一種電荷載流子倍增寄存器的抗光暈結構的製作方法與工藝

2023-10-11 01:32:19

本發明涉及採用Si集成電路工藝的CCM製造方法，尤其涉及溢出通道和抗光暈通道的製作方法，屬於微電子技術領域。

背景技術：
CCM(CCM，chargecarriermultiplier，電荷載流子倍增寄存器)是利用信號電荷載流子傳輸過程中載流子的碰撞電離實現了信號的電荷級接近零噪聲的線性放大倍增。應用CCM結構的圖像探測器可以實現對極微弱光信號的實時快速動態探測和全固態成像,顯著提高了成像器件的探測靈敏度及成像性能,在軍事偵察、天文觀測、生物醫學等領域具有巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。如圖8所示，CCM基本工作過程為：①CCM工作狀態下，首先將信號通道載流子耗盡；②信號通道在深耗盡狀態下，通過電極1電壓變化在信號通道中產生用於存儲信號電荷的勢阱，電極2施加直流電壓，在CCM工作過程中保持不變，電極3和電極4此時刻電壓維持低；③將信號電荷注入到電極1下方的勢阱中；④電極3的電壓升高，在信號通道中形成勢阱，當電極3電壓達到最大值時，電極1電壓仍維持在高，此時電極4電壓保持低；⑤電極1電壓開始下降，電極1下方勢阱中存儲的信號電荷向電極3下方的勢阱中轉移，轉移過程中信號電荷與晶格碰撞電離，信號電荷載流子產生倍增；⑥信號電荷倍增完成後，電極1電壓為低，電極4電壓開始升高，同時電極3電壓開始降低，當電極3的電壓變為低之前，電極4的電壓已經達到最大值，經過倍增的信號電荷轉移到電極4下方的勢阱中，這樣就通過不同相轉移電極的電壓變化，實現信號電荷轉移和倍增。信號電荷傳輸到電荷檢測節點、並在該節點上將信號電荷轉換成電壓通過緩衝放大器讀出，完成信號輸出。採用CCM技術的光電探測器具有像元尺寸小、信噪比高、暗電流低、靈敏度高等優點,已被廣泛應用於軍事、天文物理、工業檢測和監控及醫學診斷等領域。隨著微弱光信號探測技術的發展，探測器探測目標光強範圍已經從微弱星光拓展到日光，由於輸入光信號變化範圍大，就需要光電探測器即要有高靈敏度響應，又能夠實現強日照時清晰成像。但是，集成了無抗光暈結構CCM的光電探測器在成像時,存在著強光環境、長積分時間和過度倍增等情況引起光暈的現象,導致成像質量降低或不成像。因此，保證光電探測器具有高靈敏度、大輸入動態範圍以及抗光暈功能等特點，對於提升集成有CCM結構的光電探測器性能及相關應用具有重要的現實意義。申請公布號為CN102572317A的"一種圖像傳感器抗光暈的方法"、申請公布號為CN201322802的"空間遙感CCD相機抗彌散控制電路"、申請公布號為CN20168255U的"一種抗縱向光暈的CCD攝像機裝置"、授權公告號為CN100484204C的"抗暈光面陣CCD圖像傳感器"和授權公告號為CN101848336B的"一種使CCD攝像機抗縱向光暈的方法"等方案都是通過增加成像系統分立電子元器件，改進探測器時序驅動的方法，實現抗彌散和抗暈性能，當成像系統中存在過多分立器件時，容易產生阻抗失配和電磁幹擾，造成系統成像質量下降；授權公告號為CN102290427B的"線陣CCD的一種抗暈結構"是根據線陣CCD工藝提出一種只針對線陣CCD探測器的抗暈結構，不能在CCM的抗光暈結構中使用。申請公布號為CN103337509A的"電子倍增電荷耦合器件的抗彌散結構及製作工藝"需要在信號通道區內部製作抗彌散結構，抗彌散結構佔用了信號通道區的有效面積，進而影響器件的探測靈敏度和信噪比等主要性能參數。

技術實現要素：
