patents.google.com

CN106783900B - 一种soi像素探测器结构 - Google Patents

  • ️Tue Aug 11 2020

CN106783900B - 一种soi像素探测器结构 - Google Patents

一种soi像素探测器结构 Download PDF

Info

Publication number
CN106783900B
CN106783900B CN201611094845.7A CN201611094845A CN106783900B CN 106783900 B CN106783900 B CN 106783900B CN 201611094845 A CN201611094845 A CN 201611094845A CN 106783900 B CN106783900 B CN 106783900B Authority
CN
China
Prior art keywords
well
buried
resistance
oxide layer
type
Prior art date
2016-12-02
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201611094845.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106783900A (zh
Inventor
王颖
兰昊
孙玲玲
曹菲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou Dianzi University
Original Assignee
Hangzhou Dianzi University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
2016-12-02
Filing date
2016-12-02
Publication date
2020-08-11
2016-12-02 Application filed by Hangzhou Dianzi University filed Critical Hangzhou Dianzi University
2016-12-02 Priority to CN201611094845.7A priority Critical patent/CN106783900B/zh
2017-05-31 Publication of CN106783900A publication Critical patent/CN106783900A/zh
2020-08-11 Application granted granted Critical
2020-08-11 Publication of CN106783900B publication Critical patent/CN106783900B/zh
Status Active legal-status Critical Current
2036-12-02 Anticipated expiration legal-status Critical

Links

  • 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
  • 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 30
  • XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
  • 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
  • 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 27
  • 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 11
  • 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 5
  • 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 7
  • 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
  • QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
  • 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 4
  • 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 4
  • -1 boron ions Chemical class 0.000 description 5
  • 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
  • 238000000034 method Methods 0.000 description 4
  • 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
  • 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 3
  • 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 3
  • 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
  • 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
  • 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
  • 239000000463 material Substances 0.000 description 2
  • 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
  • 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
  • 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
  • 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
  • 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
  • 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
  • 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
  • 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
  • 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
  • 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
  • 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
  • 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
  • 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
  • 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
  • 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
  • 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/803—Pixels having integrated switching, control, storage or amplification elements
    • H10F39/8033—Photosensitive area
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/802—Geometry or disposition of elements in pixels, e.g. address-lines or gate electrodes
    • H10F39/8027—Geometry of the photosensitive area

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种SOI像素探测器结构，由一种SOI像素探测器结构，包括低阻硅层、埋氧层、栅氧化层、高阻n型衬底、埋p阱、埋n阱、p型探测阱、埋n阱引出电极、传输门电极、p型探测阱读出电极和背部电极组成；其中，低阻硅层(电路层)与高阻n型衬底由埋氧层隔开；埋n阱被更加深的埋p阱包围，整个高阻n型衬底耗尽形成电荷灵敏区。该结构埋n阱连接一个适当的电压可以屏蔽衬底电压对电路层的影响；较大的埋p阱形成一个大的电荷收集和储存区域，而较小的p型探测阱作为探测区，与读出电极相连，从而降低SOI像素探测器敏感节点电容。

Description

一种SOI像素探测器结构

技术领域

本发明涉及有源像素传感器领域，主要是一种绝缘体上硅(SOI)像素探测器结构。

背景技术

硅像素探测器分为混合型(Hybrid)和单片集成式(Monolithic)两大类。随着辐射探测器的发展，将传感层与电路层整合的单片集成式探测器，成为高性能辐射图像探测器的一种需求，也是对混合型探测器的改进：降低成本和减少物质量。而SOI技术很有希望满足上述要求。

SOI像素探测器的传感层(高阻衬底)与电路层(低阻Si层)直接集成在单个芯片上，集成度非常高，消除了体硅CMOS的闩锁效应，不需要键合(Bump Bonding)组装工艺，工艺难度和造价得到改善。但SOI像素探测器存在如背栅效应，电路与传感器间的串扰等问题。

