基于绝缘层上硅的电荷耦合器件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于绝缘层上硅的电荷耦合器件，包括背栅极、衬底、埋层氧化层、漏极区、源极区、顶层硅沟道区、漏极金属接触、源极金属接触、正栅极氧化层和正栅极。入射光照射到器件表面时被衬底吸收，产生的少数载流子积累到由脉冲背栅形成的深耗尽势阱中，顶层薄硅耦合出与势阱中少子对应的电荷，正栅极施加电压放大光响应信号，从而有效收集载流子，实现随机、无损和高速读出；本发明专利技术可有效扩宽传统电荷耦合器件的光谱响应范围，同时改变了传统电荷耦合器件的读出方式，产生的信号直接由单个像素结构输出，且通过在正栅极施加电压对电荷积累起到增益的作用，放大器件的光响应信号，提高探测的响应速度和可靠性。提高探测的响应速度和可靠性。提高探测的响应速度和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
基于绝缘层上硅的电荷耦合器件


[0001]本专利技术属于图像传感器
，涉及图像传感器器件结构，尤其涉及一种基于绝缘层上硅的电荷耦合器件。

技术介绍

[0002]电荷耦合器件(CCD)图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，信号电流再经过放大和模数转换，就可以实现图像的获取、传输和处理。作为光电探测器，CCD图像阵列系统被应用于相机、扫描仪等设备的感光组件，具有良好的感光效率和成像品质，但受限于硅较宽的带隙，传统的CCD光谱探测范围被限制在可见光波段。
[0003]绝缘层上硅技术是在分层的硅
‑
绝缘体
‑
硅衬底中制造半导体器件，以减少器件内的寄生电容，从而提升性能。其中，绝缘层和顶层硅的材料可随实际应用而变化。从制造的角度来看，绝缘层上硅基底与常规制造工艺兼容。绝缘层上硅技术的专利技术进一步促进了微电子器件的持续小型化，目前已广泛商业化。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于绝缘层上硅的电荷耦合器件。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于绝缘层上硅的电荷耦合器件，自下而上设有背栅极、衬底、埋层氧化和顶层硅，所述顶层硅由顶层硅沟道区和设置在所述顶层硅沟道区两侧的漏极区、源极区构成，所述漏极区上表面设有漏极金属接触，所述源极区上表面设有源极金属接触，所述顶层硅沟道区上表面依次设有正栅极氧化层、正栅极。
[0006]进一步地，通过在所述正栅极上施加一定的电压，对电荷积累起到增益的作用，放大器件的光响应信号，同时，正栅极可用于单元选通和复位的功能。
[0007]进一步地，所述衬底为轻掺杂衬底，掺杂浓度为10
11
cm
‑3～10
13
cm
‑3，衬底材料为硅、锗、碳化硅、砷化镓、碲化镉或铟镓砷中的一种。
[0008]进一步地，所述埋层氧化层所用材料为氧化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种，厚度为10nm
‑
200nm。
[0009]进一步地，所述顶层硅厚度为2nm
‑
20nm。
[0010]进一步地，所述漏极区为重掺杂；所述源极区为重掺杂；所述漏极区和所述源极区为同类型掺杂，掺杂浓度为10
18
cm
‑3以上。
[0011]进一步地，所述正栅极氧化层所用材料为氧化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种，厚度为2nm
‑
10nm。
[0012]进一步地，所述正栅极所用材料为多晶硅或铟锡氧化物或金属中的任意一种，厚度为10nm
‑
50nm。
[0013]进一步地，所述背栅极所用材料为镓铟合金，所述漏极金属接触和所述源极金属
接触所用材料为铝、银、金、钛、铬或铜中的一种或合金。
[0014]进一步地，所述顶层硅沟道区、埋层氧化层与衬底形成MIS结构；当器件工作时，在所述背栅极及所述源极金属接触之间施加一个脉冲栅压，驱动所述衬底进入深耗尽状态；同时在所述漏极金属接触与所述源极金属接触之间施加一个固定偏压，当入射光从顶部入射时，耗尽区吸收光子产生电子空穴对，并在深耗尽势阱中积累；此时，顶层硅耦合出与势阱中电荷对应的极性相反的等量载流子，导致阈值电压的偏移而引起输出电流变化，在正栅极上施加电压对信号进行放大，通过读取源漏间电流判断入射光线的强度。
[0015]本专利技术提出的电荷耦合器件的工作原理如下：
[0016](1)在器件的背栅极和源极之间施加一定频率的脉冲栅压，如衬底为n型，电压正极施加在背栅极。顶层硅沟道区、埋层氧化层与衬底形成MIS结，随着背栅电压逐渐增大，衬底会进入耗尽状态。背栅压足够大时，衬底与埋层氧化层界面形成反型层。由于栅压为脉冲信号，而少数载流子的产生需要一定的寿命时间，此时不会立即出现反型层且仍保持为耗尽状态，即衬底内形成深耗尽区。
[0017](2)当入射光从顶部入射到器件上时，光线进入衬底耗尽区，耗尽区吸收光子产生电子
