CN103125009A

CN103125009A - Cmos成像器的带电粒子收集器

Info

Publication number: CN103125009A
Application number: CN2011800402663A
Authority: CN
Inventors: 丹·韦斯利·奇尔科特; 威廉·J·巴尼; 约翰·理查德·特罗克塞尔
Original assignee: AN LISHI
Current assignee: AN LISHI
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-05-29
Also published as: WO2012009242A3; US20120012958A1; CA2805283A1; WO2012009242A2; KR20130135232A; AU2011279438A1; EP2593956A2; RU2013106509A; JP2013531349A; US8482090B2

Abstract

提供了带电粒子感应设备和形成带电粒子感应设备的方法。带电粒子感应设备包括带电粒子源，用于接收第一部分带电粒子的多个收集器电极，以及在多个收集器电极周围形成的并与多个收集器电极间隔的网格。网格接收第二部分带电粒子并将响应于所述第二部分所生成的反向散射的带电粒子定向到相邻的收集器电极。

Description

CMOS成像器的带电粒子收集器

技术领域

本发明涉及，一般而言，带电粒子感应设备，更具体而言，涉及用于收集带电粒子以及用于降低收集器结构之间的串扰的带电粒子收集器。

背景技术

感应高能量带电粒子的带电粒子检测器已为大家所熟知，并用于诸如质谱分析法、离子显微术以及夜视之类的各种应用。一种常见的带电粒子检测器包括微通道板（MCP），以增大带电粒子的数量（通过生成辅助带电粒子）以及荧光屏幕，以检测增强的带电粒子。另一种常见的带电粒子检测器包括固态有效像素传感器，该传感器通常包括收集器电极以收集多个像素的进入的带电粒子。像素传感器检测收集到的带电粒子并集成电荷。然后，通过扫描像素来读出信号电荷，以生成带电粒子图像。

使用高能量带电粒子的后果是在与检测器的表面相撞之后某些带电粒子可能反向散射的可能性。反向散射的粒子可以在信号和空间分辨率中产生损耗。对于固态有效像素传感器，收集器电极通常彼此电气隔离，诸如通过介电材料。电气隔离的后果是，暴露在收集器电极之间任何介电材料可以在带电粒子的轰击过程中收集电荷，并在像素之间产生串扰。电气隔离的另一个后果是，固态像素传感器的填充因子（即，总的带电粒子收集表面积与由像素阵列占据的总的相邻区域的比）可以降低，通常降低到小于大约90%。

发明内容

本发明涉及带电粒子感应设备。带电粒子感应设备包括带电粒子源，用于从源接收第一部分带电粒子的多个收集器电极，以及在多个收集器电极周围形成的并与多个收集器电极间隔的网格。网格从源接收第二部分带电粒子并将响应于所述第二部分所生成的反向散射的带电粒子定向到相邻的收集器电极。

本发明还涉及包括带电粒子源和用于从源接收带电粒子的带电粒子收集表面。带电粒子收集表面包括多个收集器电极和在多个收集器电极周围形成并与多个收集器电极间隔的网格。网格与多个收集器电极中的一个包括与带电粒子收集表面间隔的凸起边缘。

本发明进一步涉及形成带电粒子感应设备的方法。该方法包括将多个收集器电极安置在带电粒子收集表面上以及将网格安置在带电粒子收集表面上。在多个收集器电极周围形成网格并使该网格与多个收集器电极间隔。

