(57)【要約】  裏面照射型センサを作製するための方法は、第１の導電性を有する薄膜半導体薄片を提供するステップと、薄片内および薄片の表面に第２の導電性を有するドープ領域を形成するステップとを含む。薄片は自立薄片として提供され得るか、または、薄片が劈開された半導体ドナー体として提供され得る。ドープ領域への電気的接続部が形成される。仮キャリアが、半導体の裏面に接触され、その後、取り除かれる。裏面照射型センサは、半導体薄片から作製され、作製プロセス中に半導体薄片の厚さが実質的に変化しないままである。
2015508233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面照射型センサを作製する方法であって、
表面、裏面、および前記表面と前記裏面との間の厚さを有する薄膜半導体薄片を提供するステップを備え、前記半導体薄片は第１の導電性を有しており、前記方法はさらに、
前記薄片の前記表面において前記半導体薄片内にドープ領域を形成するステップを備え、前記ドープ領域は第２の導電性を有しており、前記方法はさらに、
前記半導体薄片の前記裏面に仮キャリアを接触させるステップと、
前記半導体薄片の表側に前記ドープ領域への電気的接続部を形成するステップと、
前記裏面から前記仮キャリアを取り除くステップと、
前記半導体薄片から裏面照射型センサを作製するステップとを備え、前記半導体薄片の厚さは、前記裏面照射型センサの作製中に実質的に変化しないままである、方法。
【請求項２】
第１の面を有する半導体ドナー体を提供するステップをさらに備え、前記半導体ドナー体は前記第１の導電性を有しており、前記方法はさらに、
劈開面を規定するように前記半導体ドナー体の前記第１の面にイオンを注入するステップと、
前記劈開面において前記半導体ドナー体を劈開するステップとを備え、前記劈開面は前記半導体薄片の前記裏面を形成し、前記半導体ドナー体の前記第１の面は前記半導体薄片の前記表面を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記イオンを注入するステップ、前記半導体ドナー体を劈開するステップ、および前記ドープ領域を形成するステップのみが摂氏約４５０度を上回る処理温度を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ドープ領域を形成するステップが、前記イオンを注入するステップに先立って行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記イオンを注入するステップは注入エネルギーを含み、
前記注入エネルギーは前記劈開面の深さを決定し、前記深さは、前記半導体ドナー体の前記第１の面から測定され、
前記深さは、前記半導体薄片の厚さと実質的に同等になるように選ばれる、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記電気的接続部を形成するステップは、
前記半導体薄片の表側に金属化層を施すステップと、
前記金属化層に集積回路を結合するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記集積回路は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体薄片の裏面にカラーフィルタを結合するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記薄膜半導体薄片の厚さは約２５ミクロン未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記薄膜半導体薄片の厚さは、約１ミクロンから約５０ミクロンの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記半導体薄片の厚さは、前記裏面照射型センサの作製中に、その当初に提供された厚さの２０％の偏差内にあるままである、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
裏面照射型センサを作製する方法であって、
第１の面および第１の導電性を有する半導体ドナー体を提供するステップと、
前記第１の面において前記半導体ドナー体内にドープ領域を形成するステップとを備え、前記ドープ領域は第２の導電性を有しており、前記方法はさらに、
劈開面を規定するように前記半導体ドナー体の第１の面にイオンを注入するステップと、
前記劈開面において前記半導体ドナー体から半導体薄片を劈開するステップとを備え、前記劈開面は前記半導体薄片の裏面を形成し、前記半導体ドナー体の第１の面は前記半導体薄片の表面であり、前記表面は前記ドープ領域を含んでおり、前記方法はさらに、
