CN113113440B - 一种抗辐射加固栅介质的emccd结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于CCD器件技术邻域，具体涉及一种抗辐射加固栅介质的EMCCD结构，该结构包括：光敏区、存储区、水平区、电子倍增寄存器以及读出放大器；光敏区的结构包括硅衬底、栅介质二氧化硅层、栅介质氮化硅层以及多晶硅层；存储区、水平区和电子倍增寄存器的介质层的结构与光敏区的结构相似；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层比光敏区和存储区的栅介质二氧化硅层厚；本发明的EMCCD结构中较薄的光敏区和存储区的栅介质二氧化硅层保证了EMCCD良好的抗辐射性能，较厚的电子倍增寄存器栅介质二氧化硅层保证了EMCCD在高电压工作时良好的绝缘性，解决了因电子倍增寄存器漏电而给图像造成亮斑或者亮条的问题。
Description
技术领域
本发明属于CCD器件技术邻域，具体涉及一种抗辐射加固栅介质的EMCCD结构。
背景技术
电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)采用片上电子倍增技术，降低了器件噪声，可很好满足微弱光下成像要求。EMCCD用于空间图像遥感、核辐射环境下等领域成像时，辐射会对EMCCD造成损伤。针对辐射损伤问题，通常的措施是把栅介质二氧化硅做薄来提高抗辐射能力。但是，EMCCD的电子倍增寄存器工作电压较普通CCD高，普通CCD驱动脉冲的高电平通常在5V—10V的范围，EMCCD倍增相驱动脉冲的高电平通常在20V—50V的范围。EMCCD高的电压使得薄的栅介质难以承受，往往出现漏电问题，给图像带来不希望有的亮斑或亮条，严重时丧失成像功能。
由于受限于工艺能力及思维局限，现有技术未考虑把光敏区、存储区栅介质厚度与电子倍增寄存器栅介质厚度做成不一样。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种抗辐射加固栅介质的EMCCD结构，该结构包括：光敏区、存储区、水平区、电子倍增寄存器以及读出放大器；所述光敏区与存储区相连，所述存储区与水平区相连，所述水平区和电子倍增寄存器连接，所述电子倍增寄存器与读出放大器连接；光敏区的结构包括硅衬底、栅介质二氧化硅层、栅介质氮化硅层以及多晶硅层；所述存储区和所述电子倍增寄存器的介质层的结构与光敏区的结构相似；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层比所述光敏区的栅介质二氧化硅层厚；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层比所述存储区的栅介质二氧化硅层厚。
优选的，电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度是所述光敏区的栅介质二氧化硅层厚度的1.5～150倍。
优选的，电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度是所述存储区的栅介质二氧化硅层厚度的1.5～150倍。
优选的，光敏区栅介质二氧化硅层厚度为5nm～60nm，存储区的栅介质二氧化硅层厚度为5nm～60nm。
优选的，电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度为30nm～9000nm。
本发明的EMCCD结构中电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层比光敏区和存储区的栅介质二氧化硅层厚，较薄的光敏区和存储区的栅介质二氧化硅层保证了EMCCD良好的抗辐射性能，较厚的电子倍增寄存器栅介质二氧化硅层保证了EMCCD在高电压工作时良好的绝缘性，解决了因电子倍增寄存器漏电而给图像造成亮斑或者亮条的问题。
附图说明
图1为本发明的EMCCD图像传感器平面结构示意图；
图2为本发明的光敏区、存储区剖面结构示意图；
图3为本发明的电子倍增寄存器剖面结构示意图；
图4为本发明的电子倍增寄存器的剖面图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种抗辐射加固栅介质的EMCCD结构，如图1所示，该结构包括：光敏区、存储区、水平区、电子倍增寄存器以及读出放大器；其中，所述光敏区与存储区相连；所述存储区与水平区相连，所述水平区和电子倍增寄存器连接；所述电子倍增寄存器至少与一个读出放大器连接；光敏区的结构包括硅衬底、栅介质二氧化硅层、栅介质氮化硅层以及多晶硅层；所述存储区和所述电子倍增寄存器的介质层的结构与光敏区的结构相似；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层比所述光敏区的栅介质二氧化硅层厚；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层比所述存储区的栅介质二氧化硅层厚。
电子倍增寄存器的一个电极被两个电极取代，将其中一个电极施加适当的电压，另一个电极施加时钟脉冲；其中施加的电压为20～50V，使得这两个电极之间产生电场，该电场的场强足以使电子在转移过程中形成“撞击离子化”效应，产生新的电子；电子的倍增率为1.01～1.015倍。