附图说明

通过与附图一起阅读的下列详细描述，可以理解本发明。包括下列图形：

图1是根据本发明的示例性实施例的带电粒子感应设备的示意图；

图2A是根据本发明的示例性实施例的图1所示出的成像器的一部分的截面图；

图2B是根据本发明的示例性实施例的图2A所示出的粒子收集结构的截面图，示出了入射以及反向散射的带电粒子的收集；

图3A、3B、3C是示出了根据本发明的示例性实施例的图2所示出的成像器的制造的部分截面图；

图4A和4B是示出了根据本发明的另一个示例性实施例的成像器的制造的部分截面图；

图5A、5B和5C是示出了根据本发明的进一步的示例性实施例的成像器的制造的部分截面图；

图6A、6B、6C和6D是示出了根据本发明的进一步的示例性实施例的成像器的制造的部分截面图；以及

图7A、7B、7C、7D、7E、7F、7G、7H、7I、7J和7K是示出了根据本发明的进一步示例性实施例的成像器的制造的部分截面图。

具体实施方式

本发明的各方面涉及具有带电粒子收集结构的带电粒子感应设备以及收集带电粒子的方法。根据示例性实施例，带电粒子收集结构包括多个收集器电极以及在多个收集器电极周围形成并与多个收集器电极间隔的网格。网格可以向收集器电极之间的隔离区域提供屏蔽。收集器电极收集入射带电粒子的一部分。网格接收入射的带电粒子的再一个部分。由网格接收到的带电粒子被从收集器电极之间的隔离区域引导离开。由网格所生成的任何反向散射的带电粒子被定向回到网格或相邻的收集器电极。

示例性收集器电极可以带有不均匀的形状，并可以包括一个或多个井，收集反向散射的带电粒子。本发明的收集结构收集反向散射的带电粒子，并可以降低收集器电极和网格之间的介电材料向入射的和/或反向散射的带电粒子的暴露。本发明的收集结构还可以增大传感器的填充因子，以便填充因子可以大于90%。本发明的带电粒子感应设备可以用于，例如，用于质谱分析法，包括次级离子质谱分析法（SIMS）、电子显微技术、夜视、医学和生命科学仪器及涉及低照度成像区域的其他应用。

参考图1，示出了一般表示为100的带电粒子感应设备。设备100可以用作，例如，图像增强器。设备100包括具有输入端102a和输出端102b的光电阴极102。设备100还包括成像器106，该成像器106包括带电粒子收集表面106a。设备100还可以包括微通道板（MCP）104，该微通道板包括输入端104a和输出端104b。MCP104被安置在形成在包括光电阴极102和成像器106的外壳（未示出）中的真空间隙118内。

虽然MCP104被示为安置在光电阴极102和成像器106之间，但是，可以理解，可以省略MCP104。虽然示出了光电阴极102，但是，可以理解，光电阴极102可以被替换为阴极，其中，阴极提供带电粒子源。

成像器106可以是能够检测带电粒子的任何类型的固态传感器。例如，成像器106可以包括互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器。如下面参考图2A-7K进一步描述的，带电粒子收集表面106a包括多个收集结构，这些收集结构收集入射带电粒子并为反向散射的电极提供电气返回路径。

在操作中，来自图像110的光112通过光电阴极102的输入端102a进入设备100。光电阴极102改变进入诸如从光电阴极102的输出端102b输出的电子之类的带电粒子114中的光112。带电粒子114，退出光电阴极102，通过MCP104的输入表面，进入通道104c。在带电粒子114轰击MCP104的输入表面104a之后，在MCP104的多个通道104c内生成辅助带电粒子。MCP104可以为通过输入表面104a进入的每个带电粒子在每个通道104c中生成几百个带电粒子。如此，从通道104c退出的带电粒子116的数量可以比进入通道104c的带电粒子114的数量大得多。增强数量的带电粒子116通过MCP104的输出端104b从通道104c退出，并撞击成像器106的带电粒子收集表面106a。成像器106的输出可以存储在寄存器中，然后，传输到读出寄存器，被放大并显示在视频显示器108上。

参考图2A和2B，示出了具有粒子收集结构200的成像器106。具体而言，图2A是成像器106的一部分的截面图；而图2B是粒子收集结构200的一部分的截面图，示出了入射的和反向散射的带电粒子的收集。

成像器106包括在衬底202中形成的像素电路204和在带电粒子收集表面106a上形成的粒子收集结构200。成像器106还可以包括在衬底202和粒子收集结构200之间形成的介电层206。粒子收集结构200包括与相应的像素电路204相关联的带电粒子收集器电极210，以及网格212。收集器电极210通过连接器208电连接到相应的像素电路204。每个像素电路204都可以包括被配置成检测从相应的收集器电极210接收到的带电粒子并集成电荷的一个或多个晶体管（未示出）。网格212起作用以收集不入射到收集器电极210的带电粒子并为它们提供电气返回路径。在网格212和介电层206之间形成隔离区域，其中，网格212可以提供屏蔽以防止入射带电粒子进入此隔离区域。

