具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器及其制備工藝制造技術

本發明專利技術公開了一種具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元及其制備工藝，該高效電荷轉移寄存器由至少兩個高效電荷轉移單元串聯而成，該高效電荷轉移單元設計采用了四相結構，各相之間的間隙為亞微米級，這種亞微米級的間隙能保證電荷轉移單元高效的進行電荷轉移。本發明專利技術提高信號電荷的轉移速度及轉移效率，同時也降低了柵極的電壓要求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術適用于各種成像
，特別是一種適用于微光成像、高速成像等領域的具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器及其制備工藝。
技術介紹
目前，由于光學光刻技術的限制，所以柵極間隙的寬度最小只能限制到微米級。一方面，這種寬度的間隙會改變通道區域的平帶電壓，因而會極大地提升通道的感生電動勢。結果，要想獲得高電荷轉移效率，就必須加很大的柵極電壓。而過大的柵極電壓則可能會擊穿通道，減少器件的壽命。Tompsett曾報道過，一個柵極間隙為2.5um的電荷轉移單元，在柵極電壓達到20V的條件下，電荷轉移效率才能達到0.9998。另一方面，這種寬度的柵極間隙也會極大的限制電荷的轉移速度，進而限制相機的幀速。最后，如果柵極間隙比較大，兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開，不能合并，電荷也不能從一個電極向另一個電極轉移，CCD便不能在外部時鐘脈沖的作用下正常工作。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器及其制備工藝，提高信號電荷的轉移速度及轉移效率，同時也降低了柵極的電壓要求。實現本專利技術目的的技術方案為:一種具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器，由至少兩個具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元串聯而成，該高效電荷轉移單元具有P型襯底與埋溝型N型溝道，在該N型溝道上鍍上氧化膜，在該氧化膜上制作形成四個間隙寬度為亞微米級的柵極，各柵極依次為第一柵極、第二柵極、第三柵極和第四柵極，在各柵極上鍍SiO2層，所有單元的第一柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第二柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第三柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第四柵極連通過金屬電極接在一起；每個高效電荷轉移單元的第一柵極、第二柵極、第三柵極和第四柵極各對應一相，即第一相、第二相、第三相、第四相，第一相、第二相、第三相、第四相起電荷轉移的作用。本專利技術與現有技術相比，其顯著優點為:在電荷轉移的過程中，由于柵極間隙下降到了亞微米級，故而在相鄰的柵極間的間隙區域下并未形成勢壘，故而相鄰的柵極下形成的勢阱能夠融合以實現電荷的轉移。并且，只需在相鄰的柵極間加很小的電勢差就可以消除在相鄰的柵極間的間隙區域下形成的勢阱，從而提高電荷轉移效率。下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細描述。附圖說明圖1是四相的具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元簡圖。圖2是電荷轉移效率與柵極間隙的曲線圖。具體實施例方式結合圖1，本專利技術具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器，由至少兩個具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元串聯而成，該高效電荷轉移單元具有P型襯底與埋溝型N型溝道，在該N型溝道上鍍上氧化膜，在該氧化膜上制作形成四個間隙寬度為亞微米級(可以為0.1-1um)的柵極，各柵極依次為第一柵極、第二柵極、第三柵極和第四柵極，在各柵極上鍍SiO2層，所有的第一柵極通過金屬電極連接在一起，所有的第二柵極通過金屬電極連接在一起，所有的第三柵極通過金屬電極連接在一起，所有的第四柵極連通過金屬電極接在一起，這樣就形成四相結構的具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元。每個高效電荷轉移單元的第一柵極、第二柵極、第三柵極和第四柵極各對應一相，即第一相、第二相、第三相、第四相，其中第一相、第二相、第三相、第四相起電荷轉移的作用。亞微米級間隙，即指兩個柵極的鄰近的邊緣之間的距離。本專利技術具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器，在各單元的四個柵極上加時鐘電壓，該電壓大小為柵極維持將電荷從一個像素轉移到下一個像素所必需的交替電勢匕如(XD97，工作在普通模式下時，轉移電壓高電平為8-13V，低電平為0V)，從而實現電荷轉移，首先第一柵極電壓為高，其他柵極電壓為低，接著第二柵極電壓為高，其他柵極電壓為低，然后第三柵極電壓為高，其他柵極電壓為低，最后第四柵極電壓為高，其他柵極電壓為低，就這樣電壓交替變化，就可實現電荷的定向轉移，所述的高是指交替電勢中的高電平，所述的低是指交替電勢中的低電平，即P型襯底電勢。