‑
空穴对，并在电场作用下分离，其中少数载流子被储存在深耗尽势阱中；对于紫外光的探测，可通过减小顶层硅和埋层氧化层的厚度，减少紫外光的反射，使得紫外光被衬底耗尽区吸收，选用宽禁带半导体氮化镓作为衬底材料，可增强紫外吸收，产生较大的响应度和量子效率；对于红外光的探测，选用铟镓砷、锗硅作为衬底材料，可增强红外吸收，产生较大的响应度和量子效率。
[0018](3)电荷在深耗尽势阱中积累的同时，顶层硅耦合出与势阱中电荷对应的极性相反的等量载流子，导致阈值电压的偏移而引起电流变化。在漏极与源极之间施加固定的偏置电压，通过监测流经顶层硅两侧的电流，即可计算出深耗尽势阱中所积累的载流子数量，进而判断入射光的强度。
[0019](4)通过在正栅极上施加一定的电压，对电荷积累起到增益的作用，放大器件的光响应信号，同时，正栅压可用于单元选通和复位的功能。
[0020]本专利技术具有以下有益效果：
[0021]1.本专利技术基于绝缘层上硅(Silicon On Insulator，SOI)技术，可以实现顶层硅的厚度在20nm以下，由SOI基片衬底吸光，通过改变不同材料的SOI基片衬底，在紫外光、可见光和红外光均可实现吸收响应，拓宽了响应光谱。
[0022]2.本专利技术将一定频率的脉冲偏压加到背栅电极，使SOI基片衬底进入深耗尽状态，光子吸收后产生的电子空穴对在电场作用下分离，实现少数载流子在深耗尽势阱中的积累。
[0023]3.本专利技术通过在正栅极施加电压对电荷积累起到增益的作用，放大器件的光响应信号。在由单点器件拓展到阵列器件时，可以利用正栅极实现复位和单元选通的功能。
[0024]4.本专利技术器件结构简单，易于大规模制造，且与CMOS工艺兼容。
[0025]5.本专利技术通过顶层硅电容性耦合有效收集载流子，产生的电流信号直接从单个像素结构输出，实现随机、无损和高速读出，无需采用传统CCD像素之间横向转移电荷方式，提高了响应速度、线性动态范围和可靠性。
[0026]6.本专利技术实现与传统CCD器件相似的积分功能，即使在弱光环境下也能得到较大
的响应。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例基于绝缘层上硅的电荷耦合器件的结构图，图中：背栅极1、衬底2、埋层氧化层3、漏极区4、源极区5、顶层硅沟道区6、漏极金属接触7、源极金属接触8、正栅极氧化层9、正栅极10；
[0028]图2为本专利技术实施例基于绝缘层上硅的电荷耦合器件的制备方法流程图；
[0029]图3为本专利技术实施例基于绝缘层上硅的电荷耦合器件的电学测试示意图。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。
[0031]如图1所示，本实施例提供的一种基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于绝缘层上硅的电荷耦合器件，其特征在于，自下而上设有背栅极(1)、衬底(2)、埋层氧化层(3)和顶层硅，所述顶层硅由顶层硅沟道区(6)和设置在所述顶层硅沟道区(6)两侧的漏极区(4)、源极区(5)构成，所述漏极区(4)上表面设有漏极金属接触(7)，所述源极区(5)上表面设有源极金属接触(8)，所述顶层硅沟道区(6)上表面依次设有正栅极氧化层(9)、正栅极(10)。2.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅的电荷耦合器件，其特征在于，通过在所述正栅极(10)上施加一定的电压，对电荷积累起到增益的作用，放大器件的光响应信号，同时，所述正栅极(10)可用于单元选通和复位的功能。3.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅的电荷耦合器件，其特征在于，所述衬底(2)为轻掺杂衬底，掺杂浓度为10
11
cm
‑3～10
13
cm
‑3，衬底材料为硅、锗、碳化硅、砷化镓、碲化镉或铟镓砷中的一种。4.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅的电荷耦合器件，其特征在于，所述埋层氧化层(3)所用材料为氧化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种，厚度为10nm
‑
200nm。5.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅的电荷耦合器件，其特征在于，所述顶层硅厚度为2nm
‑
20nm。6.根据权利要求1所述的基于绝缘层上硅的电荷耦合器件，其特征在于，所述漏极区(4)为重掺杂；所述源极区(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐杨，董云帆，吕建杭，刘亦伦，葛晓佳，杨伟伟，俞滨，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：