前記半導体薄片の裏面に仮キャリアを接触させるステップと、
前記半導体薄片の表側上に前記ドープ領域への電気的接続部を形成するステップと、
前記裏面から前記仮キャリアを取り除くステップと、
前記半導体薄片から裏面照射型センサを作製するステップとを備え、前記半導体薄片の前記表側と前記裏面との間の厚さは、前記裏面照射型センサの作製中に実質的に変化しないままである、方法。
【請求項１３】
前記電気的接続部を形成するステップは、
前記半導体薄片の表側に金属化層を施すステップと、
前記金属化層に集積回路を結合するステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記半導体薄片の裏面にカラーフィルタを結合するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ドープ領域を形成するステップが、前記イオンを注入するステップに先立って行われる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記薄膜半導体薄片の厚さは、約１ミクロンから約５０ミクロンの間である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記半導体薄片の厚さは、前記裏面照射型センサの作製中に、その当初に提供された厚さの２０％の偏差内にあるままである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオンを注入するステップは注入エネルギーを含み、前記注入エネルギーは前記劈開面の深さを決定し、前記深さは、前記半導体ドナー体の第１の面から測定される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
劈開された前記半導体薄片の厚さは、作製された前記裏面照射型センサにおける半導体基板の所望の最終厚さと実質的に同等である、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記ドープ領域を形成するステップ、前記イオンを注入するステップ、および前記半導体ドナー体を劈開するステップのみが摂氏約４５０度を上回る処理温度を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記薄片から裏面照射型センサを作製するステップは、前記薄片の裏面をパッシベートする層を堆積することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記パッシベートする層は、水素化アモルファスシリコンを含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は、２０１２年３月２１日に出願され、「裏面照射型センサを作製するための方法（Method for Fabricating Backside-Illuminated Sensors）」という名称を有する米国特許出願番号第１３／４２５，８７７号への優先権を主張する。米国特許出願番号第１３／４２５，８７７号は、２０１２年２月８日に出願され、「裏面照射型センサを作製するための方法（Method for Fabricating Backside-Illuminated Sensors）」という名称を有する米国仮出願番号第６１／５９６，６９４号への優先権を主張する。これらは両方ともここで、すべての目的のために参照により援用される。この出願はまた、２０１２年３月２１日に出願され、「スーパーストレート・レシーバ要素を有する薄片を含むバックコンタクト型光起電力セル（Back-Contact Photovoltaic Cell Comprising A Thin Lamina Having A Superstrate Receiver Element）」という名称を有する米国特許出願番号第１３／４２５，８７０号に関係付けられており、すべての目的のために参照により援用される。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
イメージセンサは、光を受け取り、受け取られた光の量に基づいてエネルギーを電気信号に変換する。イメージセンサは一般に、シリコン光感応層と、電気信号を処理するための集積チップのような電気回路網とを含む。分解能を向上するようチップ上のピクセル密度を増加させることが望ましい。しかしながら、ピクセル密度が増加すると、クロストークおよび回路の配線の高密度化のような問題が生じる。
【０００３】