本專利技術具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器制備工藝，步驟如下: (1)在P型硅片的表面注入濃度1.4X IO14Ix IO14的元素磷，形成N型薄層，下面的P型Si層作為高效電荷轉移單元的襯底，形成的N型薄層作為高效電荷轉移單元的埋溝型N型溝道，信號電荷在溝道中進行轉移，在P型襯底上引出源極，在埋溝型N型表面引出漏極； (2)在200 250keV條件下，向步驟(I)中溝道注入劑量為3XIO12 4X IO12CnT2的砷； (3)覆蓋在溝道上方的氧化層SiO2在1000°C的條件下生長到5(T60nm的厚度，這層SiO2是作為高效電荷轉移單元的柵極電介質； (4)在620°C條件下，在氧化層上沉積一層厚度為15(Tl80nm的多晶硅，這層多晶硅是為形成高效電荷轉移單元的柵極做準備； (5)用光學光刻和在氯氣和二氧化硅選擇比為20:1的條件下進行反應離子刻蝕，在多晶硅上形成初步的圖案，這種初步的圖案初步形成了高效電荷轉移單元的柵極與間隙的輪廓； (6)在10(Tl50keV條件下，同時在柵極、源極和漏極注入劑量2XIO15 3X IO15CnT2的砷以形成自校準結構； (7)在步驟(5)中的多晶娃層上沉積一個5(T60nm的化學沉積氣相二氧化娃層作為刻蝕掩蓋層，這個刻蝕掩蓋層是為在腐蝕SiO2層時防止多晶硅層被腐蝕或污染； (8)使用單層的正極性的PMMA光刻膠，在2(T30keV和InA電流的電子束條件下曝光，調整時鐘頻率以獲得單通道電子束的線寬，電子束的線寬即為高效電荷轉移單元的柵極間間隙，未被曝光的區域即形成高效電荷轉移單元的四個柵極； (9)顯影后，用CHF3/02腐蝕二氧化硅掩蓋面，用氯氣刻蝕多晶硅，經過氯氣刻蝕之后各柵極之間的多晶硅即被去除，高效電荷轉移單元的亞微米級間隙形成； (10)在高效電荷轉移單元的四個柵極上沉積一層50(T550nm厚的化學氣相沉積二氧化硅層，并且建立源極與漏極之間的連接點； (11)在高效電荷轉移單元的四個柵極上形成一層80(T900nm厚的TiW-Al金屬堆積層，作為柵極的金屬電極，這樣具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元就形成了 ； (12)按照上述步驟作一個以上具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元，由至少兩個高效電荷轉移單元串聯形成具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器。總的電荷轉移寄存器的電荷轉移效率與單個電荷轉移單元的電荷轉移效率呈指數關系，即總電荷轉移效率=CTEn，CTE為單個電荷轉移單元的電荷轉移效率，N為電荷轉移單元的個數。如圖2所示，若電荷轉移單元的間隙大于lum，電荷轉移效率會隨著柵極間隙的寬度增加而急劇下降，單個電荷轉移單元的轉移效率會降到99.99%以下甚至更低，這會導致整個電荷轉移寄存器的轉移效率達不到成像要求，而當柵極間隙寬度為亞微米級時，曲線相對較為平緩，且單個電荷轉移單元的轉移效率較大，一般大于99.99%，這就保證了整個電荷轉移寄存器的電荷轉移效率增加。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器，其特征在于由至少兩個具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元串聯而成，該高效電荷轉移單元具有P型襯底與埋溝型N型溝道，在該N型溝道上鍍上氧化膜，在該氧化膜上制作形成四個間隙寬度為亞微米級的柵極，各柵極依次為第一柵極、第二柵極、第三柵極和第四柵極，在各柵極上鍍SiO2層，所有單元的第一柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第二柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第三柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第四柵極連通過金屬電極接在一起；每個高效電荷轉移單元的第一柵極、第二柵極、第三柵極和第四柵極各對應一相，即第一相、第二相、第三相、第四相，第一相、第二相、第三相、第四相起電荷轉移的作用。

【技術特征摘要】
1.一種具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器，其特征在于由至少兩個具有亞微米級間隙的高效電荷轉移單元串聯而成，該高效電荷轉移單元具有P型襯底與埋溝型N型溝道，在該N型溝道上鍍上氧化膜，在該氧化膜上制作形成四個間隙寬度為亞微米級的柵極，各柵極依次為第一柵極、第二柵極、第三柵極和第四柵極，在各柵極上鍍SiO2層，所有單元的第一柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第二柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第三柵極通過金屬電極連接在一起，所有單元的第四柵極連通過金屬電極接在一起；每個高效電荷轉移單元的第一柵極、第二柵極、第三柵極和第四柵極各對應一相，即第一相、第二相、第三相、第四相，第一相、第二相、第三相、第四相起電荷轉移的作用。2.根據權利要求1所述的具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器，其特征在于在各單元的四個柵極上加時鐘電壓，該電壓大小為柵極維持將電荷從一個像素轉移到下一個像素所必需的交替電勢，從而實現電荷轉移，首先第一柵極電壓為高，其他柵極電壓為低，接著第二柵極電壓 為高，其他柵極電壓為低，然后第三柵極電壓為高，其他柵極電壓為低，最后第四柵極電壓為高，其他柵極電壓為低，就這樣電壓交替變化，就可實現電荷的定向轉移，所述的高是指交替電勢中的高電平，所述的低是指交替電勢中的低電平，即P型襯底電勢。3.一種具有亞微米級間隙的高效電荷轉移寄存器制備工藝，其特征在于步驟如下: (1)在P型硅片的表面注入濃度1.4X IO14 2X IO14的元素磷，形成N型薄層，下面的P型Si層作為高效電荷轉移單元的襯底，形成的N型薄層作為高效電荷轉移單元的埋溝型N型溝道，信號電荷在溝道中進行轉移，在P型襯底上引出源極，在埋溝型N型表面引出漏極； (2)在200 250keV條件下，向步驟(I)中溝道注入劑量為3XIO12 4X IO12...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何偉基，陳錢，顧國華，張聞文，廖發建，錢惟賢，隋修寶，任侃，屈惠明，黃強強，徐濛，陳云飛，于雪蓮，路東明，張玉珍，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：