CN111554699B - 基于复合介质栅结构的光敏探测单元、探测器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于复合介质栅结构的光敏探测单元、探测器及其方法。其光敏探测单元包括具有感光功能的复合介质栅MOS‑C部分、具有读取信息功能的复合介质栅MOSFET部分以及具有复位功能的复位管部分，复位管部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的底层介质层、复位浮栅层、顶层介质层和复位栅；在P型半导体衬底中：靠近第一底层介质层的一侧设有N型连接层，N型连接层与N型注入层相连；N型注入层分别与N型源极区、N型漏极区、复合介质栅MOSFET部分下方的衬底、复位栅下方的衬底之间通过设置浅槽隔离区和P+型注入区隔开。本发明的光敏探测器减小了暗信号带来的固定图形噪声，具有良好的暗特性和弱光响应。
Description
技术领域
本发明涉及成像探测器件，尤其是关于红外、可见光波段至紫外波段的成像探测器件的结构、工作机制及其信号的读出，是一种基于复合介质栅结构的改良暗特性的光敏探测单元、探测器及其信号读取方法。
背景技术
成像探测器在军事民用等各个领域都有很大的应用，当前发展的主要成像探测器是CCD和CMOS-APS。CCD出现较早，技术相对比较成熟，它的基本结构是一列MOS电容串联，通过电容上面电压脉冲时序控制半导体表面势阱产生和变化，进而实现光生电荷信号的存储和转移读出，也正是由于这个信号转移特点，电荷转移速度很受限制，所以成像速度不高；另外由于是电容串联，一个电容有问题就会影响整行信号的传输，所以对工艺要求极高，成品率和成本不够理想。CMOS-APS每个像素采用二极管和晶体管组成，每个像素都是相互独立的，在整个信号传输过程中不需要串行移动电荷，某一个像素出现问题不影响其他像素性能，所以克服了CCD在此方面的缺点，也因此对工艺的要求不是那么苛刻。CMOS由于采用单点信号传输，通过简单的X-Y寻址技术，允许从整个排列、部分甚至单元来读出数据，从而提高寻址速度，实现更快的信号传输。不过CMOS-APS每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的表面积，灵敏度和分辨率相对较小。
通过比较发现上述两种传统成像探测技术各有优劣，CMOS-APS近年来伴随着CMOS工艺的不断进步取得了迅速的发展，并表现出巨大的前景。如能提出一种基于CMOS工艺并能够尽量克服传统CMOS-APS的缺点的成像探测器，意义是很大的。
理想的成像器件可以是由CCD的像素+CMOS-APS所组成的阵列架构。这种架构已被考虑用于存储器件。目前设想中的浮栅存储器件结构是在常规的MOS结构的控制栅和沟道之间加入一层栅，这层栅被致密的氧化物所包围，没有跟外界相连，被称之浮栅。
中国专利CN107658321A提出了一种基于复合介质栅的双器件光敏探测器。该探测器的每个探测单元包括复合介质栅MOS-C部分和复合介质栅MOSFET部分，利用复合介质栅MOS-C部分进行感光，MOS-C部分感光得到的光信号通过电荷耦合的作用耦合到复合介质栅MOSFET部分上从而进行读取。但由于该探测器在曝光过程中P型衬底表面存在耗尽层，使得P型衬底表面处的界面陷阱辅助导致了较强的暗激发，会使器件的暗特性变差，且较大的暗信号将带来更严重的固定图形噪声。
发明内容
针对以上现有技术中的缺陷，本发明的目的是提出一种基于复合介质栅结构的改良暗特性的光敏探测单元及其探测器。本发明的另外一个目的是提供该光敏探测器的探测方法。
本发明的探测单元采用的技术方案如下：