表面照射型（frontside-illummated（ＦＳＩ））センサでは、光は、金属の相互接続が位置するチップの「表側」に入る。配線量が増加すると、シャドーイングが増加し、したがって、シリコン光感応層に到達する光の効率が低下する。裏面照射型（backside-illuminated（ＢＳＩ））センサでは、光はチップのシリコン側に入射するので、金属の相互接続層を通り抜けることを必要としない。したがって、高度な画像センシング技術には、ＢＳＩセンサが望ましい。しかしながら、ＢＳＩセンサは、光が通過して光活性層に到達するためにより薄いシリコンを必要とするので、ＦＳＩセンサを製造するほどコスト効率が良くなかった。ＢＳＩセンサはさらに、チップに亘って厚さの精度均一性を必要としており、これは達成するのは困難であり得る。
【０００４】
薄い半導体ウェハを製造するための１つのアプローチは、シリコンの層がバルクシリコン基板上に成長されるエピタキシャルシリコンを利用することである。シリコン基板は、典型的には１．５μｍ未満の非常に薄いシートである。別のアプローチは、より厚いシリコンウェハを使用し、回路および相互接続層が形成された後で、当該ウェハを所望の薄さまで研削することである。研削によっては厚さの必要な精度均一性を達成するのが難しいので、ＢＳＩ処理ではしばしば、ウェハレベルの研削とダイレベルの研磨とが必要とされる。これは、スループットの問題、コストの増加を作り出し、汚染を引き起こし得る。ＢＳＩセンサの作製における他の要因は、製造のさまざまな段階での処理温度の違いを含んでおり、これは、材料および製造ステップのシーケンス、ならびに製造の間に薄膜を扱う能力に大きな影響を与える。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
裏面照射型センサを作製するための方法は、第１の導電性を有する薄膜半導体薄片を提供するステップと、薄片内および薄片の表面に第２の導電性を有するドープ領域を形成するステップとを含む。ドープ領域への電気的接続部が形成される。仮キャリアが、半導体の裏面に接触され、その後、取り除かれる。裏面照射型センサが半導体薄片から作製され、作製中に、提供された半導体薄片の厚さが実質的に変化しないままである。
【０００６】
他の実施形態では、裏面照射型センサを作製するための方法は、第１の導電性を有する半導体ドナー体を提供するステップを含む。第２の導電性を有するドープ領域は、ドナー体の第１の面およびドナー体内に形成される。劈開面を規定するようにイオンが第１の面に注入され、半導体薄片がドナー体から劈開される。ドープ領域は薄片に含まれており、ドープ領域への電気的接続部が形成される。仮キャリアが、半導体の裏面に接触され、その後、取り除かれる。裏面照射型センサは半導体薄片から作製され、作製中に半導体薄片の厚さが実質的に変化しないままである。
【０００７】
本願明細書において記載される本発明の局面および実施形態の各々は、単独または互いに組み合わせて使用され得る。ここで、添付の図面を参照して上記局面および実施形態を記載する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の表面照射型センサの断面図を示す図である。
【図２】従来の裏面照射型センサの断面図を示す図である。
【図３Ａ】製造のさまざまな段階における裏面照射型センサの実施形態の断面図である。
【図３Ｂ】製造のさまざまな段階における裏面照射型センサの実施形態の断面図である。
【図３Ｃ】製造のさまざまな段階における裏面照射型センサの実施形態の断面図である。
【図４】本発明の例示的な方法のフローチャートである。
【図５Ａ】製造のさまざまな段階における裏面照射型センサの別の実施形態の例示的な断面図を示す図である。
【図５Ｂ】製造のさまざまな段階における裏面照射型センサの別の実施形態の例示的な断面図を示す図である。
【図５Ｃ】製造のさまざまな段階における裏面照射型センサの別の実施形態の例示的な断面図を示す図である。
【図６】本発明の別の例示的な方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態の詳細な説明
裏面照射型センサは、完成したセンサデバイスについての所望の厚さと実質的に同等の厚さを有する薄片を使用して作製される。いくつかの実施形態では、薄片は、ドープ領域が薄片の表面内および表面に形成される自立薄片として提供され得る。他の実施形態では、ドープ領域は、半導体ドナー体の第１の面に形成され、薄片が当該ドナー体から劈開され、ドープ領域が薄片の表面内および表面に存在する。本願明細書において開示される方法は、スループットの改善および製造コストの減少を可能にする。
【００１０】
