CN104037186A - 一种电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，在此结构中抗光晕通道是通过电极2连接到溢出通道。CCM正常工作时输入信号电荷载流子转移过程中实现倍增，当输入信号过大时经过CCM发生信号电荷载流子倍增，会生成过量信号电荷载流子，多余的信号电荷载流子溢出通过抗光晕通道收集到溢出通道，通过溢出通道转化成电流释放，从而抑制了光晕现象，这种抗光晕结构能够保证CCM实现信号电荷载流子接近零噪声的电荷放大倍增的基础上，又大大提升了采用CCM结构的图像传感器的探测灵敏度。

Description

一种电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构

技术领域

本发明涉及采用Si集成电路工艺的CCM制造方法，尤其涉及溢出通道和抗光晕通道的制作方法，属于微电子技术领域。

背景技术

CCM(CCM，charge carrier multiplier，电荷载流子倍增寄存器)是利用信号电荷载流子传输过程中载流子的碰撞电离实现了信号的电荷级接近零噪声的线性放大倍增。应用CCM结构的图像探测器可以实现对极微弱光信号的实时快速动态探测和全固态成像, 显著提高了成像器件的探测灵敏度及成像性能, 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。

如图8所示，CCM基本工作过程为：①CCM工作状态下，首先将信号通道载流子耗尽；②信号通道在深耗尽状态下，通过电极1电压变化在信号通道中产生用于存储信号电荷的势阱，电极2施加直流电压，在CCM工作过程中保持不变，电极3和电极4此时刻电压维持低；③将信号电荷注入到电极1下方的势阱中；④电极3的电压升高，在信号通道中形成势阱，当电极3电压达到最大值时，电极1电压仍维持在高，此时电极4电压保持低；⑤电极1电压开始下降，电极1下方势阱中存储的信号电荷向电极3下方的势阱中转移，转移过程中信号电荷与晶格碰撞电离，信号电荷载流子产生倍增；⑥信号电荷倍增完成后，电极1电压为低，电极4电压开始升高，同时电极3电压开始降低，当电极3的电压变为低之前，电极4的电压已经达到最大值，经过倍增的信号电荷转移到电极4下方的势阱中，这样就通过不同相转移电极的电压变化，实现信号电荷转移和倍增。信号电荷传输到电荷检测节点、并在该节点上将信号电荷转换成电压通过缓冲放大器读出，完成信号输出。

采用CCM技术的光电探测器具有像元尺寸小、信噪比高、暗电流低、灵敏度高等优点, 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。随着微弱光信号探测技术的发展，探测器探测目标光强范围已经从微弱星光拓展到日光，由于输入光信号变化范围大，就需要光电探测器即要有高灵敏度响应，又能够实现强日照时清晰成像。但是，集成了无抗光晕结构CCM的光电探测器在成像时, 存在着强光环境、长积分时间和过度倍增等情况引起光晕的现象, 导致成像质量降低或不成像。因此，保证光电探测器具有高灵敏度、大输入动态范围以及抗光晕功能等特点，对于提升集成有CCM结构的光电探测器性能及相关应用具有重要的现实意义。

申请公布号为CN102572317A的"一种图像传感器抗光晕的方法"、申请公布号为CN201322802的"空间遥感CCD相机抗弥散控制电路"、申请公布号为CN20168255U的"一种抗纵向光晕的CCD摄像机装置"、授权公告号为CN100484204C的"抗晕光面阵CCD图像传感器"和授权公告号为CN101848336B的"一种使CCD摄像机抗纵向光晕的方法"等方案都是通过增加成像系统分立电子元器件，改进探测器时序驱动的方法，实现抗弥散和抗晕性能，当成像系统中存在过多分立器件时，容易产生阻抗失配和电磁干扰，造成系统成像质量下降；授权公告号为CN102290427B的"线阵CCD的一种抗晕结构"是根据线阵CCD工艺提出一种只针对线阵CCD探测器的抗晕结构，不能在CCM的抗光晕结构中使用。申请公布号为CN103337509A的"电子倍增电荷耦合器件的抗弥散结构及制作工艺"需要在信号通道区内部制作抗弥散结构，抗弥散结构占用了信号通道区的有效面积，进而影响器件的探测灵敏度和信噪比等主要性能参数。