每个收集器电极都210包括入射表面，包括凹陷的表面210a，凸起的表面210b和侧壁210e。另外，收集器电极210包括与带电粒子收集表面106a间隔的凸起边缘210c。此外，如下文所进一步描述的，收集器电极210包括用于收集来自网格212的反向散射的电极的侧表面210d。相应地，可以理解，以不均匀的形状形成收集器电极210。虽然入射表面210a、210b、210c被示为形成矩形形状的井，但是，可以理解，侧壁210e可以包括斜面，以便入射表面210a、210b，210c形成梯形形状的井。对于梯形形状的井，底表面（即，凹陷的表面210a）的尺寸可以小于顶表面（即，凸起的表面210b）的尺寸。

网格212围绕收集器电极210，并与收集器电极210的侧壁210d和凸起边缘210c被间隙214间隔（间隙214包括水平和垂直间隙），凸起边缘210c是在网格212上方形成的。由于收集器电极210和网格是在介电层206上形成的并被间隙214间隔，因此，收集器电极210和网格212彼此电气隔离。由于网格212被定位在收集器电极210之间，因此，较少的反向散射的带电粒子可以被定向到介电层206。相应地，像素之间的串扰可以降低。

衬底202可以包括任何合适的半导体衬底，诸如，但不仅限于硅。介电层206可以包括任何合适的电气隔离材料，包括，但不仅限于，玻璃、陶瓷，以及金属氧化物。收集器电极210和网格212可以包括任何合适的导电材料，包括，但不仅限于铝、铜和金。

在操作中，进入的带电粒子的部分220撞击收集器210的入射表面（例如，凹陷的表面210a、凸起的表面210b或侧壁210e），并通过连接器208作为收集的粒子222被收集，以通过相应的像素电路204的晶体管产生信号。

进入的带电粒子的再一个部分224可以在收集器电极210之间传递，并与间隙214中的网格212碰撞。部分224与网格212的冲突可以生成反向散射的带电粒子226。反向散射的带电粒子226可以通过间隙214传播，并由相邻的收集器电极210通过侧壁210d和/或凸起边缘210c收集。一般而言，通过侧壁210d和/或凸起边缘210c收集到的反向散射的带电粒子226的量可以通过凸起边缘210c的水平方向的任何重叠以及侧壁210d和网格212之间的垂直间隙控制。

进入的带电粒子的附加部分228可以与凹陷的表面210a碰撞，并生成反向散射的带电粒子230。由于收集器电极210包括井，反向散射的带电粒子230可以由收集器电极210的侧壁210e收集。一般而言，反向散射（诸如从部分224和228）的可能性与收集器电极210的材料属性、带电粒子的冲击能，以及带电粒子的入射角相关联。

可以理解，填充因子还可以通过收集器电极210的分离来控制。由于收集器电极210包括凸起边缘210c，收集器电极210在一起可以被较近地间隔。相应地，填充因子可以增大，例如，大于90%。

接下来参考图3A-C，示出了成像器106的部分截面图，示出了用于制造粒子收集结构200的过程。如图3A所示，为衬底202中的每个像素形成像素电路204。可以在衬底202上方形成介电层206。可以形成连接器208，以穿透介电层206和衬底202，并向相应的像素电路204提供信号。然后，在介电层206上形成网格212，以便网格212被定位在像素电路204之间。

参考图3B，形成并图案化牺牲材料302以封闭网格212。牺牲材料302可以是任何合适的材料，包括，但不仅限于，聚合物、金属或半导体材料。沉积并图案化导电层，以形成收集器电极210，并在对应于网格212的区域暴露牺牲材料302。形成收集器电极210以通过连接器208电连接到相应的像素电路204。

参考图3C，例如，使用干燥或湿法蚀刻过程，去除牺牲材料302。去除牺牲材料302会在收集器电极210和网格212之间产生间隙214，如此，形成成像器106的粒子收集结构200。