基于复合介质栅结构的光敏探测单元，包括具有感光功能的复合介质栅MOS-C部分和具有读取信息功能的复合介质栅MOSFET部分，其中，复合介质栅MOS-C部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的第一底层介质层、电荷耦合层、第一顶层介质层和第一控制栅极，在P型半导体衬底中且第一底层介质层的下方设有N型注入层；复合介质栅MOSFET部分包括N型源极区、N型漏极区以及在所述P型半导体衬底上方依次叠设的第二底层介质层、所述电荷耦合层、第二顶层介质层和第二控制栅极；所述光敏探测单元还包括具有复位功能的复位管部分，所述复位管部分包括在所述P型半导体衬底上方依次叠设的第三底层介质层、复位浮栅层、第三顶层介质层和复位栅极；所述P型半导体衬底中且靠近第一底层介质层的一侧设有N型连接层，N型连接层与所述N型注入层相连，且N型连接层延伸至第三底层介质层的下方；在所述P型半导体衬底中，所述N型注入层分别与N型源极区、N型漏极区、复合介质栅MOSFET部分下方的衬底、复位栅下方的衬底之间通过设置浅槽隔离区和P+型注入区隔开。
进一步地，在所述P型半导体衬底中且第三底层介质层的下方设有阈值调节注入区。
本发明由多个上述光敏探测单元在同一P型半导体衬底上排成阵列形成探测器，其中，所述复合介质栅MOS-C部分之间设置深槽隔离区和P+型注入区，用于隔开各个光敏探测单元；所述复合介质栅MOSFET部分之间采用闪存的NOR架构进行互联；NOR架构中共用一个N型源极区的两行光敏探测单元也共用一个所述复位管部分；同一行探测单元的控制栅极相互连接为字线，同一列探测单元的N型漏极区通过金属层相互连接为位线，同一行的复位栅相互连接并与同一行的N型源极通过金属层相互连接作为源线。
本发明利用探测器进行探测的方法：所述复合介质栅MOS-C部分与复合介质栅MOSFET部分用于收集、储存和读取感光的光电子，所述复位管部分用于清空复合介质栅MOS-C部分储存的电子来进行复位。
进一步地，所述复合介质栅MOS-C部分进行复位时，所述字线加负偏压，源线加正偏压脉冲，P型半导体衬底加零偏压，在P型衬底表面形成空穴积累，N型注入层中的电子流经复位管和源线排出探测器，在P型衬底中以及N型注入层中形成耗尽层。
进一步地，所述复合介质栅MOS-C部分储存的电子清空后且光电子收集时，源线从正偏压回到零偏压，P型半导体衬底和字线的电压保持与复位时的相同值；当光入射到耗尽层中光子被半导体吸收时，产生光电子，光电子在耗尽层电场的驱使下移动到N型注入层中，且被储存于N型注入层中。
进一步地，探测器读取光电子信号时，将P型半导体衬底加零偏压，要读取的光敏探测单元所在列的位线加正偏压，所在行的源线加零偏压，所在行的字线加正的渐变的斜坡电压，使得一部分N型注入层中的储存的电子纵向移动到P型半导体衬底的上表面，表面处的电位由光敏探测单元在曝光时所储存的光电子的数目而定，而且表面处的电位会通过电荷耦合的作用影响电荷耦合层的电位，从而影响用以读取的复合介质栅MOSFET部分的阈值电压；其余行的字线的电压与曝光时所加的电压相同，对位线中的电流进行测量，记录位线中电流到达给定电流值的栅极电压的大小，该栅极电压即为复合介质栅MOSFET部分的阈值电压；曝光后读取的阈值电压相比于复位后读取的阈值电压有一定的变化，该变化量与曝光时N型注入层中所储存的光电子数目成线性关系。
本发明通过利用复合介质栅MOS-C部分进行感光，MOS-C部分感光得到的光信号通过电荷耦合的作用耦合到复合介质栅MOSFET部分上从而进行读取，利用复位管对MOS-C部分进行复位，通过使用复位管复位以及曝光时的特定偏压模式，将感光时的耗尽区限制在N型注入区以及其下方的P衬底中，使P衬底表面保持空穴积累，可以很好地避免P衬底表面陷阱带来的暗激发，使光敏探测器具有良好的暗特性，减小了暗信号带来的固定图形噪声，使其有较好的弱光响应。具体的特点和优越性包括：
(1)在曝光过程中，通过在光敏探测单元的控制栅上加负偏压，使得MOS-C部分的P型衬底表面处于空穴积累状态，且浅槽隔离与P型衬底的界面处也处于P+型注入区中，因此有效抑制了异质结处的界面陷阱带来的暗激发，减小了光敏探测器的暗噪声大小。