図１は、レンズ１１０と、カラーフィルタ１２０と、集積回路１３０と、金属の相互接続層１４０と、ドープ領域１５０と、半導体基板１６０とを含む従来のＦＳＩセンサ１００の簡略図を示す。半導体基板１６０は、第１の導電性を有しており、たとえばシリコンであってもよい。ドープ領域１５０は、半導体基板１６０とは異なる導電性にドープされる。たとえば、半導体基板１６０はｐ型の導体であってもよく、ドープ領域１５０はｎ型であってもよい。空乏ゾーンがｐｎ接合において形成され、電界を作り出す。ドープ領域１５０と半導体基板１６０との間のｐｎ接合は、フォトダイオードを形成する。矢印１７０によって示される入射光子は、価電子帯から伝導帯に電子をたたき、自由電子−正孔のペアを作り出す。ｐｎ接合での電界内では、電子はダイオードのｎ領域に向かって移動する傾向があり、その一方、正孔はｐ領域に向かって移動し、これにより、光電流と呼ばれる電流が得られる。典型的に、一方の領域のドーパント濃度は、他方のドーパント濃度よりも高くなり、接合はｎ−／ｐ＋接合またはｐ−／ｎ＋接合のいずれかである。
【００１１】
図１のＦＳＩセンサ１００では、金属の相互接続層１４０は、配線または相互接続部１４２および誘電体１４４を含み得る。同様に、集積回路１３０はまた配線１３２を含んでいる。光１７０はＦＳＩセンサ１００の「表側」に入射し、いくつかの光線が配線１３２および配線１４２によってブロックまたは反射される。ドープ領域１５０に到達する光エネルギーは、その後、集積回路１３０によって処理される電気信号に変換される。
【００１２】
図２は、従来のＢＳＩセンサ２００の簡略図である。ＢＳＩセンサは本質的に反転されたＦＳＩであるので、光は裏面に入射し、半導体基板を通る。図２では、矢印２７０によって示される入射光は、レンズ２１０に入射し、カラーフィルタ２２０を通過し、その後、金属の相互接続層２４０および集積回路２３０における配線に妨げられることなく、半導体基板２６０を通ってダイオード領域２５０まで進む。したがって、ＦＳＩセンサと比較して、ＢＳＩセンサの場合、光子を捕獲する効率は大幅に増加する。しかしながら、光がドープ領域２５０に到達することを可能にするのに十分なように半導体基板２６０を薄くすることは、基板２６０がさらに厚さの高い精度均一性を必要とするとともに処理中に薄膜半導体への損傷を回避することを必要とするので、非常に困難になり得る。典型的に、シリコンウェハを薄くするために研削が使用される。しかしながら、ウェハレベルの研削では概して、ウェハに亘って厚さのばらつきが発生する。したがって、ダイレベルの研磨がしばしば追加的に行われる。複数の材料除去ステップの必要性によって、より低いスループット、より高いコスト、表面汚染のリスクの増加、およびハンドリングの増加による半導体基板への損傷の可能性といったさまざまな問題が作り出される。
【００１３】
図３Ａ〜図３Ｃは、完成したセンサアセンブリに必要とされる所望の厚さと実質的に同等な厚さを既に有する薄膜半導体薄片を利用してＢＳＩセンサが作製される本開示の実施形態の断面図を示す。薄片は５０ミクロン（μｍ）未満の厚さであってもよく、たとえば１μｍと２０μｍとの間または１μｍと１０μｍとの間の厚さであってもよい。提供された薄片の厚さは、ＢＳＩセンサの作製のための処理ステップ中、たとえばその当初に提供された厚さの少なくとも８０％以内で実質的に変化しないままである。
【００１４】
図３Ａでは、薄膜半導体薄片３６０が提供され、半導体薄片３６０は、表面３６２、裏面３６４および第１の導電性を有する。薄片３６０は、表面３６２と裏面３６４との間で測定される厚さを有する。半導体薄片３６０は、薄膜のハンドリングを支援するよう、裏面３６４で仮支持部３８０によって接触され得る。仮支持部３８０は、真空力、静電気力または化学力のような任意のタイプの分離可能な力または接着によって、薄片３６０に接触され得る。いくつかの実施形態では、半導体薄片３６０は、ドープしたｎ型またはｐ型の単結晶シリコンであってもよい。ドーピング濃度はたとえば、約１×１０１５ドーパント原子／ｃｍ３と約１×１０１８ドーパント原子／ｃｍ３との間であってもよく、または、たとえば、約１×１０１７ドーパント原子／ｃｍ３であってもよい。１つ以上のドープ領域３５０は、表面３６２において半導体薄片３６０内に形成され、ドープ領域３５０は半導体とは異なる導電性を有する。この発明の１つの局面は、ドープ領域が５０μｍ未満の厚さといった任意の厚さの任意の薄片上に形成され得ることである。この発明の別の局面は、剥離工程によって生成され得た薄片中の欠陥が、ドープされたダイオード領域の作製の前に修復され得ることである。
【００１５】
