[发明专利]半导体感光器件及其制造方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体感光器件与其阵列，特别是一种半导体感光器件与其阵列 的结构与制造方法及其应用。

背景技术

图像传感器是用来将光信号转换为电信号的半导体器件，由图像传感器器件组成 的图像传感器芯片(Image Sensor)被广泛应用于数码相机、摄像机及手机等多媒体 产品中。

目前图像传感器主要有两种：电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)图像 传感器和互补金属-氧化物-半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图 像传感器，以下简称CMOS图像传感器。电荷耦合器件具有图像质量高、噪声小等 优点，但其生产成本也偏高，同时不宜同外围电路集成。CMOS图像传感器集成度高、 体积小、功耗低、动态范围宽，并且可以与当前的制造工艺兼容，而且具有高度系统 整合的条件。因此，近年来CMOS图像传感器已成为发展热点。

CMOS图像传感器包括多个MOS晶体管和用作外围电路的信号处理电路等部 分，并利用CMOS技术将其整合在半导体衬底之上。传统CMOS图像传感器核心的 感光元件部分即单个像素主要是由一个反偏二极管与放大MOS管组成，通过MOS 晶体管依次检测出各单位像素的输出。

图1和图2展示了2种现有的CMOS图像传感器的单个像素单元的电路组成。

参照图1，该CMOS图像传感器的单个像素单元具有4个MOS管，具体包括： 光电二极管(PD)、电荷溢出门管(TG)、复位晶体管(RST)、源极跟随器(SF)以及 选择晶体管(RS)。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，复位晶体管RST导通， 对光敏二极管复位。然后进入“取样状态”，复位晶体管RST关闭，光照射到光电 二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器SF放大输出；最后进入“读出状态”， 这时选择晶体管(RS)打开，信号通过列总线输出。

参照图2，该CMOS图像传感器的像素单元可以视为图1的结构在形式上的改进。 4个电荷溢出门管(TG)和光电二极管的组合相互并联，共用一个复位晶体管、源极跟 随器以及选择晶体管。单个像素的工作原理同图1相同。

从产品的技术发展趋势看，无论是CCD图像传感器还是CMOS图像传感器，体 积小型化、高可靠性以及高像素化一直是业界积极研发的目标。上面两种技术中，每 个像素单元除了光电二极管外还使用了多个晶体管。对于图1，每个像素单元都有4 个独立工作的晶体管，占据了较大的衬底面积，像素较低，产品分辨率不高；图2在 一定程度上提高了图像传感器的像素，但是由于像素单元中晶体管和光电二极管较 多，CMOS感光电路变得复杂，相应地也使得外围控制电路的复杂化，同时图像传感 器的可靠性降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是降低CMOS图像传感器中单个像素单元的电路复杂 度，提高图像传感器的像素。为解决上述技术问题，本发明提出了一种新型的半导体 感光器件及其阵列，同时提供了一种实现该器件的制造方法。

所述半导体感光器件包括：一个具有第一种掺杂类型的半导体衬底；在所述半导 体衬底上形成的具有第二种掺杂类型的源区和漏区；在所述半导体衬底内形成的介于 所述源区和漏区之间的一个沟道区域；在所述半导体衬底内形成的介于所述沟道区域 和漏区之间的具有第二种掺杂类型的阱区，在上述阱区内形成的具有和所述阱区相反 的掺杂类型的反掺杂区域以形成感光p-n结二极管；在所述沟道区域之上形成的覆盖 整个沟道区域的第一层绝缘薄膜；在该第一层绝缘薄膜之上形成的一个作为电荷存储 节点的具有导电性的浮栅区；在所述浮栅区和所述漏区之间形成的一个感光p-n结二 极管；覆盖在所述浮栅区之上的第二层绝缘薄膜；以及，在所述第二层绝缘薄膜之上 形成的控制栅极。

进一步地，所述半导体衬底为单晶硅、绝缘体上硅、锗化硅或砷化镓。

进一步地，所述第一层绝缘薄膜是由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者高介电常 数的绝缘体如HfO2、HfSiO、HfSiNO形成，其厚度范围为10-200埃。

进一步地，所述第二层绝缘薄膜是由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者高介电常 数的绝缘体如HfO2、HfSiO、HfSiNO形成，其厚度范围为20-200埃。

进一步地，所述浮栅区是由多晶硅、钨、氮化钛、氮化钽或者合金材料形成，其 形成的导体层的厚度范围为20-300纳米。