專利名稱：光電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其涉及一種光電傳感器。
背景技術(shù)：
作為半導(dǎo)體工藝的一種，CMOS工藝具有功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高等眾多優(yōu)勢(shì)，因此在當(dāng)今的半導(dǎo)體制造工業(yè)中已經(jīng)成為大規(guī)模集成電路的主流工藝。隨著半導(dǎo)體工藝尤其是CMOS工藝的快速發(fā)展，單個(gè)芯片上晶體管的數(shù)量正成幾何級(jí)數(shù)不斷增長(zhǎng)，芯片這一按比例縮小的趨勢(shì)使得芯片在高度集成化的同時(shí)擁有了更多、更復(fù)雜的功能。自20世紀(jì)90年代以來，集成電路、微處理器的芯片制造工藝已從“微米級(jí)”、“深亞微米級(jí)”進(jìn)入到“納米電子級(jí)”的系統(tǒng)單芯片時(shí)代，在一個(gè)芯片上，可以集成包括CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、射頻電路、存儲(chǔ)器和其他電路模塊及嵌入軟件等，并相互連接構(gòu)成完整的系統(tǒng)。光傳感技術(shù)作為信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要分支，在光通信、工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)和國家安全等眾多方面都有著十分重要的應(yīng)用。光傳感技術(shù)可以解決電傳感技術(shù)存在的靈敏度低、易受干擾、感應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、檢測(cè)某些化學(xué)氣體不安全等方面的問題；相比之下，光傳感器具有靈敏度高、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、便于集成、可在線檢測(cè)等眾多優(yōu)點(diǎn)。因此在傳感領(lǐng)域中，光傳感占有越來越重要的地位。近年來，作為傳感器技術(shù)中十分重要的一員，光傳感器已廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)。目前，光傳感器主要有基于光纖、光柵和平面光波導(dǎo)等幾種類型與平面波導(dǎo)光傳感器相比，光纖傳感器處理工藝相對(duì)復(fù)雜，且無法實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)集成，而平面光波導(dǎo)以制作簡(jiǎn)單、易于集成等優(yōu)勢(shì)具有很大發(fā)展?jié)摿?。盡管目前的光傳感技術(shù)正在快速發(fā)展，在設(shè)計(jì)上卻一直沒有重大的突破。由于受到光學(xué)器件尺寸和材料的限制，平面光傳感系統(tǒng)的制備通常需要復(fù)雜的加工工藝流程，如光刻、電子束刻蝕或者納米壓印技術(shù)，且難以同時(shí)集成復(fù)雜的光電性能在單一芯片上，不便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種光電傳感器，其提高了傳感器的量子效率，探測(cè)靈敏度及光學(xué)性能，體積小，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低，便于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，提出一種光電傳感器，其包括基于CMOS工藝的平面光波導(dǎo)及以集成電路實(shí)現(xiàn)的傳感器，所述平面光波導(dǎo)及傳感器集成在一芯片上，所述平面光波導(dǎo)設(shè)置在金屬布線層上，所述傳感器的感光元件用于響應(yīng)所述平面光波導(dǎo)傳導(dǎo)的光信號(hào)。進(jìn)一步地，所述平面光波導(dǎo)設(shè)置有外層及內(nèi)層，所述外層包覆所述內(nèi)層。進(jìn)一步地，所述外層設(shè)置有N+埋層、重?fù)诫s的深N阱、氧化層和鈍化層，所述N+埋層位于所述內(nèi)層的一側(cè)，所述深N阱、氧化層和鈍化層位于所述內(nèi)層的另一側(cè)。
進(jìn)一步地，所述內(nèi)層為輕摻雜的P+外延層。進(jìn)一步地，所述平面光波導(dǎo)還包括P型硅襯底，在所述P型硅襯底上通過N+離子注入形成所述N+埋層。 進(jìn)一步地，所述N+埋層上方通過等離子濺射形成所述內(nèi)層。進(jìn)一步地，所述P+外延層上通過氮化硅掩蔽和離子注入形成兩個(gè)所述重?fù)诫s的深N阱，所述兩個(gè)重?fù)诫s的深N阱位于所述P+外延層的兩端。進(jìn)一步地，所述P+外延層和深N阱上方生長(zhǎng)形成所述氧化層，所述氧化層上方生長(zhǎng)形成所述鈍化層。進(jìn)一步地，所述傳感器是CMOS傳感器。進(jìn)一步地，所述CMOS傳感器設(shè)置有若干像素結(jié)構(gòu)，每一像素結(jié)構(gòu)設(shè)置有順秩電連接的光電二極管、放大器及場(chǎng)效應(yīng)管，所述場(chǎng)效應(yīng)管的源極與列線相連，所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與行線相連。綜上所述，本發(fā)明光電傳感器通過采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作平面光波導(dǎo)，然后將平面光波導(dǎo)與以集成電路實(shí)現(xiàn)的傳感器制作在同一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)了平面光波導(dǎo)與傳感器片上集成，因而體積小，能把入射的信號(hào)光更好地聚集到傳感器的感光元件上，從而提高了傳感器的量子效率，探測(cè)靈敏度及光學(xué)性能，其制作工藝簡(jiǎn)單，便于集成，解決了光電傳感器難以同時(shí)集成復(fù)雜的光電性能在單一芯片上的問題，成本低，便于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作。