図３Ａにおけるドープ領域３５０は、拡散ドーピングを含む当該技術において公知の方法によって形成され得る。たとえば図３Ａに示されるように、ドープガラス層３９０が、大気圧化学気相成長（ＰＣＶＤ）のような任意の方法によって表面３６２上に形成され得る。ｐ型ドーパントの場合、ドープガラス層３９０は、たとえばホウ素がドープされたホウ珪酸ガラス（ＢＳＧ）であり得る。原料ガスは、たとえばＢＢｒ３、Ｂ２Ｈ６またはＢＣｌ３といった、ホウ素を提供するのに任意の好適なガスであり得る。ｎ型ドーパントの場合、ＰＯＣｌ３のような適切なガスが表面３６２上に約３０分間約８８０℃で流され得、燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）が形成される。他の実施形態では、ドーパントを提供する材料が表面３６２上でスピンされた後にベークされ得る。さらに他の実施形態では、ＢＮのような固体源の上にＯ２を流すことによってドープガラスが熱成長され得る。ドープガラス層３９０は、たとえば約５００Åと約１５００Åとの間の厚さ、たとえば約１０００Åの厚さを有し得る。次に、たとえばエッチング剤ペーストをスクリーン印刷することによって、ドープガラス３９０は選択されたエリアにおいて除去され、ドープ領域３５０が形成されることになるガラス領域３９２（陰をつけたエリアとして示される）を残す。代替的には、ドープ領域３５０は、ｎ型ドーパントを含むアモルファスシリコンの蒸着によって表面３６２上に形成され得る。いくつかの実施形態では、アモルファスシリコンの真性（アンドープ）層が、ドープされたアモルファスシリコン層と表面３６２との間に配置され得る。
【００１６】
ドープ領域３５０を形成するための代替的なプロセスでは、Ｓｉ３Ｎ４（図示せず）の層が表面３６２に配置され得る。スクリーン印刷エッチング剤ペーストが当該Ｓｉ３Ｎ４をエッチングするために施され、ドープ領域３５０が形成されない表面３６２上の任意の位置をマスクする。代替的には、これらのマスクされた領域を規定するために従来のフォトリソグラフィ技術が使用され得る。ｎ型ドープ領域を形成するために、燐のソース（たとえばＰＯＣｌ３）を使用する拡散ドーピングが行われるか、または露出されたエリアにおいてｐ型領域を形成するために、ホウ素を含む環境（たとえばＢＢｒ３）が使用される。この時、フッ化水素酸（ＨＦ）のような公知の方法を使用して、残りのＳｉ３Ｎ４がエッチングされ得る。薄い酸化層がウェハ上で成長され得る。
【００１７】
たとえば約８５０℃と約１０００℃との間のアニールが約３０分から約９０分の間、炉の中で行われ、ガラス領域３９２から半導体薄片３６０の表面３６２にドーパントを拡散する。この拡散は、ドープされたｐ型（たとえばＢＳＧからの）領域３５０またはｎ型（たとえばＰＳＧからの）領域３５０のいずれかを形成する。次に、たとえばＨＦ浸漬のような従来のウェットエッチングにより、ＢＳＧまたはＰＳＧが除去され、表面３６２に露出したドープ領域３５０が残される。ホウ素および燐はそれぞれ最も一般的に用いられているｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントであるが、他のドーパントが使用されてもよい。
【００１８】
ドープ領域３５０が薄膜半導体薄片３６０に形成された後、図３Ｂに示されるように、電気的接続部が形成され得る。いくつかの実施形態では、当該電気的接続部は、金属化層３４０における１つ以上のサブ層を含み得る。金属化層３４０は、物理気相成長を使用してたとえばスパッタ堆積によって形成され得る。金属化層３４０はたとえば、チタン、チタンタングステンまたは銅を含み得る。当該技術において公知であるフォトリソグラフィ法が、金属化層３４０における所望の配線パターンをマスクおよびエッチングするために使用され得、これにより、図３Ｃに示されるようにドープ領域３５０への電気的接続部３４２が形成される。次いで、薄膜半導体薄片３６０から裏面照射型センサを作製するよう、その後の製造ステップが行われ得る。たとえば、銅−スズ、銅−インジウムまたはインジウム−スズのバンプ３４４が、集積回路３３０のボンディングを促進するよう、金属化層３４０上に電気めっきされ得る。このボンディングは、たとえば，銅−銅熱圧着ボンディングまたは銅およびスズ、またはインジウムおよびインジウム、またはインジウムおよびスズを用いる固体−液体相互拡散ボンディングといった、集積回路と薄片との間の電気的接続が得られることになる任意の公知の方法を使用して達成され得る。いくつかの実施形態では、集積回路３３０は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）であってもよい。
【００１９】
薄膜半導体３６０の表面３６２上に所望の構成要素が構築された後、仮支持部３８０が薄片３６０の裏面３６４から取り除かれる。たとえばコーティング、カラーフィルタおよびマイクロレンズを裏面３６４に追加する（たとえば図２）ことによって、完成したＢＳＩセンサが作製され得る。図３Ａ〜図３Ｃの実施形態において分かるように、当初に提供された薄膜半導体薄片３６０の厚さは、裏面照射型センサの作製の間に実質的に変わらないままであり、これにより、研削によって作り出される問題を低減する。
