种基于环栅MOSFET结构的太赫兹传感器，其特征在于：所 述两个对称的环栅MOSFET结构的栅极加相同的工作电压；源极分别接太赫兹信号的正、负 两极；漏极输出混频后的信号；交流信号通过对称的环栅MOSFET结构单管输出相抵消，直 流信号通过漏极输出。
6. 根据权利要求1所述的一种基于环栅MOSFET结构的太赫兹传感器，其特征在于：所 述环栅MOSFET结构的栅极工作电压高于MOSFET结构的阈值电压0. 08-0. 12V。
【文档编号】H01L31/0224GK104091851SQ201410258303
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】纪小丽, 朱颖杰, 闫锋, 廖轶明 申请人:南京大学