CN111769131A - 一种增强近红外量子效率的背照式ccd及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及CCD技术，涉及一种增强近红外量子效率的背照式CCD及其制作方法；所述制作方法包括在背照式CCD晶圆的正面上淀积低温二氧化硅；采用二氧化硅化学机械抛光工艺，平坦化CCD晶圆的表面，并去除一定厚度的低温二氧化硅；在低温二氧化硅光刻出多个圆形的微结构图形；采用二氧化硅各项同性干法刻蚀，在微结构图形上刻蚀出坡面，形成半球形微结构；采用磁控溅射法在半球形微结构表面淀积金属铝反射层；在其表面涂覆键合胶后，与载体片完成键合工艺制作；本发明采用刻蚀方法，刻蚀出半球形微结构淀积铝膜，从而形成铝反射镜，增强对入射光反射并形成全反射，提升了硅对入射光的吸收，提升尤其是近红外波段量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电荷藕荷器件(CCD)制作技术，尤其涉及一种增强近红外量子效率的背照式CCD及其制作方法。
背景技术
背照式电荷藕荷器件(CCD)通常采用背面入射成像模式，避免CCD表面介质层和多晶硅电极对入射光的吸收和反射，结合背面减反射膜，在可见光波段量子效率可达90％。
典型的背照式CCD结构示意图如图1所示，传统的背照式CCD包括CCD晶圆和载体片；CCD晶圆的正面与载体片通过键合连接；CCD晶圆包括介质层(一般采用BPSG硼磷硅玻璃作为介质层)、多晶硅和外延层，在外延层上生长有栅氧化层介质，并在其上方形成多晶硅电极与介质层；在外延层上通过离子注入形成势阱；在CCD晶圆的介质层上方淀积低温二氧化硅，通过键合胶将CCD晶圆与载体片键合；在外延层背面形成有钝化层，并在钝化层表面形成有减反射膜。
其背面主要工艺制作流程如图2所示，主要包括对正照CCD晶圆淀积二氧化硅，通过键合方式连接载体片；对CCD晶圆的背面减薄；对其清洗后，在背面形成钝化层，此时淀积增透膜，并生长金属铝，光刻刻蚀形成背面遮光铝，对制备出压焊点。
对于上述CCD及其制备方法，我们可以通过量子效率来量化其光电转换能力；量子效率是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数，指的是单位光子数产生的光电流与入射光电流比值；背照式CCD量子效率由如下公式给出：
其中，C为电荷收集效率，R为反射率，x为硅外延层厚度，L为吸收深度。对于特定外延层厚度的背照式CCD，在入射面淀积增透膜，可以降低入射光反射率，提升量子效率，在可见光波段，厚度约15μm硅外延层可对入射光充分吸收，因此量子效率高，可达到90％。入射波长与吸收深度曲线如图3所示，在近红外波段，实现全部吸收，吸收深度大于100μm。对于15μm外延层厚度背照式CCD，只有小部分入射光被外延层吸收，大部分入射光穿透外延层而没有被硅外延层吸收，因此量子效率不高，在1000nm～1060nm波段平均量子效率低于8％，不满足CCD近红外探测成像需求。
发明内容
为了提升背照式CCD近红外波段量子效率，本发明提出了一种新的增强近红外量子效率的背照式CCD及其制作方法，有利于提升近红外波段量子效率。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种增强近红外量子效率的背照式CCD制作方法，所述制作方法包括：
在背照式CCD晶圆的正面上淀积2μm～3μm的低温二氧化硅，且淀积温度260℃～320℃；
采用二氧化硅化学机械抛光工艺，平坦化CCD晶圆的表面，并去除其表面上0.5μm～1.5μm厚度的低温二氧化硅；