【００２０】
図４のフローチャート４００は、図３Ａ〜図３Ｃの実施形態を示す。フローチャート４００の例示的な方法は、ステップ４１０において薄膜半導体薄片を提供することから始まる。ステップ４２０では、仮キャリアまたは仮支持部が、処理中に壊れやすい薄片のハンドリングをサポートするために、薄片の裏面に接触し得る。ステップ４３０では、１つ以上のドープ領域が薄片の表面に形成される。ドープ領域は、薄膜半導体の導電性と反対の導電性を有する。ステップ４４０では、ドープ領域への１つ以上の電気的接続部が形成される。電気的接続部は、たとえば、金属化層、ハンダバンプおよび熱圧着界面を含んでもよい。ステップ４５０では仮キャリアが取り除かれ、その後、ステップ４６０において完成した裏面照射型センサが、所望のように薄片の裏面上に任意の追加的な製造ステップを行うことによって作製され得る。これらの完成ステップは、たとえば、コーティング、カラーフィルタおよびマイクロレンズを追加することを含んでもよい。コーティングは、薄片の裏面をパッシベートする層を含んでもよい。これらのパッシベーション層は、４５０℃未満（＜４５０℃）の温度でのプラズマ強化化学気相成長によって堆積された水素化アモルファスシリコンの１０Å〜３００Åの層を含んでもよい。完成ステップはさらに、劈開注入プロセスの間に引き起こされた損傷を除去するために、薄片の裏面から何らかの材料をエッチングすることを含んでもよい。
【００２１】
本開示の別の実施形態が図５Ａ〜図５Ｃに示される。この実施形態では、図５Ａのドープ領域５５０が半導体ドナー体５００に形成され、その後、薄片が半導体ドナー体５００から劈開される。当該薄片はドープ領域５５０を含んでいる。ドナー体５００は、たとえば約２００ミクロンから約１０００ミクロンの厚さの任意の実用的な厚さの単結晶シリコンウェハのような適切な半導体材料である。代替的な実施形態では、ドナーウェハはより厚くてもよい。最大厚さは、ウェハのハンドリングの実用性によってのみ限定される。代替的には、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウムまたはＧａＡｓ、ＩｎＰなどといったＩＩＩ−Ｖ族もしくはＩＩ−ＶＩ族半導体化合物を含む他の半導体材料のウェハまたはインゴットが用いられてもよい。
【００２２】
一般に単結晶シリコンを形成するプロセスによって円形のウェハが得られるが、ドナー体は他の形状も有し得る。円柱状の単結晶インゴットは、ウェハをカットする前に八角形の断面にしばしば機械加工される。多結晶ウェハはしばしば正方形である。正方形のウェハは、円形または六角形のウェハと異なり、最小の使われないギャップをウェハの間に挟んだ状態で縁部同士を合わせて整列され得るという長所を有する。ウェハの直径または幅は、任意の標準的なサイズまたはカスタムサイズであってもよい。単純さのために、本開示は、半導体ドナー体として単結晶シリコンウェハを使用することを記載するが、他のタイプおよび他の材料のドナー体が使用され得るということが理解されるであろう。
【００２３】
ドープ領域５５０を含む薄片の剥離が、イオン誘起劈開反応を含む任意の手段によって行われ得る。本発明の譲受人によって所有されここで参照によって援用される、２００８年２月５日に出願されたＳｉｖａｒａｍ他の「薄い薄片を含む光起電力セルを形成する方法（Method to Form a Photovoltaic Cell Comprising a Thin Lamina）」という米国特許出願番号第１２／０２６５３０号は、たとえば水素および／またはヘリウムイオンのような１種以上のガスイオンが注入された（ドープ領域５５０のない）半導体ドナーウェハを記載する。注入されたイオンは、半導体ドナーウェハ５００内において、図５Ａの劈開面５０１のような劈開面を規定する。この開示においてドナー体とも称される半導体ドナーウェハ５００は、その後剥離される薄片の表面５６２になる第１の面５６２を有する。第１の面５６２を通ってガスイオンが注入され（矢印５０３によって示される）、劈開面５０１が作り出される。この水素またはヘリウム注入のコストは、本発明の譲受人によって所有されるとともにここで参照により援用される、２００８年５月１６日に出願されたＰａｒｒｉｌｌ他の「光起電力セルを作製するためのイオン注入装置（Ion Implanter for Photovoltaic Cell Fabrication）」という米国特許出願番号第１２／１２２１０８号に記載される方法によって低減され得る。第１の面５６２から測定される劈開面５０１の全体の深さは、注入エネルギーを含むいくつかの要因によって決定される。劈開面５０１の深さは、第１の面５６２から約０．２μｍと約１００μｍとの間であり得、たとえば約０．５μｍと約２０μｍとの間であり得るか、または、約０．５μｍと約５０μｍとの間であり得、たとえば約１μｍと約２５μｍとの間もしくは約８ミクロンと約２０μｍとの間であり得る。劈開面５０１の深さは、劈開された薄片の厚さを決定する。望ましくは、劈開された薄片の厚さは、完成したＢＳＩセンサにおいて半導体基板の所望の厚さと実質的に同等になるよう選ばれる。したがって、この発明の実施形態に従ったＢＳＩのための半導体基板は、特定の所望の厚さを有するとともに非常に高い精度の厚さの均一性を有して有利に製造され得る。
