基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器制造技术

本发明专利技术提供一种基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，包括由多个探测单元构成的阵列，每个探测单元包括感光晶体管、电荷存储晶体管和读取晶体管，或者每个探测单元包括感光晶体管、电荷转移晶体管、电荷存储晶体管和读取晶体管；其中，感光晶体管用以实现光敏探测器的感光功能，电荷存储晶体管用以实现光生电荷的存储，读取晶体管用以实现信号的读取，电荷转移晶体管用以控制光生电荷的转移。本发明专利技术的探测器无需机械快门，可实现全局曝光与快速读取的功能，与现有浮栅CMOS工艺兼容，制造技术成熟，易于实现，由探测单元构成的阵列与周边电路整合性高，可大幅缩小芯片体积，且任何一个像素的失效不会影响整个成像阵列的正常工作。

【技术实现步骤摘要】
基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器
本专利技术涉及成像器件，尤其涉及一种应用于可见光和红外波段探测的成像探测器件的结构、工作机制和信号的读出，本专利技术可用于全局曝光成像。
技术介绍
成像器件在各个领域都有很大的应用范围，当前最主要的成像器件是CCD和CMOS-APS。CCD较早出现，基本结构由MOS电容串联而成，在栅极加脉冲偏压后形成耗尽区用于收集光电子，随后脉冲时序将光电子以电荷包的形式读出，CCD虽然在灵敏度、分辨率、成像质量等方面都优于CMOS传感器，却存在着工艺复杂、成本高昂、功耗大等缺点，而CMOS图像传感器则与CMOS工艺兼容，因此其成本和功耗均较CCD低，CMOS-APS是通过二极管感光的，且每个探测单元都包括数个晶体管用于信号的放大和读取，通过外围译码电路进行寻址并且实现信号的读出，正因为每个探测单元中都包含若干个晶体管，造成CMOS-APS的填充系数较小，灵敏度不高，噪声较大等问题。通过上述比较发现CCD和CMOS各有优缺点，鉴于此，已有专利CN201210442007中提出了一种基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器，弥补了CCD读出方式复杂以及CMOS-APS填充系数小、尺寸难以缩小的缺点，该探测器包含两个分别用于感光和读取的晶体管，但为了保持探测器中光电子数目不受读取时间前后顺序的影响，使用该探测器阵列的成像芯片必须使用机械快门，因而其不具备全局曝光功能，这就大大限制了它的应用范围，因此需要一种新结构的探测器来克服这一缺点，从而实现成像芯片全局曝光的功能。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术结合CCD电荷转移的原理，提出了一种改进后的新型成像器件，该器件在实现原有器件感光、光电子收集、读取和复位功能的基础上，新增了光电子转移和存储功能，可实现全局曝光，且可进一步提高像元的填充系数和量子效率。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，包括由多个探测单元构成的阵列，每个探测单元包括感光晶体管、电荷存储晶体管和读取晶体管，感光晶体管、电荷存储晶体管和读取晶体管都形成在同一P型半导体衬底上方；所述感光晶体管用以实现光敏探测器的感光功能，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极，或者在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层和控制栅极；所述电荷存储晶体管用以实现光生电荷的存储，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极；所述读取晶体管用以实现信号的读取，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极，在所述P型半导体衬底靠近底层绝缘介质的一侧通过离子注入形成N型源极，在所述P型半导体衬底靠近底层绝缘介质与所述的N型源极相对的另一侧通过离子注入形成N型漏极；所述电荷存储晶体管和读取晶体管在衬底中通过浅槽隔离区隔开；所述感光晶体管的电荷耦合层和电荷存储晶体管的电荷耦合层不相连，感光晶体管的控制栅极和电荷存储晶体管的控制栅极不相连；所述电荷存储晶体管的电荷耦合层和读取晶体管的电荷耦合层相连，电荷存储晶体管的控制栅极和读取晶体管的控制栅极相连。进一步地，在所述感光晶体管和电荷存储晶体管之间设置有电荷转移晶体管用以控制光生电荷的转移；电荷转移晶体管形成在所述P型半导体衬底上方，自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极；所述电荷转移晶体管的电荷耦合层与感光晶体管的电荷耦合层和电荷存储晶体管的电荷耦合层均不相连，电荷转移晶体管的控制栅极与感光晶体管的控制栅极和电荷存储晶体管的控制栅极均不相连。