為了解決現有技術中集成有CCM結構的光電探測器，在強光、長積分或倍增過大等情況下，發生光暈現象或不成像的問題，提出了一種CCM的抗光暈結構。為解決上述技術問題，本發明提供電荷載流子倍增寄存器的抗光暈結構，其特徵是，在CCM信號通道區域之外製作一溢出通道，並且在CCM的信號通道和溢出通道之間用信號通道中的其中一個轉移電極作為抗光暈通道實現連接。信號通道邊界製作重摻雜的P型半導體(P+)作為溝阻，限制信號電荷載流子的輸運方向。所述溝阻上設置有缺口，使抗光暈通道穿過缺口將信號通道和溢出通道連接。由形成於襯底的介質層上的第一電極、第二電極、第三電極和第四電極共同構成信號通道中的轉移電極，各電極之間通過介質層進行電學隔離，其中第一電極和第二電極有部分交疊，第二電極和第三電極之間存在部分交疊，第三電極和第四電極有部分交疊，第四電極和第二電極也有部分交疊，其中第二電極越過溝阻上的缺口與溢出通道發生部分交疊，第三電極穿越溝阻上的缺口並延伸過溢出通道；以上所有交疊和跨域的結構之間都已通過介質層進行了隔離，並且所有電極的設計都完全遵守版圖設計規則；通過在各相轉移電極上施加不同時鐘電壓驅動，使信號通道中的信號電荷載流子沿轉移電極進行單向傳輸。在信號通道區域之外製作重摻雜的N型半導體(N+)結構作為溢出通道。抗光暈通道利用信號通道轉移電極中的一相洩放多餘的電荷。由多個具有所述抗光暈通道的CCM單元級聯組成鏈式可控增益寄存器。本發明具有抗光暈結構CCM的製作方法是在現有CCM半導體製造技術的基礎上，優化CCM結構，改進CCM製造流程，並且通過在CCM信號通道區域外製作抗光暈結構，使光電探測器滿足在強光、長積分時間和微光等環境下的應用要求。這種抗光暈結構具有結構簡單、工藝兼容性好等優點，該方法能夠拓展採用CCM結構的光電探測器在攝影、監控、偵察、航天遙感等民用及軍用領域的應用。CCM的一種抗光暈結構具體實現步驟如下：步驟1：首先選用高阻的P型Si材料熱生長氧化物作緩衝層，為後續的注入、光刻等工藝步驟做準備。步驟2：通過幹氧氧化工藝生長高質量的無針孔的SiO2薄膜，在SiO2薄膜上採用澱積工藝製作應力匹配並且介電性能優良的Si3N4薄膜，形成複合柵介質。步驟3：通過氧化、澱積、光刻、注入、熱擴散、高溫退火等半導體工藝形成CCM的局部氧化隔離(LOCOS)、地(P+)、信號通道區(N-)、溝阻區(P+)等結構。步驟4：通過薄膜氣相澱積、常規高溫熱擴散、圖形光刻和熱生長氧化介質薄膜等半導體工藝步驟製作多晶矽電極。步驟5：採用圖形選擇性刻蝕、高溫及低溫腐蝕、常規高溫熱擴散、常規高溫熱擴驅動及常規氧化等具體工藝在信號通道區外製作溢出通道。步驟6：經過生長介質鈍化薄膜、選擇性刻蝕引線孔、引線孔低阻填充、真空蒸鋁、形成金屬引線、合金等工藝方法完成一種具有抗光暈結構的CCM的工藝製造。本發明所達到的有益效果：由於，採用了CCM技術的光電探測器具有很高的量子效率、靈敏度和信噪比，在高增益時探測器的有效讀出噪聲小於一個電子，消除了以往探測器讀出噪聲對器件工作頻率的限制，而且在實時快速動態探測方面具有CCM結構的光電探測器更有先天的優勢，其探測靈敏度可達到對真正單光子事件的檢測，鑑於其優越的性能，這種光電探測器已經廣泛應用在在最需要微光和大動態範圍的場景，如單分子探測、活細胞螢光顯微術(包括共焦顯微術)、離子信號和弱發光探測、天文探測、自適應光學、層析攝影、斷層攝影、等離子體診斷等。但是，採用CCM的光電探測器有時在強光或長積分的條件下會發生光暈現象，為了抑制這種現象，進一步提高這種光電探測器的成像品質，擴大探測器的動態範圍，本發明設計了CCM的一種抗光暈結構來提升CCM的性能，拓展CCM技術的應用領域，應該理解的是，前面對本發明總的說明和下面詳細說明都是示意性的，而非限制性的。本發明CCM的抗光暈結構，在CCM信號通道區以外製作溢出通道，並且在CCM的信號通道和溢出通道之間用信號轉移通道中的電極作為抗光暈通道實現連接。抗光暈通道利用信號通道轉移電極中的一相洩放多餘的電荷。採用信號通道的轉移電極作為抗光暈通道既能夠釋放掉過量電荷，又可以避免CCM轉移電極結構和模式的改變，最大限度的降低了製作工藝對CCM性能的影響。附圖說明圖1是本發明實現途徑的原理圖；圖2是採用抗光暈結構CCM三維示意圖；圖3是採用抗光暈結構CCM俯視示意圖；圖4是具有抗光暈結構CCM剖面結構示意圖；圖5是具有抗光暈結構CCM工作時序示意圖；圖6是採用抗光暈結構CCM工作原理圖1；圖7是採用抗光暈結構CCM工作原理圖2；圖8是現有技術中CCM工作示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。