[发明专利]一种固态成像探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种固态成像探测器件，尤其是基于CMOS工艺制造的非挥发性存储器结构的固态成像探测器件，可应用于摄像机、数码相机、掌上电脑、手机、PDA等产品中作为图像传感器。 

背景技术

现在广泛运用的固态成像器件主要有两类：电荷耦合器件（CCD）和CMOS 有源像素传感器(APS)。虽然CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，但存在成本高、集成度低、功耗大且需要多种电源的缺点；而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的优点，但也存在灵敏度不高和噪声较大的问题。由此可见CCD和CMOS APS成像器件都各有优缺点。除了CCD和CMOS APS以外，基于非挥发性存储器结构的固态成像器件也已经被提出。该器件的工作原理是在利用MOSFET结构的存储器的沟道区域形成光电转换区，当光照射到光电转换区产生光生电子和空穴对，产生的光电子在栅极电场的作用下注入到存储器的存储层中并存储起来，使存储型成像器件的阈值电压发生变化，最后通过读出器件的电流大小判定光照的大小。与CCD和CMOS-APS相比，存储器结构的成像器件兼具CCD和CMOS-APS的优点，但又克服了它们的很多弱点，其特点和优越性包括：器件面积小；生产工艺与CMOS工艺兼容，成本低；漏电流低，成像速度比CCD快；对工艺缺陷不敏感；动态范围大；支持多次读出。然而提出的这些存储器结构的成像器件主要都是利用栅极下方的源、漏极之间的沟道区域作为光电子的产生和收集区。当入射光子的能量很大比如在紫外光波段，器件存储层上的电荷可能会获得足够的能量而从存储层中逃逸，或者器件衬底或栅极的电子会直接进入存储层，改变存储层中的电荷量和电荷分布，从而影响了探测精度。 

发明内容

技术问题：本发明提出一种基于MOSFET存储器结构的固态成像探测器，尤其是利用MOSFET存储器的源区作为光电转换区，并将产生的光电子转移到栅极下方的沟道区域，并进一步将转移来的光电子注入到存储器的存储层中而改变器件的阈值电压，最后读出探测器的漏极电流来确定所探测到的光的强度。 

技术方案：本发明的固态成像探测器是一种共用源区的双MOSFET存储器结构的成像探测器，探测器单元的构成是：在基底P型半导体硅材料上方的两侧设有重掺杂的N型半导体区域，分别构成探测器的两个漏区，基底P型半导体硅材料上方的中央设有重掺杂的N型半导体区域，构成探测器的源区，上述两个漏区和共用的源区之间基底的正上方依次分别设有隧穿氧化层、光电子存储层、阻挡绝缘介质层和控制栅极，控制栅极的上方覆盖有光阻挡层；探测器的源区和漏区的大小不对称，漏区面积相对源区较小，且漏区表面被金属硅化物所覆盖，防止光照入漏区；探测器的源区面积较大，为探测器的光电转换区；探测器的源区采用N+注入形成的埋层构成，源区半导体表面没有被金属硅化物所覆盖；探测器的两个漏区和共用的源区之间分别形成两个MOSFET结构的存储管；从控制栅极往下到基底层没有对探测光波透明的或半透明的窗口，而在源区的上方设有对光波透明的或半透明的窗口。 

探测器的光电子存储层是多晶硅、Si₃N₄；隧穿氧化层是SiO₂、Al₂O₃，等效SiO₂的厚度为4～7nm；阻挡绝缘介质层是SiO₂、SiO₂/ Si₃N₄/SiO₂复合层、Al₂O₃，等效SiO₂的厚度为8～20nm；控制栅极是多晶硅、金属。 

所述探测器单元采用多个，以典型的NOR型存储阵列架构构成大规模成像阵列，一个NOR阵列上相邻的两个存储管单元共用一个源区，构成一个探测器单元；源区面积较大，由N+注入的埋层构成，源区作为每个探测器单元的光电转换区。