圖I為本發(fā)明光電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2至圖7為本發(fā)明平面光波導(dǎo)的制作流程圖。圖8為本發(fā)明傳感器的像素結(jié)構(gòu)的電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明光電傳感器包括基于CMOS工藝的平面光波導(dǎo)I及以集成電路實(shí)現(xiàn)的傳感器2，所述傳感器2的感光元件用于響應(yīng)所述平面光波導(dǎo)I傳導(dǎo)的光信號(hào)。所述平面光波導(dǎo)I及傳感器2集成在一芯片上，所述平面光波導(dǎo)I設(shè)置在金屬布線層上，所述平面光波導(dǎo)I通過光柵耦合光信號(hào)進(jìn)入所述傳感器2中。將基于CMOS工藝的平面光波導(dǎo)I與傳感器2集成在同一芯片上，從而在很大程度上降低外部的干擾，可以提高光電性能，同時(shí)降低傳感器2的生產(chǎn)成本，便于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作。請(qǐng)參閱圖2至圖7，所述平面光波導(dǎo)I包括P型硅襯底11、內(nèi)層及外層，所述內(nèi)層為輕摻雜的P+外延層13。所述外層包覆所述內(nèi)層，所述外層設(shè)置有N+埋層12、重?fù)诫s的深N阱15、氧化層16和鈍化層17，所述N+埋層12位于所述內(nèi)層的一側(cè)，所述深N阱15、氧化層16和鈍化層17依秩設(shè)置并位于所述內(nèi)層的另一側(cè)。在本實(shí)施例中，所述P型硅襯底11的厚度為250 μ m，離子注入形成的重?fù)诫sN+埋層12的摻雜濃度為1020/cm3，厚度為10 μ m,通過等離子濺射形成的輕摻雜P+外延層13的摻雜濃度為1016/cm3，厚度為2 μ m，通過離子注入形成的重?fù)诫s的深N阱15的注入濃度為1020/cm3，注入深度為I μ m,氧化層16的和鈍化層17生長(zhǎng)厚度分別為μ m和10 μ m。
所述平面光波導(dǎo)I的制造工藝流程如下首先在P型硅襯底11上通過N+離子注入，形成重?fù)诫s的N+埋層12 ;然后通過等離子濺射，在重?fù)诫s的N+埋層12上方生長(zhǎng)一層輕摻雜的P+外延層13 ;隨后利用氮化硅掩蔽層14的掩蔽和離子注入，在P+外延層13上形成兩個(gè)重?fù)诫s的深N阱15，所述兩個(gè)重?fù)诫s的深N阱15位于所述P+外延層13的兩端；接著在所述P+外延層13和深N阱15上方生長(zhǎng)有源區(qū)氧化層16 ;再利用氮化硅掩蔽層14掩蔽重?fù)诫s的深N講15區(qū),生長(zhǎng)場(chǎng)氧化層16,便形成光波導(dǎo)。請(qǐng)參閱圖I及圖8，所述傳感器2是CMOS傳感器，所述CMOS傳感器2設(shè)置有若干像素結(jié)構(gòu)，每一像素結(jié)構(gòu)設(shè)置有順秩電連接的光電二極管LED、放大器A及場(chǎng)效應(yīng)管T，所述場(chǎng)效應(yīng)管T的源極與列線b相連，所述場(chǎng)效應(yīng)管T的柵極與行線a相連。行線a及列線b與其它部分的連接為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。所述光電二極管LED作為所述CMOS傳感器的感光元件，該感光元件由半導(dǎo)體制成。半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，它與金屬的重大區(qū)別在于在被電子完全充滿的價(jià)帶(Evb)頂和未充滿或半充滿的導(dǎo)帶(Ecb)底之間存在一帶隙(Ebg),使得價(jià)帶電子態(tài)與導(dǎo)帶電子態(tài)之間的相互作用減弱。正是由于半導(dǎo)體帶隙的存在使得其具有特殊的光電化學(xué)性質(zhì)，受到光激發(fā)后半導(dǎo)體的價(jià)帶電子吸收光能進(jìn)入導(dǎo)帶并在價(jià)帶中留下空穴，從而產(chǎn)生光生自由載流子對(duì)-電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)一經(jīng)分離便可形成光電壓，并在外電路形成光電流。在測(cè)量范圍內(nèi)傳感器2的輸出光電流通常與待測(cè)量存在一定的線性關(guān)系，因此通過測(cè)量光生電流便可檢測(cè)待測(cè)量。CMOS傳感器2獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時(shí)間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個(gè)衡量尺度是填充因子(感光面積與整個(gè)像素面積之比)與量子效率(由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量)的乘積。CCD傳感器2因其技術(shù)的固有特性而擁有一個(gè)很大的填充因子，而在CMOS傳感器2中，為了實(shí)現(xiàn)堪與CCD轉(zhuǎn)換器相媲美的噪聲指標(biāo)和靈敏度水平，通常的做法是給CMOS傳感器2裝配了有源像素結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)致填充因子降低，原因是像素表面相當(dāng)大的一部分面積被放大器A所占用，留給光電二極管LED的可用空間較小。本發(fā)明通過所述平面光波導(dǎo)I把入射的信號(hào)光更好地聚集到傳感器2的感光元件上，即光電二極管LED上，因而提高了傳感器2的量子效率，從而提高了像素靈敏度。