本领域技术人员根据此处的描述可以理解像素电路204、介电层206、连接器208、网格212和收集器电极210的形成。

接下来参考图4A和4B，示出了包括粒子收集结构400的成像器106'的部分截面的图，示出了用于制造成像器106'的过程。如图4A所示，在衬底202上形成介电层206之后，将多个井402蚀刻或图案化为介电层206的顶表面。另外，如上文参考图3A所描述的，在像素电路204之间，在介电层206上形成网格212。

虽然图4A示出了作为矩形井的井402，但是井402也可以作为诸如倒金字塔之类的其他几何形状。在此情况下，倒金字塔的底在介电层206的顶表面可以是正方形，以便在介电层206中形成的壁从基底延伸，以形成倒金字塔的顶点。根据本发明的示例性实施例，井402可以在大约1-2μm之间横向地间隔，并可以具有大约1-2μm之间的深度。可以理解，一般而言，井402的间隔和深度可以取决于收集器电极210'的几何形状。

参考图4B，导电层被置于介电层206上，以形成收集器电极210'。由于在介电层206中形成井402，因此，随后在收集器电极210'中形成对应于井402（相对于它们的位置和形状）的井404。如此，可以在收集器电极210'中形成井404，而不会对收集器电极210'进行任何进一步的蚀刻。例如，如果井402是作为倒金字塔形成的，随后的井404也可以作为倒金字塔形成。由金字塔所提供的斜面可以将更多的反向散射的带电粒子偏转到收集器电极210'中。

可以理解，井402，404可以为反向散射的带电粒子提供陷阱。虽然在图4A和4B中未示出，也可以在网格212上形成牺牲材料（如上文参考图3B和3C所讨论的），以形成间隙214，如此，形成成像器106'的粒子收集结构400。虽然在图4B中未示出，但是，收集器电极210'也可以在顶表面上包括凹陷的区域（诸如图2A所示出的凹陷的表面210a）。

接下来参考图5A-5C，示出了具有粒子收集结构500的成像器106''的部分截面图，示出了用于制造粒子收集结构500的过程。如图5A所示，在介电层206上形成收集器电极510以对应于相应的像素电路204。另外，在介电层206上形成网格212以围绕收集器电极510并与收集器电极510间隔。

参考图5B，在收集器电极510上形成牺牲材料502。还蚀刻或图案化牺牲材料502以形成对应于网格212的区域503。

参考图5C，在区域503中形成导电层504，以便导电层504连接到网格212。还图案化或蚀刻导电层504，以在对应于收集器电极510的区域暴露牺牲材料502。然后，去除牺牲材料502，以形成成像器106"的粒子收集结构500。

在成像器106"，导电层504和网格212形成势垒512，在势垒512和收集器电极510之间形成间隔514。势垒512带有大于收集器电极510的厚度的厚度，以便势垒512在收集器电极510上方被间隔。由于导电层504的宽度大于网格212，因此，导电层504重叠收集器电极410。粒子收集结构500类似于粒子收集结构200（图3C），只是势垒512包括在收集器510上方延伸并在垂直于收集表面106a的方向与收集器510的凸起边缘重叠。

虽然在图5C中未示出，但是，收集器电极510可以包括凹陷的表面（诸如如图2A所示的凹陷的表面210a，）和/或井（诸如如图4B所示的井404）。

接下来参考图形6A-6D，示出了包括粒子收集结构600的成像器106"'的部分截面图，示出了用于制造粒子收集结构600的过程。如图6A所示，在像素电路204之间的区域中在介电层206上形成网格212。

如图6B所示，在网格212上方如图3B所描述的那样形成牺牲材料302。另外，导电层被置于对应于像素电路204的区域中的介电层206中，并被图案化或蚀刻以形成带有凹陷的表面210a的收集器电极210。

参考图6C，进一步的牺牲材料602被安置在收集器电极210之间的牺牲材料302上方。然后，在交错的收集器电极210上方形成导电层604。可以图案化或蚀刻导电层604以形成凹陷的表面604A。