文章“F.F.Khalid,G.W.Deptuch,A.Shenai,et al.Monolithic Active PixelMatrix with Binary Counters(MAMBO)ASIC.Nuclear Science Symposium ConferenceRecord NSS/MIC)，2010IEEE.2010,1544-1550.”中提出嵌套阱结构(Nested wellstructure)，该结构可以隔离电路与传感器间的串扰，抑制背栅效应，但P阱结构完全包含电路部分，敏感节点电容较大。公开专利“申请号：CN200910083526.X，高文玉、陈杰、旷章曲，SOICMOS图像传感器结构及其制作方法”给出了一种单片集成式结构，但是与本发明的结构和要解决的问题不相关。

为了最大化电荷收集效率，连接读出电极的电荷收集阱需要尽可能的大；然而，好的增益或灵敏度却需要小的敏感节点电容，而相同条件下，小的敏感节点电容要求比较小的电荷收集阱。

发明内容

本发明的目的是提供一种拥有较小的敏感节点电容，同时拥有较大的电荷收集区及敏感区电场均匀的SOI像素探测器结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种SOI像素探测器结构，包括低阻硅层、埋氧层、栅氧化层、高阻n型衬底、埋p阱、埋n阱、p型探测阱、埋n阱引出电极、传输门电极、p型探测阱读出电极和背部电极；

所述的低阻硅层与高阻n型衬底由埋氧层隔开；高阻n型衬底上设有三个埋氧层，三个埋氧层中间通过传输门电极隔开，低阻硅层设置在两侧埋氧层的上方；两个埋氧层下方分别设有反偏埋n阱；反偏埋n阱被埋p阱包围；引出电极穿过低阻硅层、埋氧层连接埋n阱，以屏蔽衬底与电路层之间影响及反偏埋n阱与埋p阱之间形成的二极管；p型探测阱设置在两个埋氧层的下方，p型探测阱设置在中间的埋氧层下方，读出电极穿过埋氧层连接p型探测阱，传输门电极下方设有栅氧化层；高阻n型衬底底部设有背部电极。

整个高阻n型衬底耗尽为电荷灵敏区；即埋p阱和p型探测阱，前者用于电荷收集和储存，后者用于电荷探测，且两者之间存在防串通掺杂区。

所述的两个p阱为两个n阱，此时，对应的衬底为p型，原反偏埋n阱为p阱。

所述的作为电荷探测的p型探测阱306远小于用于电荷收集的埋p阱304。

本发明的有益效果在于：本发明的提供了一种SOI像素探测器结构。该结构保留了屏蔽衬底电压对电路层影响的特点；较大的埋p阱形成一个大的电荷收集和储存区域，在灵敏区形成较均匀的电场，提高电荷收集效率；较小的p型探测阱作为探测区，与读出电极相连，降低SOI像素探测器敏感节点电容。

附图说明

图1为已提出的埋p阱SOI像素结构。

图2为已提出的嵌套阱SOI像素结构。

图3是本发明提出的SOI像素结构。

图4—图7是本发明实施例的像素结构的具体步骤的示意图。

图8为本发明像素读出信号与收集电荷数量的关系曲线。

具体实施方式

下面结合后附图对本发明做进一步描述。

针对图1和图2中SOI像素结构，提出一种既拥有较高探测效率，又拥有较高增益的SOI像素探测器结构，同时保证探测器结构传感器部分与电路层之间的屏蔽性。

SOI像素结构中，形成两个埋p阱，较大的埋p阱用于形成一个大的电荷收集和储存区域，在灵敏区形成较均匀的电场；较小的p型探测阱作为探测区，与读出电极相连。

本发明的技术方案如下：

根据本发明，一种SOI像素探测器结构，包括低阻硅层301、埋氧层302、栅氧化层302a、高阻n型衬底303、埋p阱304、埋n阱305、p型探测阱306、埋n阱引出电极307、传输门电极308、p型探测阱读出电极309和背部电极310；

所述的低阻硅层301与高阻n型衬底303由埋氧层302隔开；高阻n型衬底303上设有三个埋氧层302，三个埋氧层302中间通过传输门电极308隔开，低阻硅层301设置在两侧埋氧层302的上方；两个埋氧层302下方分别设有反偏埋n阱305；反偏埋n阱305被埋p阱304包围；引出电极307穿过低阻硅层301、埋氧层302连接埋n阱，以屏蔽衬底303与电路层301之间影响及反偏埋n阱305与埋p阱304之间形成的二极管；p型探测阱306设置在两个埋氧层302的下方，p型探测阱306设置在中间的埋氧层302下方，读出电极309穿过埋氧层302连接p型探测阱，传输门电极308下方设有栅氧化层302a；高阻n型衬底303底部设有背部电极310。