在低温二氧化硅上光刻，并光刻出多个圆形的微结构图形；
采用二氧化硅各项同性干法刻蚀，在微结构图形上刻蚀出一定角度的坡面微结构。
优选的，该坡面角度大于36°时，此时CCD的近红外波段量子效率最优。
采用磁控溅射法或者蒸发法等方式在所述半球形微结构表面淀积金属铝反射层；
在金属铝反射层表面涂覆键合胶后，与载体片完成键合工艺制作。
可选的，在完成键合工艺制作后还包括：
将CCD晶圆背面减薄抛光，在减薄后的CCD晶圆背面形成钝化层；
在钝化层上表面淀积有增透膜，生长金属，光刻刻蚀形成遮光铝；并在CCD晶圆背面形成压焊点。
优选的，采用二氧化硅各项同性干法刻蚀出半球形微结构的条件包括腔室压力为500～2000mt，刻蚀气氛为30～300mL/min的NF3和40～700mL/min的He；NF3和He气体配比为3：4～7，射频功率为500～800W，刻蚀时间为40～90s。
在本发明的第二方面，在本发明的第一方面的基础上，本发明提供了一种增强近红外量子效率的背照式CCD，所述背照式CCD包括CCD晶圆和载体片；所述CCD晶圆的正面与载体片通过键合连接；所述CCD晶圆包括介质层、多晶硅和外延层，在外延层上生长有栅氧氧化层介质，并在其上方形成多晶硅电极与介质层；在外延层上通过离子注入形成势阱；在CCD晶圆的介质层上方淀积低温二氧化硅，在低温二氧化硅上刻蚀有多个微结构图形，并在每个微结构图形上刻蚀出具有一定角度的坡面，并形成半球形微结构；在所述半球形微结构的外表面生长有金属铝反射层，并通过键合胶与所述载体片键合；在外延层的另一面即背面形成有钝化层，并在钝化层表面形成有减反射膜。
进一步的，所述微结构图形的直径为0.5μm～0.7μm，且各个微结构图形的圆心距为1.3μm～1.7μm。
优选的，所述微结构图形的直径为0.8μm；且各个微结构图形的圆心距为1.5μm。
进一步的，所述半球形微结构的刻蚀深度为0.7μm～0.8μm。
优选的，所述半球形微结构的刻蚀深度为0.75μm，形成坡面角度大于36°的半球形微结构。
进一步的，所述微结构表面的金属铝反射层厚度为0.8～1.2μm。
优选的，所述金属铝反射层厚度为1.0μm。
本发明的有益效果：
相较于传统工艺，基于本发明的背照式CCD在1000nm～1060nm波段平均量子效率可得到大幅提升，可由8％提升至15％。
本发明涉及的二氧化硅CMP工艺，对淀积的低温二氧化硅CMP处理，抛光去除约1μm，得到平坦化表面，可以有效提升后续微结构制备工艺均匀性与一致性，保证了CCD输出成像的一致性；
本发明涉及的微结构制备工艺，采用刻蚀方法，刻蚀出半球形微结构作为凹透镜，并在凹透镜上淀积铝膜，从而形成铝反射镜，增强对入射光反射并形成全反射。
该工艺集成在背照式CCD芯片正面，一方面不影响背照式CCD入光面增透膜设计与制作，可以设计理想的增透膜提升可见光波段量子效率；另一方面，通过微结构实现入射光全反射，提升了硅对入射光的吸收，提升尤其是近红外波段量子效率；该制备工艺稳定性好，可操作性强，工艺窗口较大，与现有工艺兼容，适合于背照式CCD工艺集成。
附图说明
图1为传统的背照式CCD结构示意图；
图2为传统的背照式CCD结构的制作方法流程图；
图3为波长与硅吸收深度关系曲线图；
图4为本发明的背照式CCD结构示意图；
图5为本发明示出的微结构图形；