参考图6D，去除牺牲材料302和602，以形成成像器106"'的粒子收集结构600。结构600包括网格212和收集器电极210和610。收集器电极210和610彼此交错，其中，收集器电极610具有比收集器电极210更大的厚度。去除牺牲材料302和602会在相应的收集器电极210和610之间形成间隙214和614。

由于收集器电极210和610具有交错的厚度（即，交错的高度），因此，收集器电极210和610可以基本上重叠以消除大多数区域，其中，带电粒子可以收集在电极之间（即，在间隙214和614中）。另外，收集器电极210和610之间的重叠增大可能会产生大约100%的填充因子。

接下来参考图7A-7K，示出了包括粒子收集结构722的成像器700的部分截面图，示出了用于制造粒子收集结构722的过程。如图7A所示，成像器700通过在衬底701上安置一般表示为层702的多个交错的金属和介电层。层702可以包括通道（V）、例如，V1、V2和V3，以及导电连接器（M），例如，M1和M2，用于从相应的收集器电极722（图7K）向相应的像素电路703提供信号。在示例性实施例中，层702中的介电材料包括二氧化硅。一般而言，介电材料可以包括，而不仅限于，二氧化硅、四氮化三硅，或适于后段制程（BEOL）过程的任何介电材料。在层702上定义并形成网格704和导电层706。在对应于相应的像素电路703的区域形成导电层706。形成网格704以围绕导电层706并与导电层706间隔。

参考图7B，在网格704和导体层706上沉积介电层708，用于电气隔离。如此，网格704被介电层708与导电层706间隔。根据一个示例性实施例，介电层708可以由不同于层702和安置在介电层708上方的任何介电层（诸如图7D所示出的介电层710）中的介电材料的介电材料组成。例如，层702和710的介电材料可以包括二氧化硅，而层708的介电材料可以包括四氮化三硅。

参考图7C，蚀刻或平面化介电层708以暴露网格704和导电层706。如此，在网格704和导电层706之间的区域中形成介电层708。

参考图7D，在网格704、导电层706和介电层708上方沉积介电层710。参考图7E，在集电区712去除介电层710的某些部分，以便介电层710在带有倾斜的或阶梯式的轮廓的集电区712包括侧壁。

参考图7F，在集电区712内在介电层710上沉积导电层714，并使其耦合到导电层706。还图案化或蚀刻导电层714以产生集电区713。另外，定义介电层710的区域715以暴露介电层710。

参考图7G，在导电层714和介电层710上方沉积介电层716。参考图7H，在集电区712'去除介电层716的某些部分，以便介电层716在带有倾斜的或阶梯式的轮廓的集电区712'包括侧壁。在图7H中，介电层710和716的组合被称为介电层718。

参考图7I，在集电区712'内在介电层718上沉积导电层720，并使其耦合到导电层714。还图案化或蚀刻导电层720以产生集电区713'。另外，定义导电层720的区域717以暴露导电层718。

参考图7J，在区域724中去除介电层718，以暴露网格704，例如，使用干燥或湿法蚀刻过程。在示例性实施例中，使用干蚀刻过程。如图7J所示，导电层706，714和720的组合形成收集器电极722。参考图7K，例如，使用干燥或湿法蚀刻过程，去除剩余介电层718。在示例性实施例中，使用湿法蚀刻过程。介电层718的去除在收集器电极722和网格704之间产生间隔726，如此，产生粒子收集结构728。

虽然此处参考特定实施例示出和描述了本发明，但是，本发明不旨在仅限于所示出的细节。相反地，在不偏离本发明的情况下，在权利要求的等效内的范围内，可以对细节进行各种修改。

Claims

1.一种带电粒子感应设备，包括：

带电粒子源；

用于从所述带电粒子源接收第一部分带电粒子的多个收集器电极；以及

在所述多个收集器电极周围形成并与多个收集器电极间隔的网格，所述网格从带电粒子源接收第二部分带电粒子，并将响应于所述第二部分所生成的反向散射的带电粒子定向到相邻的收集器电极。

