一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用在粒子探測器、輻射探測器中的輻射探測器像素結(jié)構(gòu)。傳感器電荷收集電極為三維電極由重?fù)诫s硅溝槽構(gòu)成，每個(gè)像素電極由硅深溝槽結(jié)構(gòu)隔離開，傳感器電荷收集電極和像素隔離都為深溝槽結(jié)構(gòu)，且相等深度。傳感器電荷收集電極和襯底硅雜質(zhì)類型相反，即收集電極為P型，襯底硅為N型；收集電極為N型，襯底硅為P型；收集電極中雜質(zhì)濃度要比襯底硅濃度大6～7個(gè)數(shù)量級。本發(fā)明提出了一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)，有效提高像素對電荷的收集效率，改善了電荷收集時(shí)間，屏蔽了像素間串?dāng)_噪聲，且降低了傳感器反偏電壓，以及像素級功耗。
【專利說明】一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用在粒子探測器、輻射探測器中的輻射探測器像素結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]為高能物理實(shí)驗(yàn)建設(shè)新一代大型強(qiáng)子對撞機(jī)需要性能優(yōu)異的粒子探測器與之配合使用，新型粒子徑跡探測器是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)器件。硅像素探測器分為混合型(Hybrid)和單片集成式(Monolithic)兩大類。根據(jù)制造工藝的不同，單片集成式劃分為SOI,MAPS和DEPFET等三種類型。單片集成式硅像素探測器的發(fā)展是為了對混合型探測器進(jìn)行兩方面的改進(jìn):減少物質(zhì)量和降低造價(jià)。在高能物理實(shí)驗(yàn)中，減少物質(zhì)量的要求隨著未來直線對撞機(jī)ILC的籌劃而變得重要，而降低造價(jià)對所有的應(yīng)用都是非常重要的。
[0003]輻射探測器是通過收集帶電粒子與輻射粒子入射路徑周圍的硅原子發(fā)生電離反應(yīng)產(chǎn)生的非平衡載流子來檢測帶電粒子的。衡量其性能的關(guān)鍵參數(shù)包括分辨率、信噪比、讀出速度以及抗輻射能力等。為進(jìn)一步提高輻射探測器的信噪比和抗輻射能力，以及提高電荷收集效率和收集時(shí)間，需要對像素傳感器及傳輸管等結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對電荷收集機(jī)制和性能影響給出改進(jìn)方案。
[0004]S.1.Parkera和C.J.Kenneya等人在1997年提出三維(3D)電極陣列固態(tài)福射探測器(A proposed new architecture for solid-state radiation detectors.NuclearInstruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1997，395 (3): 328-343.)，該探測器電荷收集電極穿通整個(gè)器件硅體區(qū)。相對于普通CMOS傳感器，該3D電極結(jié)構(gòu)可以減少射線激發(fā)電子空穴擴(kuò)散距離和收集時(shí)間約一個(gè)數(shù)量級，且降低了器件外延層完全耗盡的反向偏壓。
[0005]Andrea Castoldi等人在娃漂移探測器中采用深P雜質(zhì)注入形成隔斷區(qū)域(Electron confinement in drift detectors by means of “channel-stop，，implants:characterization at high signal charges.Nuclear Science, IEEE Transactionson, 1996,43(6):3201-3206.)，以限制粒子激發(fā)的電子空穴對在指定的區(qū)域內(nèi)隨著電場方向而擴(kuò)散，從而達(dá)到像素隔離，降低像素間串?dāng)_噪聲。但該結(jié)構(gòu)需要多點(diǎn)電位控制，很難在CMOS像素傳感器中應(yīng)用。
