周?；?，丁繼洪，朱小燕

（北方通用電子集團有限公司，安徽蚌埠233042）

背照式EMCCD背端處理技術(shù)研究

周福虎，丁繼洪，朱小燕

（北方通用電子集團有限公司，安徽蚌埠233042）

為了消除EMCCD芯片背面平坦拋光光敏區(qū)的物理機械缺陷、可動電荷、硅表面界面不連續(xù)等產(chǎn)生的電荷態(tài)，降低器件暗電流和光電轉(zhuǎn)換效率。采用帶介質(zhì)低能硼注入及激光退火工藝技術(shù)，建立一個由P_指向P+的內(nèi)建場；成功的將硼雜質(zhì)激活，且結(jié)深小于0.1μm，形成了P+/P-型光敏區(qū)自建電場,滿足BE背端處理的要求。

激光退火；自建電場；結(jié)深；金屬引線完整性；參考芯片

一、引言

英國的E2V公司在前期的產(chǎn)品開發(fā)中，采用前照式工作模式，倍增電壓高、內(nèi)部增益高、像元尺寸較大、制作工藝相對簡單、成本低，但受器件正面半透明多晶硅電極的反射與吸收影響，器件量子效率較低，特別是對較短波長的探測如400 nm以下的光[1]。E2V公司在高性能的產(chǎn)品中，開發(fā)了背照結(jié)構(gòu)的EMCCD，入射光從器件的背面照射光敏區(qū)，在增加了抗反射膜層及背端自建電場技術(shù)等處理后，器件量子效率得到了極大提高，背照式EMCCD的量子效率是當(dāng)前EMCCD中最高的[2]。背照EMCCD性能優(yōu)于前照結(jié)構(gòu)，但芯片襯底減薄與拋光后的背端P_層將形成耗盡層，成為光電子的勢阱，極大影響器件的量子效率和暗電流[3]，所以對背端的處理，是研究背照式EMCCD器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用低能硼注入及激光退火工藝術(shù)，建立一個由P_指向P+的內(nèi)建電場；成功的將硼雜質(zhì)激活，結(jié)深小于0.1μm，且能夠使金屬線條能夠保證完整。

二、工藝實驗方案設(shè)計

通過低能硼注入及激光退火，在芯片背端外延層P_區(qū)引入約300-600埃，雜質(zhì)濃度高達1E20的P+區(qū)，形成P+/P_結(jié)構(gòu)，建立一個由P_指向P+的內(nèi)建電場。退火工序位于多層金屬布線工藝之后，進行雜質(zhì)激活的同時必須保證金屬引線的完整性，同時EMCCD器件工藝屬于典型淺結(jié)工藝，避免淺結(jié)推進，要求雜質(zhì)擴散結(jié)深小于0.1μm。

工藝實驗方案有兩種，一種為驗證芯片，另一種為參考芯片；通過對驗證芯片、參考芯片的方塊電阻、雜質(zhì)激活后形成的結(jié)深數(shù)據(jù)對比驗證，以及對驗證芯片背端金屬線條的完整性檢驗，確定背照式EMCCD背端處理工藝技術(shù)方案的可行性。由于工藝設(shè)備限制，無超低能離子注入機，因此驗證芯片以及參考芯片均采取帶介質(zhì)注入。驗證芯片是在N＜111〉襯底以及P＜111〉襯底硅片的背面進行鋁金屬濺射以及光刻刻蝕，芯片的正面淀積1300埃左右PE二氧化硅，之后進行P型雜質(zhì)注入、激活，雜質(zhì)激活工藝采用激光退火；參考芯片是在N＜111〉襯底以及P＜111〉襯底硅片上淀積1300埃左右的PE二氧化硅，帶介質(zhì)進行P型雜質(zhì)注入，最后進行爐管退火（850℃，20minN2）。

三、工藝實驗過程

（一）參考芯片實驗方案:爐管退火

1.實驗片工藝流程剖面圖：

2.工藝實現(xiàn)的主要步驟：

（1）選擇N＜111〉的原始硅片做襯底,原始硅片電阻率為5.5Ω.cm～6.5Ω.cm。厚度為525μm，直徑為100mm；

（2）在原始硅片上淀積1300埃左右的PE二氧化硅；

（3）P型雜質(zhì)注入，劑量為1.5E15，能量為30Kev；

（4）雜質(zhì)激活，采用爐管退火將雜質(zhì)激活；退火條件為：850℃，20minN2；

“一份椰香雞焗飯，一杯摩卡咖啡，咖啡后上啊，謝謝！”聲音從背后傳來，敦禮吃了一驚，自己光顧著胡亂猜想，人來了都不知道。他心虛似的，猛地端起咖啡喝了一大口，接著又朝周邊看了看，坐直身子，很紳士地呷了一小口，然后放下咖啡，點了香酥雞塊和黑椒牛柳炒意面。

