CN103337509B - 电子倍增电荷耦合器件的抗弥散结构及制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子倍增电荷耦合器件EMCCD的抗弥散结构,在此结构中抗弥散通道置于EMCCD成像区的成像单元内部,抗弥散通道两侧是EMCCD成像区成像单元中的信号通道,当强光照射或光积分时间相对过长产生的过量光生载流子溢出到抗弥散通道,通过抗弥散通道转化成电流释放,从而抑制了弥散现象,这种抗弥散结构能够保证基于EMCCD的微光成像系统具有较高的灵敏度响应的基础上,又大大拓展了以EMCCD图像传感器为核心器件的微光成像系统的动态范围。

Description

电子倍增电荷耦合器件的抗弥散结构及制作工艺
技术领域
本发明涉及一种采用Si集成电路工艺的EMCCD结构及制造方法,尤其涉及抗弥散通道和抗弥散势垒的结构及制作方法,属于半导体集成电路技术领域。
背景技术
电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)是一种全新的具有高速读出能力的全固态微光成像器件,它通过嵌入可控的电荷载流子倍增寄存器(CCM,charge carrier multiplier),使信号载流子在转移过程中利用碰撞电离来实现光生电荷的几乎无噪声线性放大倍增, 从而实现了对极微弱光信号的实时快速动态探测和全固态成像,显著提高了微光成像器件的性能,在军事侦察、天文观测、生物医学等领域具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。
电子倍增电荷耦合器件基本工作过程为:①CCD工作状态下,首先将成像区的残留电荷清零;②清零结束后,在一个积分周期里,进行曝光,即在成像区内将入射光子转换为电荷;③将成像区的电荷转移到存储区中(称之为垂直转移);④将存储区中的电荷转移到串行读出寄存器中(称之为水平转移);⑤将读出寄存器中的电荷转移到增益寄存器(CCM)中,并且在增益寄存器中发生雪崩式的倍增;⑥倍增后的电荷在水平时钟的驱动下传输到电荷检测节点、并在该节点上将电荷转换成电压通过读出缓冲放大器输出。从基本的成像原理上讲,EMCCD与普通CCD类似,不同的是,EMCCD比普通CCD在水平转移方面增加了由几百个电荷倍增寄存器构成的倍增通道。在适当高压时钟驱动作用下,每一个寄存器都具有一定的电子雪崩能力。这样,微弱的光电子信号通过这组寄存器输出时,可以放大几百到几千甚至上万倍,所以EMCCD能够实现微光的探测与成像。
由于采用电子倍增电荷耦合器件的微光成像系统具有像元尺寸小、低噪声、低暗电流、高灵敏度、宽光谱响应等优点, 已被广泛应用于军事、天文物理、工业检测和监控及医学诊断等领域。随着微光像增强技术的发展,微光成像系统的成像目标光强从微弱星光到日光,变化动态范围大,要求电子倍增电荷耦合器件既要有高灵敏度响应,又要在日照强光下成像清晰,但是,EMCCD在成像时,存在强光照射或光积分时间过长引起弥散现象,导致图像清晰度降低,甚至不能正常成像。因此如何使EMCCD器件具有高灵敏度、抗弥散功能、大的光动态范围等特点,对于提升EMCCD器件性能及相应的应用具有非常重要的意义。
授权公告号为CN100484204C的“抗晕光面阵CCD图像传感器”、授权公告号为CN101848336B的“一种使CCD摄像机抗纵向光晕的方法”、申请公布号为CN102572317A的“一种图像传感器抗光晕的方法”等方案都是通过增加成像系统分立电子元器件,改进CCD芯片时序驱动的方法,由于成像系统中分立器件的过多使用,容易造成成像系统阻抗失配,影响驱动时序;而且过多的分立器件也不利于成像系统的全固态、小型化、低功耗的发展趋势;授权公告号为CN102290427B的"线阵CCD的一种抗晕结构"是基于线阵CCD特殊工艺的技术方案,此工艺生产流程完全不同于EMCCD器件的制造,不能够用于制作EMCCD抗弥散结构。
发明内容
为了解决现有技术中EMCCD图像传感器由于动态范围有限而在强光照射或光积分时间相对过长等条件下,发生成像图像弥散现象的问题,提出了一种EMCCD的抗弥散结构。