实施步骤：

参考附图描述为示范性实施例。为了清楚地说明的目的，附图中实处的部分被简化或放大。特点层或区域的位置可以表示相对位置，但实际情况不一定与示意图中比例相同。

图1为已提出的埋p阱SOI像素结构。该结构包括低阻硅层(电路层)101、埋氧层102、高阻衬底103、埋p阱或埋n阱104、读出电极105、背部电极106。

图2为已提出的嵌套阱SOI像素结构。该结构包括低阻硅层(电路层)201、埋氧层202、高阻n型衬底203、埋p阱204、埋n阱205、读出电极206、埋n阱引出电极207、背部电极208。

图3是本发明提出的SOI像素结构。该包括低阻硅层(电路层)301、埋氧层302、栅氧化层302a、高阻n型衬底303、埋p阱304、埋n阱305、p型探测阱306、埋n阱引出电极307、传输门电极308、p型探测阱读出电极309、背部电极310。

图4-7关注于像素中阱的形成。步骤如下：

SOI材料选取或制备。包括低阻硅层(电路层)301、埋氧层302、高阻n型衬底303。低阻硅层(电路层)301厚度为40纳米，埋氧层302厚度约200纳米，高阻n型衬底303电阻率为1000Ω·cm(根据需求可以选其他规格1000Ω·cm～10000Ω·cm)。

形成埋p阱304、埋n阱304、p型探测阱306，采用掩膜(mask)光刻技术和离子植入法。

如图4所示，埋p阱304通过植入硼离子形成，例如能量为150kev剂量为7E11/cm2。

如图5所示，埋n阱305通过植入磷离子形成，例如能量为200kev剂量为5E12/cm2。

所述的埋p阱和埋n阱能量需要控制，使得掺杂浓度峰值位于埋氧层下方。

如图6所示，p型探测阱306通过植入硼离子形成，例如能量为60kev剂量为1E15/cm2。

形成传输门，如图7所示，采用刻蚀技术和干氧氧化，形成传输门栅氧化层302a，例如厚度10纳米，沟道区掺杂，通过植入磷离子调节传输门阈值，例如能量为10kev剂量为4E11/cm2。埋p阱304与p型探测阱306之间通过植入磷离子形成防串通掺杂区域，例如进行两次掺杂，能量分别为200kev和500kev剂量为2E12/cm2。

形成电极。淀积多晶硅，去掉多余部分，形成传输门电极308。通过刻蚀技术和填充，形成埋n阱引出电极307和p型探测阱读出电极309。背部采用欧姆金属接触形成背部电极310。

图8为本发明像素读出信号与收集电荷数量的关系曲线。转移曲线拥有很好的线性度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明。在不脱离本发明的实质和范围内，可做些许的调整和优化，本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims (2)

1.一种SOI像素探测器结构，包括低阻硅层(301)、埋氧层(302)、栅氧化层(302a)、高阻n型衬底(303)、埋p阱(304)、反偏埋n阱(305)、p型探测阱(306)、埋n阱引出电极(307)、传输门电极(308)、p型探测阱读出电极(309)和背部电极(310)；

其特征在于：所述高阻n型衬底(303)顶部的左右两侧各设有一个低阻硅层(301)，两个所述的低阻硅层(301)与高阻n型衬底(303)均由埋氧层(302)隔开；所述高阻n型衬底(303)左右两侧分别设有反偏埋n阱(305)；两个所述反偏埋n阱(305)分别与两个所述低阻硅层(301)位置上下对应，且所述反偏埋n阱(305)与所述低阻硅层(301)由所述埋氧层(302)隔开，所述反偏埋n阱(305)被加深的埋p阱(304)包围；埋n阱引出电极(307)穿过低阻硅层(301)、埋氧层(302)连接埋n阱（305）；两个所述反偏埋n阱(305)之间设有p型探测阱(306)，所述p型探测阱(306)上方设有埋氧层(302)，读出电极(309)穿过埋氧层(302)连接p型探测阱(306)；所述低阻硅层(301)下方的埋氧层(302)与所述p型探测阱(306)上方的埋氧层(302)中间通过传输门电极(308)隔开，传输门电极(308)下方设有栅氧化层(302a)；高阻n型衬底(303)底部设有背部电极(310)；