（5）進行方塊電阻測試；

（6）磨結(jié)染色測試結(jié)深。

（二）驗證芯片實驗方案：激光退火

1.實驗片工藝流程剖面圖

2.工藝實現(xiàn)的主要步驟：

（1）選擇N＜111〉的原始硅片做襯底,原始硅片電阻率為5.5Ω.cm～6.5Ω.cm。厚度為525μm，直徑為100mm；

（2）在原始硅片上生長5500埃左右的一層熱氧化層；

（4）芯片背端以及側(cè)端勻膠保護，膠膜厚度約3.0μm；

（5）去除芯片正面熱氧化層，采取干法加濕法工藝；

（6）芯片背端光刻膠去除；

（7）淀積1300埃左右的PE二氧化硅；

（8）背端二氧化硅、鋁刻蝕，刻蝕出清晰的圖形線條，CD尺寸為4μm；

表1 參考芯片以及原始硅片方塊電阻測試對比

表2 驗證芯片以及原始硅片方塊電阻測試對比

（9）芯片正面P型雜質(zhì)注入，劑量為1.5E15，能量為30Kev；

（10）芯片正面激光退火，雜質(zhì)激活；

（11）測試方塊電阻；

（12）磨結(jié)染色測試結(jié)深。

四、結(jié)果分析

（一）爐管退火后參考芯片以及原始硅片方塊電阻對比

（二）激光退火后參考芯片以及原始硅片方塊電阻對比

通過表1、表2數(shù)據(jù)對比分析，激光退火的驗證芯片與爐管退火的參考芯片表面的雜質(zhì)均已被激活，參考芯片N＜111〉襯底的雜質(zhì)方塊電阻分布在465.4Ω/□～523Ω/□，P＜111〉襯底的雜質(zhì)方塊電阻分布在125.3Ω/□～153.6Ω/□，驗證芯片N＜111〉襯底的雜質(zhì)方塊電阻為458.0Ω/□～698.8Ω/□，P＜111〉襯底的雜質(zhì)方塊電阻分布在125.3Ω/□～153.6Ω/□；但是明顯激光退火均勻性明顯比爐管退火均勻性好，具體數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表3。

表3 激光退火與爐管退火均勻性誤差值對比

圖3 參考芯片爐管退火后結(jié)深

圖4 激光退火后結(jié)深

圖3是參考芯片磨結(jié)染色后的結(jié)深，經(jīng)測試檢驗，該區(qū)域為P型區(qū)域，結(jié)深大約為0.16μm。圖4是驗證芯片磨結(jié)染色后的結(jié)深，經(jīng)測試檢驗，該區(qū)域為P型區(qū)域，但是由于設(shè)備精度能力原因，無法精確測量小于0.1μm的結(jié)深。但確定該區(qū)域為P型區(qū)域，且結(jié)深小于0.1μm。

五、結(jié)論

經(jīng)過參考芯片與驗證芯片對比分析，雜質(zhì)方塊電阻值幾乎相等，說明激光退火將雜質(zhì)激活，但是參考芯片方塊電阻的均勻性明顯較驗證芯片均勻性好。參考芯片的結(jié)深控制在0.16μm左右，為P型區(qū)域；驗證芯片的結(jié)深無法精確測量，無明顯結(jié)深，由于設(shè)備精度能力原因，無法精確測量小于0.1μm的結(jié)深。但確定的是該區(qū)域為P型區(qū)域，且結(jié)深小于0.1μm。驗證芯片激光退火后經(jīng)過鏡檢，背面鋁金屬線條清洗可見，無明顯變化?？梢詫崿F(xiàn)P+/P-型光敏區(qū)自建電場,滿足BE自建電場的要求。

[1]戴麗英,劉德林,等.B電荷耦合器件的研制[J].光電子技術(shù).2005,(3).

[2]周蓓蓓.電子倍增CCD的工作模式及其光子計數(shù)成像研究[N].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2010.

[3]張鑫.基于BCCD的微弱目標成像系統(tǒng)設(shè)計[D].中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所.2011.

（責(zé)任編輯：袁媛）

Research on Back End Processing Technology of Back Illuminated EMCCD

ZHOU Fu-hu,DING Ji-hong,ZHU Xiao-yan
(North General Electronics Group Co.,Ltd.,Bengbu 233042,China)

In order to eliminate the physical and mechanical defects on the EMCCD chip surface,the movable charges and the charges generated by the discontinuous silicon surface,the dark currents and the photoelectric conversion efficiency of the device are reduced.The technology with medium low energy boron implantation and laser annealing is adopted to build an internal field from a P_to P+,which successfully activates the boron impurity.The junction depth is less than 0.1μm,and a P+/P-type photosensitive self-built electric field is created to meet the processing requirements of BE back end.

laser annealing;self-built electric field;junction depth;metal lead integrity;reference chip

TP393

B

2016－08－16

周福虎（1986-），男，安徽天長人，助理工程師，研究方向：微光成像器件的工藝開發(fā)。.E-mail:hfutz2008@126.com.

1671－802X(2016)05－0015－03