(2)在复位过程中，使用复位管清空了N型注入区中的电子，使得在曝光过程中，MOS-C部分的P型半导体衬底内部可以形成一个有效的收集光电子的电子势阱，增加了光敏探测单元能够收集的光电子的数量。
(3)在读取过程中，通过在光敏探测单元的控制栅上加正偏压，使得MOS-C部分在曝光过程中所收集的光电子聚集在表面，进而可以通过电荷耦合的作用将光电子的数目信息转化为MOSFET部分的阈值电压的偏移；这种读取的方法可以极大的提高光敏探测器的探测灵敏度。
附图说明
图1为探测器单元像素平面图；
图2为探测器感光MOS-C部分结构示意图；
图3为探测器读取MOSFET部分结构示意图；
图4为探测器复位管部分沿图1中Y1-Y1’方向的截面图；
图5为探测器复位管部分沿图1中X2-X2’方向的截面图；
图6为探测器单元像素沿图1中X1-X1’方向的截面图；
图7为探测器单元像素沿图1中Y1-Y1’方向的截面图；
图8为探测器单元像素沿图1中Y2-Y2’方向的截面图；
图9为探测器阵列互联示意图；
图10为探测器阵列版图。
具体实施方式
本实施例基于复合介质栅结构的光敏探测单元像素结构如图1-图8所示，每个探测器单元像素都包括一个用以感光的复合介质栅MOS-C部分、一个用以读取的复合介质栅MOSFET部分以及一个用以复位的复位管部分，这三个部分形成在同一基底P型半导体材料上方。
其中用以感光的复合介质栅MOS-C部分的结构如图2所示，包括：P型半导体衬底1；P型半导体正上方依次设有底层介质层6、电荷耦合层5、顶层介质层4和控制栅极3；P型半导体衬底中(叠层介质正下方)可以有通过离子注入掺杂形成N型注入层8，用以使得光电荷存储位置下移，离开P型半导体衬底和顶层介质层的界面处。在P型半导体衬底中且靠近底层介质层6的一侧设有N型连接层9，N型连接层9与底层介质层6的下方的N型注入层8相连为一整体结构。
其中用以读取的复合介质栅MOSFET部分的结构如图3所示，包括：P型半导体衬底1，P型半导体衬底正上方依次设有底层介质层6、电荷耦合层5、顶层介质层4和控制栅极3。此处的底层介质层6、电荷耦合层5、顶层介质层4和控制栅极3与MOS-C部分的共用，当然也可以分开设置，然后再将两部分的各叠层相连为一整体。本实施例P型半导体衬底中(靠近叠层介质一侧)通过离子注入掺杂形成N型源极区2和N型漏极区7，用以实现光敏探测器信号的读取；P型半导体衬底中(叠层介质正下方)可以有通过离子注入掺杂形成的阈值调节注入，用以调节复合介质栅MOSFET部分的阈值电压。
其中用以复位的复位管部分的结构如图4、5所示，包括：P型半导体衬底1，N型源极区7与N型连接层9之间的P型半导体衬底上方依次叠设的第三底层介质层10、复位浮栅层11、第三顶层介质层12和复位栅极13；P型半导体衬底1中且靠近第一底层介质层6的一侧设有N型连接层9，N型连接层9与N型注入层8相连，且N型连接层9延伸至第三底层介质层10的下方，使得复位管在复位时，N型连接层能够实现N型注入层与第三底层介质层下方出现的沟道之间的电学连接。P型半导体衬底1中(第三介质层10正下方)可以有通过离子注入掺杂形成的阈值调节注入，用以调节复位管部分的阈值电压。在P型半导体衬底中，N型注入层9分别与N型源极区2、N型漏极区7、复合介质栅MOSFET下方的P型衬底、复位栅10下方的P型衬底之间通过设置浅槽隔离区和P+型注入区隔开。