整个高阻n型衬底(303)耗尽为电荷灵敏区；所述埋n阱引出电极(307)连接电压以屏蔽高阻n型衬底(303)与低阻硅层(301)之间影响及反偏埋n阱(305)与埋p阱(304)之间形成的二极管；所述埋p阱(304)用于电荷收集和储存，所述p型探测阱(306)用于电荷探测，所述埋p阱(304)与所述p型探测阱(306)之间存在防串通掺杂区；

所述用于电荷探测的p型探测阱(306)小于用于电荷收集的埋p阱(304)。

2.根据权利要求1所述的一种SOI像素探测器结构，其特征在于：所述的埋p阱(304)、p型探测阱(306)替换为n阱，反偏埋n阱(305) 替换为p阱，此时，对应的衬底为p型。

CN201611094845.7A 2016-12-02 2016-12-02 一种soi像素探测器结构 Active CN106783900B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611094845.7A CN106783900B (zh) 2016-12-02 2016-12-02 一种soi像素探测器结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611094845.7A CN106783900B (zh) 2016-12-02 2016-12-02 一种soi像素探测器结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106783900A CN106783900A (zh) 2017-05-31
CN106783900B true CN106783900B (zh) 2020-08-11

Family

ID=58883718

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611094845.7A Active CN106783900B (zh) 2016-12-02 2016-12-02 一种soi像素探测器结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106783900B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109817736A (zh) * 2019-01-23 2019-05-28 杭州电子科技大学 一种串扰抑制和辐射加固的像素探测器

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4123415B2 (ja) * 2002-05-20 2008-07-23 ソニー株式会社 固体撮像装置
US7095066B2 (en) * 2004-01-08 2006-08-22 Eastman Kodak Company Process for making a CMOS image sensor
CN101707202B (zh) * 2009-11-20 2012-01-11 苏州东微半导体有限公司 半导体感光器件及其制造方法和应用
CN102522416B (zh) * 2011-12-30 2014-10-01 中国科学院上海高等研究院 图像传感器及其制造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SOI像素探测器的COB组装工艺初步研究;辛虹阳 等;《核电子学与探测技术》;20150620;第35卷(第6期);第607-611段 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106783900A (zh) 2017-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6485880B2 (ja) 2019-03-20 多数電流によって補助される放射線検出器デバイス
US10217780B2 (en) 2019-02-26 Solid-state imaging apparatus, method for manufacturing the same, and imaging system
JP5165588B2 (ja) 2013-03-21 可視光を検出するために最適化された半導体放射線検出器
CN100414720C (zh) 2008-08-27 像素式图像传感器
US8912034B2 (en) 2014-12-16 Method for manufacturing energy ray detection device
JP6351097B2 (ja) 2018-07-04 電磁波検出素子及び固体撮像装置
US9287319B2 (en) 2016-03-15 CMOS multi-pinned (MP) pixel
US9923017B2 (en) 2018-03-20 Monolithic active pixel radiation detector with shielding techniques
CN110581190B (zh) 2021-11-02 一种适应亚微米像素的utbb光电探测器、阵列和方法
US9899444B2 (en) 2018-02-20 Solid-state image capturing device and manufacturing method for the same
CN106783900B (zh) 2020-08-11 一种soi像素探测器结构
EP2579067B1 (en) 2019-01-09 X-ray detection apparatus and X-ray detection system
CN109904272B (zh) 2021-02-09 一种高转换增益和低串扰的像素探测器
JP7199013B2 (ja) 2023-01-05 光検出器
CN109817736A (zh) 2019-05-28 一种串扰抑制和辐射加固的像素探测器
CN119278673A (zh) 2025-01-07 半导体图像传感器装置

Legal Events

Date Code Title Description
2017-05-31 PB01 Publication
2017-05-31 PB01 Publication
2017-06-23 SE01 Entry into force of request for substantive examination
2017-06-23 SE01 Entry into force of request for substantive examination
2020-08-11 GR01 Patent grant
2020-08-11 GR01 Patent grant