一种电子倍增电荷耦合器件的抗弥散结构,多个具有抗弥散结构的成像单元组成EMCCD的成像区;EMCCD成像区成像单元设置抗弥散通道,并且在成像单元的信号通道和抗弥散通道之间建立抗弥散势垒。
EMCCD成像区成像单元的信号通道一般是与衬底极性相反的轻掺杂N型半导体(N-);信号通道之间通过重掺杂的P型半导体(P+)作为沟阻进行信号通道之间的隔离,迫使成像单元中的光生载流子沿垂直方向传输;成像单元中制作重掺杂的N型半导体(N+)结构,作为抗弥散通道;抗弥散通道两边建立由轻掺杂P型半导体(P-)形成的抗弥散势垒;抗弥散势垒既能够释放掉过量电荷,又可以阻止EMCCD成像区成像单元的硅表面耗尽区完全消失。
本发明是电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)的一种抗弥散结构,在此结构中抗弥散通道置于EMCCD成像区的成像单元内部,抗弥散通道两侧是EMCCD成像区成像单元中的信号通道,当强光照射或光积分时间相对过长产生的过量光生载流子溢出到抗弥散通道,通过抗弥散通道转化成电流释放,从而抑制了弥散现象,这种抗弥散结构能够保证基于EMCCD的微光成像系统具有较高的灵敏度响应的基础上,又大大拓展了以EMCCD图像传感器为核心器件的微光成像系统的动态范围。
为解决上述技术问题,本发明提供一种EMCCD的一种抗弥散结构,具体实现步骤如下:
步骤1:首先选用高阻的P型Si材料做为衬底并在表面热生长一氧化层,为随后要进行的光刻、注入等工序做工艺准备。
步骤2:采用湿法光刻工艺通过涂胶、压版、曝光、腐蚀等诸多工序完成EMCCD成像区的成像单元中沟阻区(P+)窗口制作,经过窗口选择作用实现沟阻区注入掺杂,在扩散作用下形成沟阻以及高浓度表面层。
步骤3:在氧化气氛中进行高温氧化扩散,在Si表面上的注入掺杂窗口区域形成氧化层,然后通过光刻窗口、磷(Phosphorus)离子注入及注入后热驱动扩散等工序形成EMCCD成像区的成像单元中信号通道(N-)。
步骤4:在EMCCD成像区的成像单元中刻蚀出抗弥散通道窗口,然后采用离子注入热驱动的方法,制作出抗弥散通道。
步骤5:在抗弥散通道的两侧制作抗弥散势垒的注入窗口,通过抗弥散的注入窗口进行硼(Boron)离子注入热驱动,建立抗弥散势垒结构。
步骤6:去除全部氧化层,经过栅氧化工艺生长栅氧化层,在栅氧化层上面通过淀积、搀杂、光刻等工艺形成EMCCD的多组电极结构,完成采用抗弥散结构EMCCD的制作。
总之,在微光监测、生物分子检测、天文学观测、工程应用、科学研究及医学诊断等领域,EMCCD以其结构物理原理决定的低噪声、高分辨率、高灵敏度等高品质的成像性能占据CCD图像传感器的高端,但是EMCCD全固态图像传感器在强光照射的条件下会出现图像弥散的现象,为了抑制这种现象,提高EMCCD的成像质量,增强EMCCD图像传感器动态范围,本发明设计了EMCCD的一种抗弥散结构来提升EMCCD器件的性能,拓展EMCCD的应用领域,应该理解的是,前面对本发明总的说明和下面详细说明都是示意性的,而非限制性的。
本发明所达到的有益效果:
本发明采用抗弥散结构EMCCD的制作方法是在现有EMCCD半导体制造工艺水平的基础上,革新EMCCD制造工艺流程,优化完善EMCCD结构,并且通过在EMCCD成像区成像单元中制作抗弥散结构,来实现EMCCD图像传感器本身动态范围有限的问题。所以该方法能够扩大以EMCCD芯片为核心器件的微光成像系统使用在高灵敏度、低噪声、大动态范围的应用场合。
附图说明
图1是本发明实现途径的原理图;
图2是采用抗弥散结构EMCCD成像单元剖面示意图;
图3具有抗弥散结构EMCCD抗弥散工作原理示意图
图4是采用抗弥散结构EMCCD成像单元物理结构图;
图5是EMCCD存储单元物理结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1是EMCCD的一种抗弥散结构实现途径的原理图,图2是采用抗弥散结构的EMCCD成像单元剖面示意图,各种具体实现方案均可依照此图,经过本发明方法优化的具有抗弥散结构的EMCCD成像单元是一种多层次的半导体结构,主要由电极1、氧化层2、沟阻3、信号通道4、抗弥散通道5、抗弥散势垒6及衬底7等部分构成。