发明内容

为了解决现有技术中集成有CCM结构的光电探测器，在强光、长积分或倍增过大等情况下，发生光晕现象或不成像的问题，提出了一种CCM的抗光晕结构。

为解决上述技术问题，本发明提供电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，其特征是，在CCM信号通道区域之外制作一溢出通道，并且在CCM的信号通道和溢出通道之间用信号通道中的其中一个转移电极作为抗光晕通道实现连接。

信号通道边界制作重掺杂的P型半导体(P+)作为沟阻，限制信号电荷载流子的输运方向。

所述沟阻上设置有缺口，使抗光晕通道穿过缺口将信号通道和溢出通道连接。

由形成于衬底的介质层上的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极共同构成信号通道中的转移电极，各电极之间通过介质层进行电学隔离，其中第一电极和第二电极有部分交叠，第二电极和第三电极之间存在部分交叠，第三电极和第四电极有部分交叠，第四电极和第一电极也有部分交叠，其中第三电极越过沟阻上的缺口与溢出通道发生部分交叠，第四电极穿越沟阻上的缺口并延伸过溢出通道；以上所有交叠和跨域的结构之间都已通过介质层进行了隔离，并且所有电极的设计都完全遵守版图设计规则；

通过在各相转移电极上施加不同时钟电压驱动，使信号通道中的信号电荷载流子沿转移电极进行单向传输。

在信号通道区域之外制作重掺杂的N型半导体(N+)结构作为溢出通道。

抗光晕通道利用信号通道转移电极中的一相泄放多余的电荷。

由多个具有所述抗光晕通道的CCM单元级联组成链式可控增益寄存器。

本发明具有抗光晕结构CCM的制作方法是在现有CCM半导体制造技术的基础上，优化CCM结构，改进CCM制造流程，并且通过在CCM信号通道区域外制作抗光晕结构，使光电探测器满足在强光、长积分时间和微光等环境下的应用要求。这种抗光晕结构具有结构简单、工艺兼容性好等优点，该方法能够拓展采用CCM结构的光电探测器在摄影、监控、侦察、航天遥感等民用及军用领域的应用。