[0006]Rhodes H Ε.等人研究發(fā)現(xiàn)(Image sensor using deep trenchisolation:European Patent EP1691418.2008-11-26.)，隨著圖像傳感器像素尺寸減小，像素間串?dāng)_越來越嚴(yán)重，P阱隔離效果已經(jīng)不再明顯，因此釆用深溝槽刻蝕結(jié)合P型雜質(zhì)注入形成像素隔離，且溝槽底部達(dá)到P+襯底。該方法可以有效切斷像素間電荷串?dāng)_途徑。但該結(jié)構(gòu)僅改善了粒子激發(fā)電荷在像素間的串?dāng)_，但并沒有從本質(zhì)上提高像素對電荷的收集效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種有效提高像素對電荷的收集效率的輻射探測器像素結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]傳感器電荷收集電極為三維電極由重?fù)诫s硅溝槽構(gòu)成，每個(gè)像素電極由硅深溝槽結(jié)構(gòu)隔離開，傳感器電荷收集電極和像素隔離都為深溝槽結(jié)構(gòu)，且相等深度。
[0010]傳感器電荷收集電極和襯底硅雜質(zhì)類型相反，即收集電極為P型,襯底硅為N型；收集電極為N型，襯底硅為P型；收集電極中雜質(zhì)濃度要比襯底硅濃度大6?7個(gè)數(shù)量級。
[0011]溝槽隔離結(jié)構(gòu)硅為重?fù)诫s。
[0012]溝槽隔離結(jié)構(gòu)由電極引出，作為傳感器的陰電極或陽電極，與傳感器的電極相反的電極都在SOI CMOS上表面引出，將各像素隔離分開。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
[0014]本發(fā)明提出了一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)，有效提高像素對電荷的收集效率，改善了電荷收集時(shí)間，屏蔽了像素間串?dāng)_噪聲，且降低了傳感器反偏電壓，以及像素級功耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是一種已有的SOI CM0S3X3像素的三維元胞結(jié)構(gòu)。
[0016]圖2是一種已有的SOI CM0S3X3像素的二維元胞截面結(jié)構(gòu)。
[0017]圖3是一種已有三維電極的3X3像素的三維元胞結(jié)構(gòu)。
[0018]圖4是一種已有三維電極的3X3像素加的二維元胞截面結(jié)構(gòu)。
[0019]圖5是本發(fā)明的SOI CM0S3X3像素的三維元胞結(jié)構(gòu)。
[0020]圖6是本發(fā)明的SOI CM0S3X3像素的二維元胞截面結(jié)構(gòu)。
[0021]圖7是一種已有的SOI CM0S3X 3像素加反向偏壓的二維元胞截面結(jié)構(gòu)。
[0022]圖8是一種已有三維電極的3X3像素加反向偏壓的二維元胞截面結(jié)構(gòu)。
[0023]圖9是本發(fā)明的一種SOI CM0S3X3像素加反向偏壓的二維元胞截面結(jié)構(gòu)。
[0024]圖10是本發(fā)明的輻射探測器結(jié)構(gòu)與已有的SOI CMOS像素傳感器、已有三維電極的像素傳感器的3X3像素下，最小電離粒子下目標(biāo)像素電極的電荷收集對比圖。
[0025]圖11本發(fā)明的輻射探測器像素結(jié)構(gòu)與已有的SOI CMOS像素輻射探測器、已有三維電極的像素傳感器的3X3像素，最小電離粒子下的各個(gè)像素電極的電荷收集對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0027]根據(jù)3個(gè)文獻(xiàn)對像素及其隔離技術(shù)的研究中存在的一些缺點(diǎn)，提出了一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)，有效提高像素對電荷的收集效率，改善了電荷收集時(shí)間，屏蔽了像素間串?dāng)_噪聲，且降低了傳感器反偏電壓，以及像素級功耗。
[0028]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0029]輻射探測器像素結(jié)構(gòu)。包括像素電極為三維電極由重?fù)诫sP(或N)型硅溝槽構(gòu)成，且每個(gè)像素由N(或P)型硅深溝槽結(jié)構(gòu)隔離開。傳感器電荷收集電極和像素隔離都為深溝槽結(jié)構(gòu)，且相等深度。
[0030]傳感器電荷收集電極和襯底硅雜質(zhì)類型相反，即收集電極為P型(或N型)，襯底硅為N型(或P型)，且收集電極中雜質(zhì)濃度要比襯底硅濃度大6?7個(gè)數(shù)量級。[0031]溝槽隔離結(jié)構(gòu)硅為重?fù)诫s，為保證傳感器反偏時(shí)，溝槽隔離結(jié)構(gòu)不被空間電荷區(qū)完全耗盡。
