一种单片集成紫外图像传感器及其像素单元以及制备方法 【技术领域】
本发明是关于图像传感器技术，具体涉及一种单片集成紫外图像传感器及其像素单元，以及紫外图像传感器制备方法。
背景技术
紫外(UV)探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的一种新型光电探测技术。其应用非常广泛，从高能物理研究到空间探测，从皮肤病变细节观察到癌细胞、微生物、血色素、白血球、红血球、细胞核等医学和生物学的检测，从白天弱光源条件下的灾害报警到航空遥感监测有机污染；从卫星紫外通讯到军事上的光电对抗和红外/紫外双波段制导等都离不开先进的紫外探测技术。
当前人们对紫外探测技术和器件的需求日益增长。先进紫外探测多采用光电倍增管配备昂贵的光学滤色片，其灵敏度受滤光片透过率和光阴极量子效率的限制，同时其体积与重量大，工作电压高，光阴极量子效率低。而且，光电倍增管为电探测，需扫描成像。而背侧减薄的硅基CCD(光电转换式图像传感器)，对可见光的灵敏度非常高，而对紫外光的灵敏度非常低，尤其对真空紫外，可见光对其影响也很大。此外，CCD低暗电流较大。为了抑制暗信号，CCD必须在低温下工作，这样就加大了技术难度与成本。再加之CCD的耐辐照性能很差，这不但会造成图像质量的下降，而且还会影响通道的电荷收集效率，带来阵列空间相应不均匀。
紫外传感器经历了从紫外光电倍增管到紫外线列多元传感器，再到紫外图像传感器件的发展历程。紫外图像传感器不仅是现代航天技术等高端应用必需的核心器件，也可按需要发展成一般的低端民用产品。尽管目前真空紫外成像器件在紫外天文方面处于主导地位，但由于内在的巨大优势，固体紫外摄像器件的普及已是大势所趋。为此，寻找和开发新型的半导体材料和应用，以及新的集成技术是固体紫外图像传感器发展的重要方向。同时，由于紫外信号通常比较微弱，因此，开发新型的具有高灵敏度的紫外传感器件也是紫外探测技术的关键之一。
【发明内容】
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种单片集成的灵敏度和分辨率高的紫外图像传感器结构及其象素单元，以及紫外图像传感器的制备方法。
本发明的技术方案是：
一种紫外图像传感器，包括行扫描/驱动电路、列信号读出/驱动电路和像素阵列，其特征在于，所述像素单元包括信号放大器电路和光探测元件，所述图像传感器的行扫描/驱动电路、列信号读出/驱动电路和像素单元的信号放大器电路均采用硅CMOS技术制作，同步集成于同一衬底，且光探测元件位于信号放大器电路之上，所述光探测元件与所述信号放大器电路之间设有介质隔离层，两者通过上述介质隔离层的通孔实现电连接。
所述光探测元件为光敏电阻、肖特基二极管、pn结二极管或薄膜晶体管。
所述光探测元件的半导体有源层为禁带宽度大于3eV的金属氧化物半导体薄膜或其它化合物半导体薄膜。
一种紫外图像传感器的像素单元结构，其特征在于，包括信号放大器电路和光探测元件，其中，信号放大器电路集成于紫外图像传感器的衬底上，而光探测元件位于放大器电路之上，所述光探测元件与所述放大器电路之间设有介质隔离层，两者通过上述介质隔离层的通孔实现电连接。
一种紫外图像传感器的制备方法，其步骤包括：
1)在硅衬底上，采用标准CMOS工艺制作行扫描/驱动电路、列信号读出/驱动电路、像素单元的信号放大器电路，制备工艺持续到金属化和隔离层淀积；
2)采用化学机械抛光(CMP)技术对介质隔离层进行平坦化处理；
3)采用CMOS工艺的互联技术在平坦化的介质隔离层上形成金属塞，作为像素单元的信号放大电路与光探测元件的电连接体；
4)在平坦化后的介质层上进行光探测元件的制作，制得紫外图像传感器。
所述步骤4)的光探测元件如是薄膜晶体管，其制作步骤包括：
1)在经过CMP后的隔离层上淀积一层金属薄膜，然后光刻和刻蚀形成薄膜晶体管的栅电极；
2)淀积一层绝缘介质膜作为薄膜晶体管的栅介质；
3)用淀积生长一层宽禁带半导体薄膜，然后光刻和刻蚀形成薄膜晶体管的有源区；
4)光刻和刻蚀栅绝缘介质层形成与下层布线连接的接触孔；
5)光刻后淀积一层导电薄膜，并采用剥离技术形成薄膜晶体管的源漏电极，该源漏电极通过接触孔与下层连线相连；
6)淀积一层可透紫外光的钝化层，并光刻和刻蚀给出引线端子。
制备薄膜晶体管的步骤1)的栅电极薄膜的图形加工也可采取剥离的方法。