圖1是CCM的一種抗光暈結構實現途徑的原理圖，各種具體實現方案均可依照此圖，通過圖1可知，CCM的一種抗光暈結構主要由電極、溝阻、信號通道、溢出通道等部分構成。圖2是採用抗光暈結構CCM三維示意圖，通過圖2可知，經過本發明方法優化的具有抗光暈結構CCM是一種層次化的半導體結構，主要由電極、介質、溝阻、信號通道、溢出通道及襯底等部分構成，應當說明的是為了圖示簡捷，圖2中並未顯示場區介質、各電極間介質及側牆等結構，圖1可認為是圖2結構的俯視圖。圖3是採用抗光暈結構CCM俯視示意圖，圖3可視為是圖2的俯視圖。圖示中的結構是層次化結構，圖中轉移電極ΦA、ΦDC、ΦHV和ΦB分別對應於圖2中電極1、電極2、電極3和電極4，通過作用在各相轉移電極上的時鐘電壓，信號電荷在信號通道中以電荷耦合的方式有規律傳輸實現電荷轉移，而且信號轉移過程中通過碰撞電離發生倍增，當倍增的信號電荷超過了勢阱最大存儲容量時，多餘的信號電荷通過溢出通道實現洩放，防止了在信號通道中發生光暈，圖中溢出通道作用是為過量的信號電荷載流子提供釋放通路，圖中溝阻的作用主要是對轉移中信號電荷形成勢壘，約束信號轉移方向，轉移電極ΦDC在CCM工作時保持直流電平，在信號通道區與溢出通道間實現連接，作為過量電荷的抗光暈通道，轉移電極ΦHV通過高壓時鐘驅動可以完成CCM的主要功能：信號電荷載流子倍增，轉移電極ΦA和ΦB主要是完成信號電荷的傳輸，沿圖中虛線XY作垂直於晶圓的剖面圖，則有圖示4。圖4是採用抗光暈結構的CCM剖面示意圖，圖中襯底採用高阻P型矽(Si)材料；信號通道區是通過輕摻雜工藝形成的N型(N-)區域作為體內信號通道，在信號通道上方有複合柵介質層，在介質上設置有轉移電極；為了限制信號電荷載流子在垂直於輸運方向上的漂移擴散，用低溫離子注入的方法製作重摻雜的P型(P+)溝阻用作信號通道邊界；為了實現CCM的抗光暈功能，製作重摻雜N型(N+)區作為溢出通道，通過在轉移電極上施加的直流電壓實現信號通道與溢出通道的連接。圖5是具有抗光暈結構CCM工作時序示意圖，CCM轉移電極雖然有四相，但是其中ΦDC這一相在CCM工作時始終保持不變，所以在圖示中未做出體現，其它三相電極的時序示意如圖所示，當CCM工作在圖中A區域時序時，帶有光暈結構的CCM工作原理如圖6所示，當CCM工作在圖中B區域時序時，帶有抗光暈結構的CCM工作原理如圖7所示。圖6是在圖5的A區域工作時序下，採用抗光暈結構CCM工作原理圖1，表示信號電荷載流子的轉移和增益過程，根據圖5中A區域時序可知信號通道區轉移電極ΦHV相電極電壓為高，ΦB相電極電壓為低，ΦA相電極電壓正在發生從高到低的轉換，此時具有抗光暈結構的CCM工作狀態是ΦHV相電極在信號通道區已經形成勢阱，原本存儲在ΦA相下方勢阱中的信號電荷載流子由於ΦA相電極電壓的變化，正渡越過ΦDC相電極下方的信號通道區向ΦHV相電極下方的勢阱中轉移，轉移過程中在ΦDC相和ΦHV相間邊緣電場作用下發生碰撞電離，完成了信號電荷載流子的轉移和倍增，在此期間ΦB相電極電壓為低，對於信號電荷載流子相當於勢壘，所以，信號電荷載流子不向ΦB相電極下方信號通道區移動。圖7是在圖5的B區域工作時序下，採用抗光暈結構CCM工作原理圖2，表示信號電荷載流子的抗光暈溢出過程，根據圖5中B區域時序可知信號通道區轉移電極ΦHV相電極電壓和ΦB相電極電壓均為低，ΦA相電極電壓為高，此時具有抗光暈結構的CCM工作狀態是ΦHV相電極和ΦB相電極在信號通道中產生勢壘，ΦA相電極在信號通道區形成勢阱，當注入到ΦA相電極下方勢阱中的信號電荷載流子或經過前級倍增轉移到ΦA相電極下方勢阱中的信號電荷載流子超過勢阱最大容量，在圖7中具體表現為高於滿阱深時，多餘的信號電荷載流子就會渡越過ΦDC相電極下方的信號通道區溢入到溢出通道，完成過量電荷的釋放。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。