在由多个探测单元构成的阵列中，一种方案为：所有探测单元的感光晶体管的控制栅极互连，形成字线WL1；每一行探测单元的读取晶体管和电荷存储晶体管共用的控制栅极互连，形成字线WL3_X；每一列探测单元的读取晶体管的源极互连，形成源线SL_X；每一列探测单元的读取晶体管的漏极互连，形成漏线DL_X，其中，X＝0、1、2、3···N。另一种方案为：所有探测单元的感光晶体管的控制栅极互连，形成字线WL1；所有探测单元的电荷转移晶体管的控制栅极互连，形成字线WL2；每一行探测单元的读取晶体管和电荷存储晶体管共用的控制栅极互连，形成字线WL3_X；每一列探测单元的读取晶体管的源极互连，形成源线SL_X；每一列探测单元的读取晶体管的漏极互连，形成漏线DL_X，其中，X＝0、1、2、3···N。一种由上述全局曝光光敏探测器构成的成像芯片，包括所述探测器阵列、字线译码选址电路、源线/漏线译码选址电路、模数转换电路和接口电路；所述字线译码选址电路，按照读取顺序，用于产生每条字线在探测器的曝光、转移、读取和复位阶段的不同偏压信号；所述源线/漏线译码选址电路，按照读取顺序，用于对探测器读取晶体管的源极和漏极的选通；所述模数转换电路，用于将光敏探测器中的光电子信号转换成数字信号；所述接口电路，在时钟信号控制下用于将转换完成的数字信号传输到成像芯片外部。一种利用上述基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器的探测方法，包括如下步骤：(1)光电子收集：在感光晶体管的控制栅极上加正偏压，衬底加上负偏压，在P型衬底上形成耗尽区以收集光电子；在电荷存储晶体管的控制栅极伤加零偏压或正偏压；读取晶体管的源极和漏极接地；(2)光电子的转移和存储：保持感光晶体管的控制栅极上所加的正偏压，在电荷存储晶体管的控制栅极上加一个正偏压，且该正偏压大于感光晶体管的控制栅极上所加的正偏压，使感光晶体管的耗尽区中收集的光电子完全转移到电荷存储晶体管的耗尽区中；光电子转移完成后，在感光晶体管的控制栅极上加与衬底相同的负偏压，这时感光晶体管中不再存在耗尽区，也不收集光电子；(3)光电子读取：将读取晶体管的源极接地，漏极接合适的正偏压，通过在读取晶体管的控制栅极上加斜波电压，根据读取晶体管导通时斜波电压的变化值，计算得到感光晶体管收集到的光电子的数目；(4)复位：在感光晶体管的控制栅极和电荷存储晶体管的控制栅极上加与衬底所加偏压大小一样的负偏压，读取晶体管的源极和漏极接地，光电子通过与空穴复合消失。另一种利用上述基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器的探测方法，包括如下步骤：(1)光电子收集：在感光晶体管的控制栅极上加正偏压，衬底加上负偏压，在P型衬底上形成耗尽区以收集光电子；在电荷转移晶体管的控制栅极上加负偏压，在电荷存储晶体管的控制栅极加零偏压或正偏压；读取晶体管的源极和漏极接地；(2)光电子的转移和存储：保持感光晶体管的控制栅极上所加的正偏压，在电荷转移晶体管的控制栅极加正偏压，在电荷存储晶体管的控制栅极上加正偏压，使感光晶体管、电荷转移晶体管和电荷存储晶体管下方衬底中的电子电势逐级降低，使感光晶体管的耗尽区中收集的光电子完全转移到电荷存储晶体管的耗尽区中；光电子转移完成后，电荷转移晶体管的控制栅极加负偏压，在感光晶体管的控制栅极上加与衬底相同的负偏压，这时感光晶体管中不再存在耗尽区，也不收集光电子；(3)光电子读取：将读取晶体管的源极接地，漏极接合适的正偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，包括由多个探测单元构成的阵列，其特征在于：每个探测单元包括感光晶体管、电荷存储晶体管和读取晶体管，感光晶体管、电荷存储晶体管和读取晶体管都形成在同一P型半导体衬底上方；所述感光晶体管用以实现光敏探测器的感光功能，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极，或者在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层和控制栅极；所述电荷存储晶体管用以实现光生电荷的存储，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极；所述读取晶体管用以实现信号的读取，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极，在所述P型半导体衬底靠近底层绝缘介质的一侧通过离子注入形成N型源极，在所述P型半导体衬底靠近底层绝缘介质与所述的N型源极相对的另一侧通过离子注入形成N型漏极；所述电荷存储晶体管和读取晶体管在衬底中通过浅槽隔离区隔开；所述感光晶体管的电荷耦合层和电荷存储晶体管的电荷耦合层不相连，感光晶体管的控制栅极和电荷存储晶体管的控制栅极不相连；所述电荷存储晶体管的电荷耦合层和读取晶体管的电荷耦合层相连，电荷存储晶体管的控制栅极和读取晶体管的控制栅极相连。...