制备薄膜晶体管的步骤3)的半导体薄膜的图形加工也可采用剥离的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明紫外图像传感器与其它固体紫外传感器相比，拥有三大优点：(1)像素传感器单元本身内置了信号读出/放大器电路，可实现高灵敏度和高分辨率探测；(2)像素传感器单元与扫描/读出/驱动电路可同步集成于同一芯片，即“单片集成”。“单片集成”使得传感器具有性能更高、成本更低、体积/重量更小，可靠性更高等优点。另外，单片集成是完全基于成熟的硅基CMOS技术，因此发展空间巨大；(3)光探测元件可采用三端器件地薄膜晶体管。迄今发明的光探测元件均为两端器件。薄膜晶体管器件在一定的偏置下具有信号放大功能，因此具有更高的灵敏度。
【附图说明】
图1a是本发明紫外图像传感器的像素单元结构示意图；
图1b是本发明紫外图像传感器的平面示意图；
图2是紫外图像传感器的读出/驱动电路和放大器电路加工工工艺示意图；
图3是隔离层淀积和化学机械抛光(CMP)以及金属塞现成的工艺示意图；
图4是紫外图像传感器的探测元件形成的工艺示意图；
图5是像素单元的光探测元件的栅电极形成的工艺步骤图；
图6是像素单元的光探测元件的栅介质形成的工艺步骤图；
图7是像素单元的光探测元件的有源区形成的工艺步骤图；
图8是像素单元的光探测元件的源漏电极接触孔形成的工艺步骤图；
图9是像素单元的光探测元件的源漏电极形成的工艺步骤图；
图10是像素单元的光探测元件的沟道区钝化层现成的工艺步骤图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
参考图1，本发明紫外图像传感器包含行扫描/驱动电路、列信号读出/驱动电路、像素阵列。像素单元含有信号放大器电路和光探测元件。信号放大器电路具有信号读取、放大和处理功能。所述行扫描/驱动电路、列信号读出/驱动电路、像素单元的信号放大器电路均采用硅CMOS技术制作，同步集成于同一硅衬底。像素单元的信号放大器电路与光探测元件不在同一平面。放大器电路形成于硅衬底，处于底部，而光探测元件形成于放大器电路之上。光探测元件与放大器电路之间由介质层隔离，通过介质隔离层上的通孔实现电连接。光探测元件为下列器(元)件中的一种：光敏电阻、肖特基二极管、pn结二极管和薄膜晶体管。光探测元件的光敏材料为禁带宽度大于3eV的金属氧化物半导体薄膜或其它半导体薄膜。
本发明紫外图像传感器制作方法的一具体实施例，包括图2至图5：
(1)如图2所示，采用单晶硅圆片为衬底1。在硅衬底上，采用标准CMOS工艺制作行扫描/驱动电路、列信号读出/驱动电路2和像素单元的放大器电路3。制备工艺持续到金属化，即形成器件和电路间的互联线40、41、42等。然后淀积300～600纳米二氧化硅作为介质隔离层5。
(2)采用化学机械抛光(CMP)技术对介质隔离层进行平坦化处理。
(3)如图3所示，采用CMOS工艺的互联技术在平坦化的介质隔离层5上形成金属塞6，作为放大器电路3与光探测元件的电连接体。
(4)如图4所示，在平坦化后的介质层5上进行光探测元件7的制作。
光探测元件7制备工艺的具体内容取决于光探测元件的类型，如探测元件是光敏电阻、肖特基二极管、pn结二极管等两端器件，则其制备方法为常规方法。在光探测元件为薄膜晶体管的情况下，其制作步骤包括：
(1)如图5所示，在经过CMP后的介质隔离层5上磁控溅射淀积一层50～200纳米厚的金属Al薄膜，然后光刻和刻蚀形成晶体管的栅电极4。该栅电极4通过介质隔离层上的金属塞6与底部放大器电路的相应的金属布线40相连。
(2)如图6所示，用磁控溅射方法淀积一层100～300纳米厚的HfO2绝缘介质膜8，作为晶体管的栅介质。
(3)如图7所示，采用射频磁控溅射方法淀积一层20nm～150nm的MgxZn(1-x)O(一种宽禁带的金属氧化物半导体，x＝0～0.35)，然后光刻和刻蚀形成晶体管的有源区9。
(4)如图8所示，光刻和刻蚀栅绝缘介质层8形成晶体管源漏与下层布线41、42连接的接触孔61、62。
(5)如图9所示，光刻后溅射一层50～200纳米厚的金属Al薄膜，然后采用剥离技术形成晶体管的源电极10和漏电极11。
(6)如图11所示，淀积一层20～300纳米厚的高纯度二氧化硅钝化层100(高纯净的二氧化硅不吸收紫外线)，并光刻和刻蚀给出引线端子，并进入后端工艺和封装。
其中，栅电极薄膜的图形加工可采取剥离的方法，同时，ZnMgO薄膜的图形加工也可采用剥离的方法。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的紫外图像传感器、其像素单元及制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。