复合介质栅MOS-C部分和MOSFET部分电荷耦合光敏探测器的连接方法如图6所示，复合介质栅MOS-C部分和MOSFET部分通过同一电荷耦合层5以及衬底相连，从而使得用以读取的MOSFET部分可以读取到用以感光的MOS-C部分中感光得到的光电荷的数目。其中，复合介质栅MOS-C部分和MOSFET部分的底层介质层以及控制栅极都分别相连形成一整体结构。复合介质栅MOS-C部分和MOSFET部分的衬底(靠近叠层介质一侧)通过浅槽隔离以及浅槽隔离下方更深的P+型注入隔开以防止MOS-C部分收集的光电荷从MOSFET部分中的源极区和漏极区漏掉以及防止浅槽隔离与P型衬底的界面陷阱带来的暗激发，其中浅槽隔离和P+型注入的深度最好要超过耗尽区的宽度才能最大程度上保护住MOS-C部分收集到的光电荷。
复合介质栅MOS-C部分和复位管部分的连接方法如图7、8所示，复合介质栅MOS-C部分和复位管部分通过P型衬底1以及P型衬底中的N型连接层9相连，从而使得MOS-C部分N型注入层8中的电子可以通过复位管流进N型源极区7中。在N型连接层9以外的区域，复合介质栅MOS-C部分和复位管部分的衬底(靠近第三底层介质层10一侧)通过浅槽隔离以及浅槽隔离下方更深的P+型注入隔开以防止MOS-C部分收集的光电荷从复位管部分漏掉以及防止浅槽隔离与P型衬底的界面陷阱带来的暗激发，其中浅槽隔离和P+型注入的深度最好要超过耗尽区的宽度才能最大程度上保护住MOS-C部分收集到的光电荷。
探测器的电荷耦合层5或复位浮栅层11的材料为多晶硅、金属或其它电子导体中的一种；控制栅极3或复位栅极13的材料为多晶硅、金属或其它电子导体中的一种；底层介质层6或第三底层介质层10的材料为氧化硅、SiON或其它高介电常数介质中的一种；顶层介质层4或第三顶层介质层12的材料为氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化铝氧化硅、氧化硅、氧化铝或其它高介电常数介质材料的一种。
基于复合介质栅结构的改良暗特性的光敏探测单元能够构成探测器阵列。复合介质栅MOSFET部分之间采用闪存的NOR架构进行互联，同一行探测单元的控制栅极3相互连接为字线，同一列探测单元的N型漏极区7相互连接为位线，同一行的复位栅13相互连接并与同一行的N型源极2通过金属层相互连接作为源线。图9为探测器阵列的互联示意图，其中大虚线所示为一个像素单元，用以读取的MOSFET部分以闪存NOR架构互联。图10为基于复合介质栅结构的光敏探测单元组成的探测器阵列的平面图。在探测器阵列中，复合介质栅MOS-C部分之间设置深槽隔离区和P+型注入区，用于隔开各个光敏探测单元。
当复合介质栅MOS-C部分进行复位时，所有字线加-5V～0V负偏压VGreset，所有源线加0V～3V正偏压脉冲VSreset，P型半导体衬底加零偏压，在P型衬底表面形成空穴积累，N型注入层中的电子流经复位管和源线排出探测器，在P型衬底中以及N型注入层中形成耗尽层。
复合介质栅MOS-C部分储存的电子清空后且光电子收集时，所有源线从正偏压回到零偏压，P型半导体衬底和字线的电压保持与复位时的相同值VGreset；当光入射到耗尽层中光子被半导体吸收时，产生光电子，光电子在耗尽层电场的驱使下移动到N型注入层中，且被储存于N型注入层中。
探测器读取光电子信号时，将P型半导体衬底加零偏压，要读取的光敏探测单元所在列的位线加正偏压0V～1V，所在行的源线加零偏压，所在行的字线加正的渐变的斜坡电压VGsweep，使得一部分N型注入层中的储存的电子纵向移动到P型半导体衬底的上表面，表面处的电位由光敏探测单元在曝光时所储存的光电子的数目而定，而且表面处的电位会通过电荷耦合的作用影响电荷耦合层的电位，从而影响用以读取的复合介质栅MOSFET部分的阈值电压；其余行的字线的电压与曝光时所加的电压相同，对位线中的电流进行测量，记录位线中电流到达给定电流值的栅极电压的大小，该栅极电压即为复合介质栅MOSFET部分的阈值电压VT；曝光后读取的阈值电压相比于复位后读取的阈值电压VT0有一定的变化ΔVT，该变化量与曝光时N型注入层中所储存的光电子数目成线性关系。
Claims (7)