【技术特征摘要】
1.基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，包括由多个探测单元构成的阵列，其特征在于：每个探测单元包括感光晶体管、电荷存储晶体管和读取晶体管，感光晶体管、电荷存储晶体管和读取晶体管都形成在同一P型半导体衬底上方；所述感光晶体管用以实现光敏探测器的感光功能，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极，或者在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层和控制栅极；所述电荷存储晶体管用以实现光生电荷的存储，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极；所述读取晶体管用以实现信号的读取，其结构为：在所述P型半导体衬底上方自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极，在所述P型半导体衬底靠近底层绝缘介质的一侧通过离子注入形成N型源极，在所述P型半导体衬底靠近底层绝缘介质与所述的N型源极相对的另一侧通过离子注入形成N型漏极；所述电荷存储晶体管和读取晶体管在衬底中通过浅槽隔离区隔开；所述感光晶体管的电荷耦合层和电荷存储晶体管的电荷耦合层不相连，感光晶体管的控制栅极和电荷存储晶体管的控制栅极不相连；所述电荷存储晶体管的电荷耦合层和读取晶体管的电荷耦合层相连，电荷存储晶体管的控制栅极和读取晶体管的控制栅极相连。2.根据权利要求1所述的基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，其特征在于，在所述感光晶体管和电荷存储晶体管之间设置有电荷转移晶体管用以控制光生电荷的转移；电荷转移晶体管形成在所述P型半导体衬底上方，自下而上依次设有底层绝缘介质层、电荷耦合层、顶层绝缘介质层和控制栅极；所述电荷转移晶体管的电荷耦合层与感光晶体管的电荷耦合层和电荷存储晶体管的电荷耦合层均不相连，电荷转移晶体管的控制栅极与感光晶体管的控制栅极和电荷存储晶体管的控制栅极均不相连。3.根据权利要求1或2所述的基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，其特征在于，所述感光晶体管控制栅极面和衬底至少有一处为探测器所探测光波长透明或半透明窗口。4.根据权利要求1或2所述的基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，其特征在于，所述电荷存储晶体管的衬底通过离子注入掺杂形成P+区。5.根据权利要求1或2所述的基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，其特征是，所述电荷耦合层采用多晶硅、金属或半导体材料；所述控制栅极采用多晶硅、金属或透明的导电电极；所述底层绝缘介质层的材料采用氧化硅或SiON；所述顶层绝缘介质层的材料采用氮化硅/氧化硅/氮化硅、氧化硅/氧化铝/氧化硅、氧化硅或氧化铝。6.根据权利要求1所述的基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，其特征在于，由多个探测单元构成的阵列中，所有探测单元的感光晶体管的控制栅极互连，形成字线WL1；每一行探测单元的读取晶体管和电荷存储晶体管共用的控制栅极互连，形成字线WL3_X；每一列探测单元的读取晶体管的源极互连，形成源线SL_X；每一列探测单元的读取晶体管的漏极互连，形成漏线DL_X，其中，X＝0、1、2、3···N。7.根据权利要求2所述的基于复合介质栅MOSFET的全局曝光光敏探测器，其特征在于，由多个探测单元构成的阵列中，所有探测单元的感光晶体管的控制栅极互连，形成字线WL1；所有探测单元的电荷转移晶体管的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫锋，黄枝建，施毅，马浩文，李煜乾，卜晓峰，孔祥顺，毛成，杨程，张丽敏，
申请(专利权)人：南京吉相传感成像技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32