綜上所述，本發(fā)明光電傳感器2通過采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作平面光波導(dǎo)I，然后將平面光波導(dǎo)I與以集成電路實(shí)現(xiàn)的傳感器2制作在同一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)了平面光波導(dǎo)I與傳感器2片上集成，因而體積小，能把入射的信號(hào)光更好地聚集到傳感器2的感光元件上，從而提高了傳感器2的量子效率，探測(cè)靈敏度及光學(xué)性能，其制作工藝簡(jiǎn)單，便于集成，解決了光電傳感器2難以同時(shí)集成復(fù)雜的光電性能在單一芯片上的問題，成本低，便于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，例如，將所述CMOS傳感器2替換為光電化學(xué)型半導(dǎo)體生物傳感器2，利用半導(dǎo)體的光電特性來檢測(cè)與光生電流或光生電壓相關(guān)的生化反應(yīng)中的離子濃度及生物過程相關(guān)參數(shù)，如pH、02、C02、血糖和神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)電壓等。這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光電傳感器，其特征在于包括基于CMOS工藝的平面光波導(dǎo)及以集成電路實(shí)現(xiàn)的傳感器，所述平面光波導(dǎo)及傳感器集成在一芯片上，所述平面光波導(dǎo)設(shè)置在金屬布線層上，所述傳感器的感光元件用于響應(yīng)所述平面光波導(dǎo)傳導(dǎo)的光信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光電傳感器，其特征在于所述平面光波導(dǎo)設(shè)置有外層及內(nèi)層，所述外層包覆所述內(nèi)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電傳感器，其特征在于所述外層設(shè)置有N+埋層、重?fù)诫s的深N阱、氧化層和鈍化層，所述N+埋層位于所述內(nèi)層的一側(cè)，所述深N阱、氧化層和鈍化層位于所述內(nèi)層的另一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光電傳感器，其特征在于所述內(nèi)層為輕摻雜的P+外延層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光電傳感器，其特征在于所述平面光波導(dǎo)還包括P型硅襯底，在所述P型硅襯底上通過N+離子注入形成所述N+埋層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光電傳感器，其特征在于所述N+埋層上方通過等離子濺射形成所述內(nèi)層。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光電傳感器，其特征在于所述P+外延層上通過氮化硅掩蔽和離子注入形成兩個(gè)所述重?fù)诫s的深N阱，所述兩個(gè)重?fù)诫s的深N阱位于所述P+外延層的兩端。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光電傳感器，其特征在于所述P+外延層和深N阱上方生長(zhǎng)形成所述氧化層，所述氧化層上方生長(zhǎng)形成所述鈍化層。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項(xiàng)所述的光電傳感器，其特征在于所述傳感器是CMOS傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項(xiàng)所述的光電傳感器，其特征在于所述CMOS傳感器設(shè)置有若干像素結(jié)構(gòu)，每一像素結(jié)構(gòu)設(shè)置有順秩電連接的光電二極管、放大器及場(chǎng)效應(yīng)管，所述場(chǎng)效應(yīng)管的源極與列線相連，所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與行線相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光電傳感器，其包括基于CMOS工藝的平面光波導(dǎo)及以集成電路實(shí)現(xiàn)的傳感器，所述平面光波導(dǎo)及傳感器集成在一芯片上，所述平面光波導(dǎo)設(shè)置在金屬布線層上，所述傳感器的感光元件用于響應(yīng)所述平面光波導(dǎo)傳導(dǎo)的光信號(hào)。本發(fā)明通過采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作平面光波導(dǎo)，然后將平面光波導(dǎo)與以集成電路實(shí)現(xiàn)的傳感器制作在同一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)了平面光波導(dǎo)與傳感器片上集成，因而體積小，能把入射的信號(hào)光更好地聚集到傳感器的感光元件上，從而提高了傳感器的量子效率，探測(cè)靈敏度及光學(xué)性能，其制作工藝簡(jiǎn)單，便于集成，解決了光電傳感器難以同時(shí)集成復(fù)雜的光電性能在單一芯片上的問題，成本低，便于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化制作。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102956652SQ201110239980
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 孫豪文 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司