CCM的一种抗光晕结构具体实现步骤如下：

步骤1：首先选用高阻的P型Si材料热生长氧化物作缓冲层，为后续的注入、光刻等工艺步骤做准备。

步骤2：通过干氧氧化工艺生长高质量的无针孔的SiO₂薄膜，在SiO₂薄膜上采用淀积工艺制作应力匹配并且介电性能优良的Si₃N₄薄膜，形成复合栅介质。

步骤3：通过氧化、淀积、光刻、注入、热扩散、高温退火等半导体工艺形成CCM的局部氧化隔离(LOCOS)、地(P+)、信号通道区(N-)、沟阻区(P+)等结构。

步骤4：通过薄膜气相淀积、常规高温热扩散、图形光刻和热生长氧化介质薄膜等半导体工艺步骤制作多晶硅电极。

步骤5：采用图形选择性刻蚀、高温及低温腐蚀、常规高温热扩散、常规高温热扩驱动及常规氧化等具体工艺在信号通道区外制作溢出通道。

步骤6：经过生长介质钝化薄膜、选择性刻蚀引线孔、引线孔低阻填充、真空蒸铝、形成金属引线、合金等工艺方法完成一种具有抗光晕结构的CCM的工艺制造。

本发明所达到的有益效果：

由于，采用了CCM技术的光电探测器具有很高的量子效率、灵敏度和信噪比，在高增益时探测器的有效读出噪声小于一个电子，消除了以往探测器读出噪声对器件工作频率的限制，而且在实时快速动态探测方面具有CCM结构的光电探测器更有先天的优势，其探测灵敏度可达到对真正单光子事件的检测，鉴于其优越的性能，这种光电探测器已经广泛应用在在最需要微光和大动态范围的场景，如单分子探测、活细胞荧光显微术(包括共焦显微术)、离子信号和弱发光探测、天文探测、自适应光学、层析摄影、断层摄影、等离子体诊断等。但是，采用CCM的光电探测器有时在强光或长积分的条件下会发生光晕现象，为了抑制这种现象，进一步提高这种光电探测器的成像品质，扩大探测器的动态范围，本发明设计了CCM的一种抗光晕结构来提升CCM的性能，拓展CCM技术的应用领域，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CCM的抗光晕结构，在CCM信号通道区以外制作溢出通道，并且在CCM的信号通道和溢出通道之间用信号转移通道中的电极作为抗光晕通道实现连接。抗光晕通道利用信号通道转移电极中的一相泄放多余的电荷。采用信号通道的转移电极作为抗光晕通道既能够释放掉过量电荷，又可以避免CCM转移电极结构和模式的改变，最大限度的降低了制作工艺对CCM性能的影响。

附图说明

图1是本发明实现途径的原理图；

图2是采用抗光晕结构CCM三维示意图；

图3是采用抗光晕结构CCM俯视示意图；

图4是具有抗光晕结构CCM剖面结构示意图；

图5是具有抗光晕结构CCM工作时序示意图；

图6是采用抗光晕结构CCM工作原理图1；

图7是采用抗光晕结构CCM工作原理图2；

图8是现有技术中CCM工作示意图。

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CCM的一种抗光晕结构实现途径的原理图，各种具体实现方案均可依照此图，通过图1可知，CCM的一种抗光晕结构主要由电极、沟阻、信号通道、溢出通道等部分构成。

图2是采用抗光晕结构CCM三维示意图，通过图2可知，经过本发明方法优化的具有抗光晕结构CCM是一种层次化的半导体结构，主要由电极、介质、沟阻、信号通道、溢出通道及衬底等部分构成，应当说明的是为了图示简捷，图2中并未显示场区介质、各电极间介质及侧墙等结构，图1可认为是图2结构的俯视图。

图3是采用抗光晕结构CCM俯视示意图，图3可视为是图2的俯视图。图示中的结构是层次化结构，图中转移电极ΦA、ΦDC、ΦHV和ΦB分别对应于图2中电极1、电极2、电极3和电极4，通过作用在各相转移电极上的时钟电压，信号电荷在信号通道中以电荷耦合的方式有规律传输实现电荷转移，而且信号转移过程中通过碰撞电离发生倍增，当倍增的信号电荷超过了势阱最大存储容量时，多余的信号电荷通过溢出通道实现泄放，防止了在信号通道中发生光晕，图中溢出通道作用是为过量的信号电荷载流子提供释放通路，图中沟阻的作用主要是对转移中信号电荷形成势垒，约束信号转移方向，转移电极ΦDC在CCM工作时保持直流电平，在信号通道区与溢出通道间实现连接，作为过量电荷的抗光晕通道，转移电极ΦHV通过高压时钟驱动可以完成CCM的主要功能：信号电荷载流子倍增，转移电极ΦA和ΦB主要是完成信号电荷的传输，沿图中虚线XY作垂直于晶圆的剖面图，则有图示4。

图4是采用抗光晕结构的CCM剖面示意图，图中衬底采用高阻P型硅(Si)材料；信号通道区是通过轻掺杂工艺形成的N型(N-)区域作为体内信号通道，在信号通道上方有复合栅介质层，在介质上设置有转移电极；为了限制信号电荷载流子在垂直于输运方向上的漂移扩散，用低温离子注入的方法制作重掺杂的P型(P+)沟阻用作信号通道边界；为了实现CCM的抗光晕功能，制作重掺杂N型(N+)区作为溢出通道，通过在转移电极上施加的直流电压实现信号通道与溢出通道的连接。