[0032]該溝槽隔離結(jié)構(gòu)由電極引出，作為傳感器的陰(或陽)電極，同陽(或陰)電極都在SOI CMOS上表面引出，且該陰(或陽)電極將各個(gè)像素隔離分開。
[0033]本專利結(jié)構(gòu)由于采用深溝槽電極和深溝槽隔離結(jié)構(gòu)，且兩者平行放置，可以充分利用娃體區(qū)空間，提聞傳感器對粒子激發(fā)電荷的收集效率，而且能有效屏蔽像素間電荷串?dāng)_噪聲，提高目標(biāo)像素電荷收集百分率。此外傳感器的背部由底部轉(zhuǎn)移到頂端，不僅降低傳感器封裝工藝難度，而且可同電子電路電源兼容，避免額外電源供給，降低傳感器整體功耗。
[0034]圖1和圖2給出了一種已有的SOI CM0S3X 3像素傳感器的三維元胞結(jié)構(gòu)及其二維截面示意圖(為更好顯示傳感器部分，頂層硅結(jié)構(gòu)沒有顯示)。由圖可看出，該像素結(jié)構(gòu)由硅體區(qū)101/201，淺P注入?yún)^(qū)102/202，收集電極103/203及背部電極104/204構(gòu)成。圖3和圖4給出了一種已有三維電極的3 X 3像素傳感器的三維元胞結(jié)構(gòu)及其二維截面示意圖。相比圖1和圖2，該三維電極結(jié)構(gòu)中的收集電極303/403由溝槽結(jié)構(gòu)形成。圖5和圖6給出了本發(fā)明的SOI CM0S3X3像素輻射探測器像素的三維元胞結(jié)構(gòu)及其二維截面示意圖。相比前兩種像素傳感器，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了 N型深溝槽隔離結(jié)構(gòu)505/605，該溝槽結(jié)構(gòu)為像素二極管中的陰極，由N型硅構(gòu)成，且將各個(gè)像素隔離分開。
[0035]本發(fā)明中的輻射探測器像素結(jié)構(gòu)，由于采用深溝槽電極和深溝槽隔離結(jié)構(gòu)，且兩者平行放置，可以充分利用硅體區(qū)空間，提高傳感器對粒子激發(fā)電荷的收集效率，而且能有效屏蔽像素間電荷串?dāng)_噪聲，提高目標(biāo)像素電荷收集百分率。此外傳感器的背部由底部轉(zhuǎn)移到頂端，不僅降低傳感器封裝工藝難度，而且可同電子電路電源兼容，避免額外電源供給，降低傳感器整體功耗。圖7、圖8和圖9給出了本發(fā)明SOI CM0S3X3像素輻射探測器同已有結(jié)構(gòu)電場分布圖。圖10給出了三者最小電離粒子下目標(biāo)像素電極的電荷收集對比圖，圖11給出了三者最小電離粒子下的各個(gè)像素電極的電荷收集對比圖?？梢?，本發(fā)明輻射探測器像素結(jié)構(gòu)可以有效提高電荷收集效率，改善像素間串?dāng)_噪聲。
[0036]上述為本發(fā)明特舉之實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明提供的深溝槽隔離輻射探測器像素結(jié)構(gòu)同樣適用于體硅CMOS像素傳感器。同樣，可以應(yīng)用在所有像素傳感器中，比如像素傳感器，粒子探測器，輻射探測器以及它們的變體。在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)，可做些許的調(diào)整和優(yōu)化，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)，傳感器電荷收集電極為三維電極由重?fù)诫s硅溝槽構(gòu)成，每個(gè)像素電極由硅深溝槽結(jié)構(gòu)隔離開，其特征在于:傳感器電荷收集電極和像素隔離都為深溝槽結(jié)構(gòu)，且相等深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:傳感器電荷收集電極和襯底硅雜質(zhì)類型相反，即收集電極為P型，襯底硅為N型；收集電極為N型，襯底硅為P型；收集電極中雜質(zhì)濃度要比襯底硅濃度大6?7個(gè)數(shù)量級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:溝槽隔離結(jié)構(gòu)硅為重?fù)诫s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輻射探測器像素結(jié)構(gòu)，其特征在于:溝槽隔離結(jié)構(gòu)由電極引出，作為傳感器的陰電極或陽電極，與傳感器的電極相反的電極都在SOI CMOS上表面引出，將各像素隔離分開。
【文檔編號】H01L31/09GK103928560SQ201410177611
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】王穎, 胡海帆, 蘭浩, 于成浩, 魏佳童 申請人:哈爾濱工程大學(xué)