2.根据权利要求1所述的带电粒子感应设备，其中，所述网格是由导电材料制成的。

3.根据权利要求2所述的带电粒子感应设备，其中，所述网格与所述多个收集器电极电气隔离。

4.根据权利要求1所述的带电粒子感应设备，其中，所述多个收集器电极包括具有不同厚度的第一组收集器电极和第二组收集器电极，以及

所述第一组收集器电极与所述第二组收集器电极交错地排列。

5.根据权利要求1所述的带电粒子感应设备，其中，每个收集器电极都是以不均匀的形状形成的。

6.根据权利要求1所述的带电粒子感应设备，还包括被置于所述源和所述多个收集器电极之间的微通道板（MCP）。

7.根据权利要求1所述的带电粒子感应设备，其中，每个收集器电极都包括用于接收所述第一部分带电粒子的入射表面，所述入射表面包括形成井的凹陷的表面。

8.根据权利要求7所述的带电粒子感应设备，其中，所述井是以矩形形状和梯形形状中的一种形成的。

9.根据权利要求7所述的带电粒子感应设备，其中，所述井将响应于第一部分带电粒子所生成的反向散射的带电粒子定向到所述对应的收集器电极。

10.根据权利要求1所述的带电粒子感应设备，其中，每个收集器电极都包括用于接收所述第一部分带电粒子的入射表面，所述入射表面包括多个井。

11.根据权利要求10所述的带电粒子感应设备，其中，所述多个收集器电极被置于介电层上，所述介电层包括对应于相应的收集器电极中的所述多个井的多个井。

12.根据权利要求10所述的带电粒子感应设备，其中，所述多个井中的井是以矩形形状或倒金字塔形状中的一种形成的。

13.一种带电粒子感应设备，包括：

带电粒子源；以及

用于从带电粒子源接收所述带电粒子的带电粒子收集表面，所述带电粒子收集表面包括：

多个收集器电极，以及

在所述多个收集器电极周围形成并与多个收集器电极间隔的网格，

其中，所述网格以及所述多个收集器电极中的一个包括与所述带电粒子收集表面间隔的凸起边缘。

14.根据权利要求13所述的带电粒子感应设备，其中，每个收集器电极都包括用于接收所述带电粒子的入射表面，所述入射表面包括至少一个井。

15.根据权利要求13所述的带电粒子感应设备，其中，所述网格包括所述凸起边缘。

16.根据权利要求15所述的带电粒子感应设备，其中，所述网格的凸起边缘相对于所述带电粒子收集表面位于相邻的收集器电极上方。

17.根据权利要求16所述的带电粒子感应设备，其中，所述网格的凸起边缘在垂直于所述带电粒子收集表面的方向与对应的收集器电极重叠。

18.根据权利要求13所述的带电粒子感应设备，其中，每个收集器电极都包括所述凸起边缘。

19.根据权利要求18所述的带电粒子感应设备，其中，所述多个收集器电极包括具有不同厚度的第一组收集器电极和第二组收集器电极，以及

20.根据权利要求19所述的带电粒子感应设备，其中，第一组的凸起边缘在垂直于所述带电粒子收集表面的方向与第二组的凸起边缘重叠。

21.一种形成带电粒子感应设备的方法，包括：

将多个收集器电极置于带电粒子收集表面上；以及

将网格置于所述带电粒子收集表面上，所述网格围绕多个收集器电极形成并与多个收集器电极间隔。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括利用与所述带电粒子收集表面间隔的凸起边缘来形成每个收集器电极。

23.根据权利要求21所述的方法，还包括利用与所述带电粒子收集表面间隔的凸起边缘来形成所述网格。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述网格的凸起边缘在垂直于所述带电粒子收集表面的方向与对应的收集器电极重叠。

25.根据权利要求21所述的方法，还包括在每个收集器电极的与所述带电粒子收集表面相对的表面形成至少一个井。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，形成所述至少一个井包括形成多个井，以及

所述方法包括，在安置所述多个收集器电极之前，在对应于相应的多个收集器电极的所述多个井的位置的位置，在所述带电粒子收集表面中形成多个井。

27.根据权利要求21所述的方法，其中安置所述多个收集器电极包括：

将具有不同厚度的第一组收集器电极和第二组收集器电极置于所述带电粒子收集表面上，

其中，所述第一组收集器电极与所述第二组收集器电极交错地排列。