图5是具有抗光晕结构CCM工作时序示意图，CCM转移电极虽然有四相，但是其中ΦDC这一相在CCM工作时始终保持不变，所以在图示中未做出体现，其它三相电极的时序示意如图所示，当CCM工作在图中A区域时序时，带有光晕结构的CCM工作原理如图6所示，当CCM工作在图中B区域时序时，带有抗光晕结构的CCM工作原理如图7所示。

图6是在图5的A区域工作时序下，采用抗光晕结构CCM工作原理图1，表示信号电荷载流子的转移和增益过程，根据图5中A区域时序可知信号通道区转移电极ΦHV相电极电压为高，ΦB相电极电压为低，ΦA相电极电压正在发生从高到低的转换，此时具有抗光晕结构的CCM工作状态是ΦHV相电极在信号通道区已经形成势阱，原本存储在ΦA相下方势阱中的信号电荷载流子由于ΦA相电极电压的变化，正渡越过ΦDC相电极下方的信号通道区向ΦHV相电极下方的势阱中转移，转移过程中在ΦDC相和ΦHV相间边缘电场作用下发生碰撞电离，完成了信号电荷载流子的转移和倍增，在此期间ΦB相电极电压为低，对于信号电荷载流子相当于势垒，所以，信号电荷载流子不向ΦB相电极下方信号通道区移动。

图7是在图5的B区域工作时序下，采用抗光晕结构CCM工作原理图2，表示信号电荷载流子的抗光晕溢出过程，根据图5中B区域时序可知信号通道区转移电极ΦHV相电极电压和ΦB相电极电压均为低，ΦA相电极电压为高，此时具有抗光晕结构的CCM工作状态是ΦHV相电极和ΦB相电极在信号通道中产生势垒，ΦA相电极在信号通道区形成势阱，当注入到ΦA相电极下方势阱中的信号电荷载流子或经过前级倍增转移到ΦA相电极下方势阱中的信号电荷载流子超过势阱最大容量，在图7中具体表现为高于满阱深时，多余的信号电荷载流子就会渡越过ΦDC相电极下方的信号通道区溢入到溢出通道，完成过量电荷的释放。

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 (7)

1.一种电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，其特征是，在CCM信号通道区域之外制作一溢出通道，并且在CCM的信号通道和溢出通道之间用信号通道中的转移电极作为抗光晕通道实现连接。

2.根据权利要求1所述的电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，其特征是，信号通道边界制作重掺杂的P型半导体作为沟阻，限制信号电荷载流子的输运方向。

3.根据权利要求2所述的电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，其特征是，所述沟阻上设置有缺口，使抗光晕通道穿过缺口将信号通道和溢出通道连接。

4.根据权利要求2或3所述的电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，其特征是，由形成于衬底的介质层上的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极共同构成信号通道中的转移电极，各电极之间通过介质层进行电学隔离，其中第一电极和第二电极有部分交叠，第二电极和第三电极之间存在部分交叠，第三电极和第四电极有部分交叠，第四电极和第一电极也有部分交叠，其中第三电极越过沟阻上的缺口与溢出通道发生部分交叠，第四电极穿越沟阻上的缺口并延伸过溢出通道；

通过在各相转移电极上施加不同时钟电压驱动，使信号通道中的信号电荷载流子沿转移电极进行单向传输。

5.根据权利要求1所述的电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，其特征是，在信号通道区域之外制作重掺杂的N型半导体结构作为溢出通道。

6.根据权利要求1所述的电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，其特征是，抗光晕通道利用信号通道转移电极中的一相泄放多余的电荷。

7.根据权利要求1－6中任意一项所述的电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构，其特征是，由多个具有所述抗光晕通道的CCM单元级联组成链式可控增益寄存器。