图6为本发明的背照式CCD结构的制作方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图4是本发明提出的一种增强近红外量子效率的背照式CCD，所述背照式CCD包括CCD晶圆和载体片；所述CCD晶圆的正面与载体片通过键合连接；所述CCD晶圆包括介质层、多晶硅和外延层，在外延层上生长有栅氧化层介质，并在其上方形成多晶硅电极与介质层；在外延层上通过离子注入形成势阱；在CCD晶圆的介质层上方淀积低温二氧化硅，在低温二氧化硅上刻蚀有多个微结构图形，并在每个微结构图形上刻蚀出一定角度的坡面微结构，当坡面角度大于36°时最优，在所述半球形微结构的外表面淀积有金属铝反射层，并通过键合胶与所述载体片键合；在外延层的另一面即背面形成有钝化层，并在钝化层表面形成有减反射膜。
在本发明的背照式CCD结构中，通过光刻与刻蚀，制备出半球形微结构，并在半球形微结构的表面淀积铝反射层；并且让该半球形微结构具有一定的坡面，便于增强入射光的反射效果，在一定条件下，可以实现入射光全反射，从而增强入射光在外延层中的吸收长度，提升近红外波段量子效率。
在上述实施例的基础上，本实施例考虑到在实际生产中，由于工艺原因，导致各个部件的结构参数或多或少地存在一定误差，使得增强近红外量子效率的效果不是最佳的，于是，发明人考虑通过改变器件上的结构参数来抵消工艺误差所带来的负面影响，为此，发明人根据刻蚀的二氧化硅的材料特性以及温度特性等，分析出当坡面角度大于36°时，金属铝反射层的反射效果最佳，能够实现入射光全反射，增强入射光在外延层中的吸收长度，此时制作出的背照式CCD的近红外量子效率最优。
在一个实施例中，为了实现半球形微结构的反射效果的稳定性，减少各个半球形微结构对入射光的互干扰，本发明设置如图5所示的阵列微结构图形来实现，除边缘的微结构图形以外，其余的每个微结构图形与其相邻的微结构图形都保持相同的距离，且每个微结构图形的尺寸一致。
在一个实施例中，所述微结构图形的直径为0.5μm～0.7μm，且各个微结构图形的圆心距为1.3μm～1.7μm。
在一个实施例中，所述半球形微结构的刻蚀深度为0.7μm～0.8μm。
在一个实施例中，所述微结构表面的金属铝反射层厚度为0.8～1.2μm。
可以理解的是，不管本发明对上述结构的参数大小如何设置，本发明只要能够保证微结构有一定的坡面，就能实现近红外增强，并且当倾斜角度＞36°则就可以实现入射光全反射，从而进一步提升了硅对入射光的吸收，提升尤其是近红外波段量子效率。
基于上述结构，本发明还提供了一种增强近红外量子效率的背照式CCD制作方法，如图6所示，所述方法包括：
在背照式CCD晶圆的正面上淀积2μm～3μm的低温二氧化硅，且淀积温度260℃～320℃；
采用二氧化硅化学机械抛光工艺，平坦化CCD晶圆的表面，并去除其表面上0.5μm～1.5μm厚度的低温二氧化硅；
在低温二氧化硅上光刻，并光刻出多个圆形的微结构图形；
采用二氧化硅各项同性干法刻蚀，在微结构图形上刻蚀出坡面角度大于36°的半球形微结构；
采用磁控溅射法或者蒸发法等方式在所述半球形微结构表面淀积金属铝反射层；
在金属铝反射层表面涂覆键合胶后，与载体片完成键合工艺制作。
可选的，在完成键合工艺制作后还包括：
将CCD晶圆背面减薄抛光，在减薄后的CCD晶圆背面形成钝化层；
在钝化层上表面淀积有增透膜，增强光吸收；
在CCD晶圆背面生长金属以铝为例，并光刻刻蚀形成遮光铝；并在CCD晶圆背面形成压焊点。
采用二氧化硅各项同性干法刻蚀出半球形微结构的条件包括腔室压力为500～2000mt，刻蚀气氛为30～300mL/min的NF3和40～700mL/min的He；NF3和He气体配比为3：4～7，射频功率为500～800W，刻蚀时间为40～90s。