如图4所示，电子倍增寄存器中将电级划分为4个电极，包括电级Φ1、电极ΦDC、电极Φ2以及电极Φ3；电子倍增寄存器在进行工作的过程中，通过在增益寄存器上施加驱动脉冲，将增益寄存器电荷进行转移，其中增益寄存器的Φ1和Φ3两个电极由标准幅值时钟驱动，两个电极之间的Φ2电极加的电压远比仅仅用于转移电荷的电压高，而在Φ2电极前的ΦDC加一个小的直流电压。由于Φ2和ΦDC巨大的电压差，在Φ2和ΦDC间产生巨大的电场强度足以使电子在转移过程中发生“撞击离子化效应”，产生新的电子，使得信号产生倍增或增益的现象。
当所有的电荷都转移到高场区并且倍增后，电荷向下一个电极转移。当Φ2由高电平转为低电平时，Φ3由低电平转为高电平，电荷由Φ2转到Φ3下的势阱。接着Φ3由高电平转为低电平，Φ1由低电平转为高电平，电荷由Φ3转到Φ1下的势阱，电荷在ΦDC中不进行存储，当电荷完全转到Φ1电极下时，直接从Φ1经过ΦDC转到Φ2。电荷每经过一级倍增单元，就发生一次倍增。单级增益g一般是很小的，但经过n次倍增后，总增益G可以变得非常大；同时单级增益是随机的，在概率上其值固定在一个范围内，Φ2电极上的电压越高，单级增益越大。同时对倍增寄存器发生碰撞电离的级数也可以控制，即可以控制倍增级数以保证最终的增益值。通过调整倍增时序Φ2电压幅值和倍增级数来保证最终的增益值。
如图2所示，光敏区的结构包括：在硅衬底上依次沉积有栅介质二氧化硅层、栅介质氮化硅层以及多晶硅层；所述栅介质二氧化硅层的厚度为5nm～60nm。优选的，所述栅介质二氧化硅层的厚度为20nm。
存储区的结构包括：在硅衬底上依次沉积有栅介质二氧化硅层、栅介质氮化硅层以及多晶硅层；所述栅介质二氧化硅层的厚度为5nm～60nm。优选的，所述栅介质二氧化硅层的厚度为20nm。
所述光敏区的栅介质二氧化硅层的厚度与存储区的栅介质二氧化硅层的厚度一致。
如图3所示，电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度是所述光敏区的栅介质二氧化硅层厚度的1.5～150倍；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度是所述存储区的栅介质二氧化硅层厚度的1.5～150倍。
优选的，电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层的厚度是光敏区的栅介质二氧化硅层和存储区的栅介质二氧化硅层厚度的4倍。
电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度为30nm～9000nm。优选的，电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度为80nm。
光敏区和存储区的栅介质二氧化硅层薄保证了EMCCD良好的抗辐射性能；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚保证了EMCCD在高电压工作时良好的绝缘性；使得本发明的EMCCD不仅具有良好的抗辐射性，而且解决了因电子倍增寄存器漏电而给图像带来亮斑或亮条问题。
在EMCCD的不同区域要实现不同厚度的二氧化硅栅介质，需要采用特殊的工艺步骤，典型实施例1：在拟制作EMCCD的硅片上生长80nm的栅介质二氧化硅→淀积氮化硅→光刻掩膜腐蚀掉光敏区和存储区的氮化硅、二氧化硅→生长20nm的栅介质二氧化硅(电子倍增寄存器的区域由于氮化硅的掩蔽未生长)→腐蚀光敏区和存储区之外的氮化硅→淀积氮化硅。典型实施例2：在拟制作EMCCD的硅片上生长20nm的栅介质二氧化硅→淀积氮化硅→光刻掩膜腐蚀掉电子倍增寄存器区域氮化硅、二氧化硅→生长80nm的栅介质二氧化硅(光敏区和存储区的区域由于氮化硅的掩蔽未生长)→腐蚀掉电子倍增寄存器区域的氮化硅→淀积氮化硅。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“底部”、“一端”、“上”、“一侧”、“内”、“前部”、“后部”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种抗辐射加固栅介质的EMCCD结构，该结构包括：光敏区、存储区、水平区、电子倍增寄存器以及读出放大器；所述光敏区与存储区相连，所述存储区与水平区相连，所述水平区和电子倍增寄存器连接，所述电子倍增寄存器与读出放大器连接；其特征在于，光敏区的结构包括硅衬底、栅介质二氧化硅层、栅介质氮化硅层以及多晶硅层；存储区和电子倍增寄存器的介质层的结构与光敏区的结构相同；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层比所述光敏区的栅介质二氧化硅层厚，其中电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度是所述光敏区的栅介质二氧化硅层厚度的1.5～150倍；电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层比所述存储区的栅介质二氧化硅层厚，其中电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度是所述存储区的栅介质二氧化硅层厚度的1.5～150倍。
2.根据权利要求1所述的一种抗辐射加固栅介质的EMCCD结构，其特征在于，光敏区栅介质二氧化硅层厚度为5nm～60nm，存储区的栅介质二氧化硅层厚度与敏区栅介质二氧化硅层厚度相同。
3.根据权利要求1所述的一种抗辐射加固栅介质的EMCCD结构，其特征在于，电子倍增寄存器的栅介质二氧化硅层厚度为30nm～9000nm。
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