[发明专利]一种新型单晶体管主动像素传感器及其制备方法

说明书

本发明提供一种新型单晶体管主动像素传感器及其制备方法，本发明在绝缘层上硅自下而上依序设置衬底、下层氧化埋层、中间硅层、上层氧化埋层、上层硅层，利用中间硅层作为光电敏感层，进行光电子的转换；转换的光电子被中间硅层两端的第一隔离槽、第二隔离槽和下层氧化埋层局限在本像素中，而不能向临近的像素迁移；通过在衬底施加背栅极脉冲，在衬底和中间硅层中形成深度耗尽，入射光在此深度耗尽区产生光生电子，受电场驱动聚集在上层氧化埋层/中间硅层的界面上，聚集的光生电子造成上层硅层中MOSFET中阈值电压移动；通过读出该阈值电压，得到像素的曝光剂量；本发明能减小光损耗，提高量子效率、防止不同像素间光生电子串扰。

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种新型单晶体管主动像素传感器及其制备方法。

背景技术

传统的图像传感器主要分为两大类，即CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor互补金属氧化物半导体)主动像素传感器和CCD(charge coupled device电荷耦合器件)图像传感器。由于CCD图像传感器的功耗较高，与CMOS工艺不兼容以及不能进行随机读取等缺点，其在图像传感器领域的市场份额较少。而CMOS图像传感器与CMOS工艺完全兼容，成本低，功耗低且可进行随机读取，因此成为了当前广泛应用的主流图像传感器件。主动像素传感器一般需要将光电转换，光电子积分，信号缓冲放大和单元选通功能集成在一起。因此，CMOS图像传感器的每个像素单元一般需要多个部件组成。传统的CMOS图像传感器一般利用一个光电二极管实现光电转换，再利用额外的三个晶体管实现其他的必要功能。因此，CMOS图像传感器的像素单元较复杂，其设计和工艺制造都受到很大的局限，导致其像素尺寸的持续缩小较难。另一方面，由于额外晶体管的加入，损耗了一部分的有效光敏面积，导致光电量子效率的降低。

现有技术中的基于单个晶体管的主动像素传感器，既原位光电子传感器(PISD)，将主动像素传感器中的光电转换，光电子积分，信号放大和像素的随机选通等功能集成在单个晶体管中，大大降低像素单元的复杂度，增大有效传感面积，从而实现高灵敏度，低功耗和高速的图像传感。而它的工作机理与现有的CCD和CMOS传感器的工作机理和结构均不相同。它利用绝缘层上硅衬底(SOISilicon-On-Insulator)中独特的埋氧化层结构，通过在背栅电极上施加电压脉冲，在衬底中产生深度耗尽区域。利用此耗尽区域中产生的光生电子聚集于埋氧/衬底的界面。而通过利用衬底界面处聚集的光生电子对上层硅晶体管中的阈值电压产生影响，从而原位读出光生电子。然而，传统的SOI衬底是完全联通的，不同像素之间具有载流子流动的通路。因此，基于传统SOI衬底的PISD中，像素之间易于发生串扰，影响整个图像传感阵列的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型单晶体管主动像素传感器及其制备方法，通过设置具有下层氧化埋层、上层氧化埋层、中间硅层、上层硅层的绝缘层上硅，利用中间硅层作为光电敏感层，进行光电子的转换。转换的光电子被第一隔离槽、第二隔离槽和中间硅层下方的下层氧化埋层局限在本像素中，而不能向临近的像素迁移。因此，光生电子的流动被隔绝，从而在根本上避免了不同像素之间的串扰。在中间硅层中产生的光生电子聚集在中间硅层上方的上层氧化埋层/中间硅层的界面上。这些光生电子会调控上层氧化埋层上方的上层硅层中晶体管的阈值电压。通过读出此晶体管的阈值电压，便可得到像素的曝光剂量。

为了达到上述目的，本发明提供一种新型单晶体管主动像素传感器，包含：

衬底；

下层氧化埋层，置于所述衬底上；

中间硅层，置于所述下层氧化埋层上；

上层氧化埋层，置于所述中间硅层上；

上层硅层，置于所述上层氧化埋层上；

两个隔离槽，分别开设于所述上层硅层的两侧；

正栅极氧化层，置于所述上层硅层上；