图中衬底7采用高阻P型硅(Si)材料;成像单元的信号转移通道是通过轻掺杂工艺形成的N型(N-)区域作为体内信号通道4,在信号转移通道上设置有多相转移电极,因图示简洁的需要没有在本图做出标示;为了保持EMCCD成像单元产生的光生载流子沿垂直方向传输,通过沟阻3扩散或注入的方法制作重掺杂的P型(P+)区域用作信号通道边界;为了实现EMCCD的抗弥散功能,在成像单元中应用浅而浓的离子注入热驱动工艺方法产生重掺杂N型(N+)区作为抗弥散通道5,在抗弥散通道5两侧通过轻掺杂工艺形成的P型(P-)区作为抗弥散势垒6,并且设置抗弥散结构电极1用来调节抗弥散通道泄放电荷的能力。
图3具有抗弥散结构EMCCD抗弥散工作原理示意图,图中实线和虚线分别表示无光照和强光照的条件下,具有抗弥散结构的EMCCD的成像单元的氧化物界面的电位分布,假定图中VTH为具有抗弥散结构的EMCCD的成像单元沟阻区势垒电位;VTL是成像单元中抗弥散势垒电位;VP代表信号通道积分时表面势电位;VR是信号通道载流子发生弥散时表面势电位。从图中实线趋势可知较高的沟阻势垒保证了EMCCD成像单元中产生的光生载流子电荷沿垂直方向进行转移,光生载流子在EMCCD图像传感器积分期间被收集到信号通道下面深度为VP的势阱中,当信号通道下面势阱中存储的信号电荷没有达到抗弥散势垒VTL时,抗弥散通道不起作用;观察图中虚线图示可以知道,当积分期信号通道势阱吸收光生载流子的过程中,当势阱填充的信号电荷达到抗弥散势垒电位VTL时,过量的载流子就会越过抗弥散势垒,流入到抗弥散通道中实现抗弥散功能。
图4是采用抗弥散结构EMCCD成像单元物理结构图,表示一个具有抗弥散结构的两相三多晶EMCCD成像单元图,图中P1、P2、P3表示三层多晶硅;I1、I2是两相信号转移电极;在成像单元垂直方向的两侧是重掺杂P+区作为信号通道截止区8,在成像单元内部设计有一个抗弥散结构,包括抗弥散通道5和其两侧的抗弥散势垒6,用来防止弥散现象的发生。
图5是与采用抗弥散结构的EMCCD成像单元配合的EMCCD存储单元物理结构图,通过与图4抗弥散结构EMCCD成像单元物理结构图对比可知,存储单元同样是多层多晶结构,图中P0、P1、P2、P3表示四层多晶硅,在垂直方向上存储单元也有与成像单元类似的通道截止区9,但是存储单元中没有抗弥散结构,这是因为存储单元不具备感光功能,所以不需要设计抗弥散结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1. 一种电子倍增电荷耦合器件的抗弥散结构,其特征是,多个成像单元组成EMCCD的成像区,所述成像单元内设置抗弥散通道,并且在成像单元的信号通道和所述抗弥散通道之间建立抗弥散势垒;
所述成像单元中制作重掺杂的N型半导体N+结构,作为所述抗弥散通道;所述抗弥散通道两边建立由轻掺杂P型半导体P-形成的抗弥散势垒。
2.根据权利要求1所述的电子倍增电荷耦合器件的抗弥散结构,其特征是,所述成像单元的信号通道是与衬底极性相反的轻掺杂N型半导体N-;信号通道之间通过重掺杂的P型半导体P+作为沟阻进行信号通道之间的隔离,成像单元中的光生载流子沿垂直方向传输。
3.电子倍增电荷耦合器件的抗弥散结构制作工艺,其特征是,包括以下步骤:
步骤1:选用高阻的P型Si材料做为衬底并在表面热生长一氧化层;
步骤2:采用湿法光刻工艺完成EMCCD成像区的成像单元中沟阻区P+窗口制作,经过窗口选择作用实现沟阻区注入掺杂,在扩散作用下形成沟阻以及表面层;
步骤3:在氧化气氛中进行高温氧化扩散,在Si表面上的注入掺杂窗口区域形成氧化层,然后通过光刻窗口、磷离子注入及注入后热驱动扩散工序形成EMCCD成像区的成像单元中信号通道N-;
步骤4:在信号通道中刻蚀出抗弥散通道窗口,然后采用离子注入热驱动的方法,制作出抗弥散通道;
步骤5:在抗弥散通道的两侧与信号通道之间制作抗弥散势垒的注入窗口,通过抗弥散的注入窗口进行硼离子注入热驱动,建立抗弥散势垒结构;
步骤6:去除全部氧化层,经过栅氧化工艺生长栅氧化层,在栅氧化层上面形成EMCCD的多组电极结构,完成EMCCD的抗弥散结构制作。
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