1.基于复合介质栅结构的光敏探测单元，包括具有感光功能的复合介质栅MOS-C部分和具有读取信息功能的复合介质栅MOSFET部分，其中，复合介质栅MOS-C部分包括在P型半导体衬底上方依次叠设的第一底层介质层、电荷耦合层、第一顶层介质层和第一控制栅极，在P型半导体衬底中且第一底层介质层的下方设有N型注入层；复合介质栅MOSFET部分包括N型源极区、N型漏极区以及在所述P型半导体衬底上方依次叠设的第二底层介质层、所述电荷耦合层、第二顶层介质层和第二控制栅极，其特征在于，所述光敏探测单元还包括具有复位功能的复位管部分，所述复位管部分包括在所述P型半导体衬底上方依次叠设的第三底层介质层、复位浮栅层、第三顶层介质层和复位栅极；
所述P型半导体衬底中且靠近第一底层介质层的一侧设有N型连接层，N型连接层与所述N型注入层相连，且N型连接层延伸至第三底层介质层的下方；
在所述P型半导体衬底中，所述N型注入层分别与N型源极区、N型漏极区、复合介质栅MOSFET部分下方的衬底、复位栅下方的衬底之间通过设置浅槽隔离区和P+型注入区隔开。
2.根据权利要求1所述的基于复合介质栅结构的光敏探测单元，其特征在于，在所述P型半导体衬底中且第三底层介质层的下方设有阈值调节注入区。
3.利用如权利要求1所述基于复合介质栅结构的光敏探测单元组成的光敏探测器，其特征在于，多个所述光敏探测单元在同一P型半导体衬底上排成阵列形成探测器，其中，所述复合介质栅MOS-C部分之间设置深槽隔离区和P+型注入区，用于隔开各个光敏探测单元；所述复合介质栅MOSFET部分之间采用闪存的NOR架构进行互联；NOR架构中共用一个N型源极区的两行光敏探测单元也共用一个所述复位管部分；同一行探测单元的控制栅极相互连接为字线，同一列探测单元的N型漏极区通过金属层相互连接为位线，同一行的复位栅相互连接并与同一行的N型源极通过金属层相互连接作为源线。
4.利用如权利要求3所述探测器的探测方法，其特征在于，所述复合介质栅MOS-C部分与复合介质栅MOSFET部分用于收集、储存和读取感光的光电子，所述复位管部分用于清空复合介质栅MOS-C部分储存的电子来进行复位。
5.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于，所述复合介质栅MOS-C部分进行复位时，所述字线加负偏压，源线加正偏压脉冲，P型半导体衬底加零偏压，在P型衬底表面形成空穴积累，N型注入层中的电子流经复位管和源线排出探测器，在P型衬底中以及N型注入层中形成耗尽层。
6.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，所述复合介质栅MOS-C部分储存的电子清空后且光电子收集时，源线从正偏压回到零偏压，P型半导体衬底和字线的电压保持与复位时的相同值；当光入射到耗尽层中光子被半导体吸收时，产生光电子，光电子在耗尽层电场的驱使下移动到N型注入层中，且被储存于N型注入层中。
7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，探测器读取光电子信号时，将P型半导体衬底加零偏压，要读取的光敏探测单元所在列的位线加正偏压，所在行的源线加零偏压，所在行的字线加正的渐变的斜坡电压，使得一部分N型注入层中的储存的电子纵向移动到P型半导体衬底的上表面，表面处的电位由光敏探测单元在曝光时所储存的光电子的数目而定，而且表面处的电位会通过电荷耦合的作用影响电荷耦合层的电位，从而影响用以读取的复合介质栅MOSFET部分的阈值电压；其余行的字线的电压与曝光时所加的电压相同，对位线中的电流进行测量，记录位线中电流到达给定电流值的栅极电压的大小，该栅极电压即为复合介质栅MOSFET部分的阈值电压；曝光后读取的阈值电压相比于复位后读取的阈值电压有一定的变化，该变化量与曝光时N型注入层中所储存的光电子数目成线性关系。
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