【００２４】
図５Ｂに示されるようにアニール反応によって、薄片５６０を劈開面５０１においてドナーウェハ５００から劈開する。劈開面５０１は薄片５６０の裏面５６４を作り出す。半導体ドナー体５００の第１の面５６２は、薄片５６０の表面５６２になる。ドナーウェハ５００は、第１の面５６２において仮支持要素５８５に張り付けられ、仮支持要素５８５は半導体ドナー体５００から薄片５６０を持ち上げるために使用され得る。
【００２５】
Ｓｉｖａｒａｍらの実施形態に従うと、半導体薄片５６０は、約０．２μｍと約１００μｍの間の厚さであってもよく、たとえば約０．２μｍと約５０μｍとの間、たとえば約１μｍと約２５μｍとの間の厚さ、いくつかの実施形態では、約５μｍと約２０μｍとの間の厚さであってもよいが、当該指定された範囲内の如何なる厚さも可能である。Ｓｉｖａｒａｍらの方法を使用すると、光電池は、スライスされたウェハから形成されるのではなく、薄い半導体薄片から形成され、過度のカーフロス（kerf loss）によってまたは不必要に厚い電池の作製によってシリコンを浪費することないので、コストが低減される。複数の薄片を形成するよう同じドナーウェハを再使用することができ、さらにコストが低減され、また何らかのその他の使用のために複数の薄片の剥離の後にドナーウェハを再び販売し得る。
【００２６】
しかしながらＳｉｖａｒａｍらの方法では、ウェハは、薄い薄片に対して機械的な支持を提供するために、プロセスの初期において仮支持要素または永久的支持要素に接触されなければならない。典型的に、この態様で形成された薄片は、支持要素を任意の得られる装置に組み入れるか、または、支持要素を除去する脱離ステップを行うかのいずれかをしなければならない。本開示のいくつかの実施形態では、薄く自立した薄片が形成され、支持要素への粘着または永久的な接合なしで、かつ薄片から装置を作製する前に脱離または洗浄ステップを必要とせずに、ドナー体から分離され得、これにより、薄片の表面または裏面に対して任意の数の処理ステップを有益に提供する。剥離された薄片の表面になるドナー体５００の第１の面は、剥離された薄片の第１の面となるが、支持要素５８５に隣接して配置され得、上記面が処理ステップにより処理される前または後にドナー体の第１の面から薄片を剥離するアニールステップが行われ得る。劈開面は、薄片の裏面を作り出し、その後、剥離された薄片のいずれかの側に対して再び、任意の数の処理ステップが行われ得る。これらのプロセスは、２０１１年１２月２０日に出願され、ここで参照によって援用されるＫｅｌｌ他の米国特許出願番号第１３／３３１，９０９号「薄い薄片を形成するための方法および装置（A Method and Apparatus for Forming a Thin Lamina）」に記載されるように、薄片上に接合された支持要素がない状態で行われ得る。
【００２７】
図５Ｃに戻って、剥離に先立って、本発明の半導体ドナー体５００の第２の面５０２が、サセプタアセンブリのような仮支持要素５８６に分離可能に接触し得る。ドナー体５００と支持要素５８６との間の接触は、真空力、静電気力または化学力のような任意のタイプの分離可能な力または接着を含み得る。いくつかの実施形態では、薄片を剥離する間にドナー体５００とサセプタ５８６との間で相互に作用する力は、サセプタ５８６上のドナー体５００の重量だけである。剥離機器が図５Ｂの中で示される構成から垂直方向に反転される構成を有する他の実施形態では、相互に作用する力は、ドナー体上のサセプタアセンブリ５８６の重量のみである。サセプタアセンブリ５８６へのドナー体５００の接触の後、熱または他の力が、劈開面５０１においてドナー体５００から薄片５６０を劈開するようにドナー体５００に適用され得る。永久的に付着された支持要素がない状態で剥離された薄片における物理的欠陥を最小限にするために剥離条件が最適化されて、ドナー体から薄片を劈開され得る。剥離は、たとえば約３５０℃と約６５０℃との間の温度で行われ得る。一般に、剥離はより高い温度でより急速に進む。
【００２８】