可以理解的是，本发明的CCD制作方法的核心改进在于，在二氧化硅淀积以及键合过程之间，通过光刻与刻蚀，制备微结构，并淀积铝反射层；当微结构具有一定的坡面角度，可以实现入射光的反射，增强近红外吸收，且当坡面倾斜角度＞36°，可以实现入射光全反射，从而增强入射光在外延层中的吸收长度，提升近红外波段量子效率，其余与本发明相关的设计本发明不对其进行限定，例如生长有栅氧化层介质、通过离子注入形成势阱等等技术可以采用现有的任何一种技术。
基于本发明，可提升近红外波段(1000nm～1060nm)量子效率。
本发明的增强近红外量子效率的背照式CCD及其制作方法的部分特征可以相互引用，本发明就不再一一赘述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种增强近红外量子效率的背照式CCD制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在背照式CCD晶圆的正面上淀积2μm～3μm的低温二氧化硅，且淀积温度260℃～320℃；
采用二氧化硅化学机械抛光工艺，平坦化CCD晶圆的表面，并去除其表面上0.5μm～1.5μm厚度的低温二氧化硅；
在低温二氧化硅上光刻，光刻出多个圆形的微结构图形；
采用二氧化硅各项同性干法刻蚀，在微结构图形上刻蚀出坡面角，并形成半球形微结构；
采用磁控溅射法或者蒸发法在所述半球形微结构表面淀积金属铝反射层；
在金属铝反射层表面涂覆键合胶后，与载体片完成键合工艺制作。
2.根据权利要求1所述的一种增强近红外量子效率的背照式CCD制作方法，其特征在于，在完成键合工艺制作后还包括：
将CCD晶圆背面减薄抛光，在减薄后的CCD晶圆背面形成钝化层；
在钝化层上表面淀积增透膜，增强光吸收；
在CCD晶圆背面生长金属，并光刻刻蚀，在背面形成遮光铝；并在CCD晶圆背面形成压焊点。
3.根据权利要求1所述的一种增强近红外量子效率的背照式CCD制作方法，其特征在于，采用二氧化硅各项同性干法刻蚀出半球形微结构的条件包括腔室压力为500～2000mt，刻蚀气氛为30～300mL/min的NF3和40～700mL/min的He；NF3和He气体配比为3：4～7，射频功率为500～800W，刻蚀时间为40～90s。
4.根据权利要求1所述的一种增强近红外量子效率的背照式CCD制作方法，其特征在于，所述坡面角大于36°。
5.一种增强近红外量子效率的背照式CCD，所述背照式CCD包括CCD晶圆和载体片；所述CCD晶圆的正面与载体片通过键合连接；所述CCD晶圆包括介质层、多晶硅和外延层，在外延层上生长有栅氧化层介质，并在其上方形成多晶硅电极与介质层；在外延层上通过离子注入形成势阱；在CCD晶圆的介质层上方淀积低温二氧化硅，其特征在于，在低温二氧化硅上刻蚀有多个微结构图形，并且每个微结构图形为具有一定的坡面角，从而构成半球形微结构；在所述半球形微结构的外表面淀积有金属铝反射层，并通过键合胶与所述载体片键合；在外延层的另一面即背面形成有钝化层，并在钝化层表面形成有减反射膜，生长金属铝，光刻刻蚀形成遮光铝；最后硅刻蚀，形成压焊点。
6.根据权利要求5所述的一种增强近红外量子效率的背照式CCD，其特征在于，所述微结构图形的直径为0.5μm～0.7μm，且各个微结构图形的圆心距为1.3μm～1.7μm。
7.根据权利要求5所述的一种增强近红外量子效率的背照式CCD，其特征在于，所述半球形微结构的刻蚀深度为0.7μm～0.8μm。
8.根据权利要求5所述的一种增强近红外量子效率的背照式CCD，其特征在于，所述坡面角大于36°。
9.根据权利要求5所述的一种增强近红外量子效率的背照式CCD，其特征在于，所述微结构表面的金属铝反射层厚度为0.8～1.2μm。
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