図５Ｃに示されるように、劈開面５０１においてドナーウェハ５００から薄片５６０を劈開する際に、薄片５６０上の表面５６２と反対である裏面５６４が作り出される。ドープ領域５５０は、表面５６２において薄片５６０内に位置する。薄片５６０は、イオン注入によって引き起こされた如何なる損傷も除去するようアニールされ得る。自立薄片５６０は、表面５６２または裏面５６４のいずれかにおいて仮支持要素と一時的に接触し得る。たとえば、上記の図３Ｂ〜図３Ｃに関して記載されたように薄片５６０を裏面照射型センサに作製するために、さらなる製造ステップの間、図５Ｃにおける支持要素５８０は裏面５６４に接触し、その後取り除かれ得る。
【００２９】
なお、イオンを注入するステップ、半導体ドナー体を劈開するステップ、およびドープ領域を形成するステップは、摂氏４５０度を上回るような高温で行われる。ＢＳＩセンサを作製する初期段階においてこれらの高温ステップを行うことは、裏面照射型センサを作製するその後のステップにおいて、熱によってより壊れやすい材料が使用されることを可能にするという利点がある。本発明のいくつかの実施形態において、完成したＢＳＩセンサの製造中に、イオンを注入するステップ、半導体ドナー体を劈開するステップ、およびドープ領域を形成するステップのみが摂氏約４５０度を上回る処理温度を有する。他の実施形態では、ドープ領域の形成は、イオンを注入するステップに先立って行われる。
【００３０】
図６のフローチャート６００は、図５Ａ〜図５Ｃの方法の例示的な実施形態を示す。ステップ６１０では、半導体ドナー体が提供される。ステップ６２０では、完成したＢＳＩセンサアセンブリのフォトダイオードとして機能する１つ以上のドープ領域が、ドナー体に形成される。ドープ領域は、ドナー体の第１の面に形成され、ドナー体の導電性とは異なる導電性を有する。ステップ６３０では、劈開面を形成するようイオンが半導体ドナー体へ注入され、ステップ６４０では、その後、半導体薄片がドナー体から劈開される。半導体ドナー体の第１の面は薄片の表面として機能し、劈開面は薄片の裏面を作り出す。さらに、ドープ領域は、剥離された薄片の表面に含まれる。ステップ６５０では、仮キャリアまたは仮支持部が半導体薄片の裏面に接触される。ステップ６６０では、上に記載された金属化層のような電気的接続部が薄片の表面側上のドープ領域に結合される。ステップ６７０では、仮キャリアが除去される。ステップ６８０では、図４のステップ４６０に関して記載された製造ステップのような薄片の裏面上で所望の任意の追加的な製造ステップを行うことによって、完成した裏面照射型センサが作製され得る。
【００３１】
上で論じたように、本発明の実施形態は、ＢＳＩセンサについて所望の厚さを達成するようさらなる薄肉化を必要としない薄片を提供する方法を提供し、これによりコストが低減され製造性が改善される。提供される薄片の厚さは、薄片の処理および裏面照射型センサの作製中に、たとえばエッチングの結果、その初期の厚さの２０％以下だけ変更されるといったように実質的に変わらないままである。また上記方法の実施形態は、製造プロセスの初期において、典型的に高温を必要とするプロセスであるダイオード領域をドープすることを含み、この結果、その後の作製ステップにおいて、低温材料およびプロセスの使用を可能にする。
【００３２】
なお、本発明の範囲から逸脱することがなければ、追加的なステップが、この開示に記載されるフローチャートに組み入れられてもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、仮支持部も表面に接触され得る。同様に、表面および裏面のいずれかまたは両方に接触する仮支持部は、完成したＢＳＩセンサアセンブリを作製することに関連したさまざまなステップを通じて、薄片を転写するために使用され得る。他の実施形態では、エッチングまたは他の表面調整プロセスが行われ得る。エッチングステップは、薄片の裏面において損傷を除去するよう機能し得る。このエッチングステップは、たとえばウエットまたはプラズマ処理によって行われ得る。たとえば、プラズマ処理は、ＳＦ６環境において行われ得る。エッチングされる量は、全体の薄片厚さの２０％未満であり得る。
【００３３】
明細書において本発明の特定の実施形態に関して詳細に記載してきたが、上記についての理解を得た当業者であれば、これらの実施形態の変更例、変形例および均等例に容易に想達し得るということが理解されるであろう。本発明に対するこれらならびに他の修正例および変形例は、添付の特許請求の範囲においてより特定的に記載される本発明の精神および範囲から逸脱することがなければ当業者によって実施され得る。さらに、当業者は、上記の記載は単に例示であって、本発明を限定するよう意図されないということを理解するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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