СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ
PRODUCTION OF HIGH-SENSITIVITY MULTICOMPONENT SOLID-STATE IMAGE CONVERTERS

Изобретение относится к способам изготовления структур высокочувствительных многоэлементных твердотельных преобразователей изображения (многоэлементных фотоприемников).
Известен способ изготовления высокочувствительных многоэлементных твердотельных преобразователей изображения (ТПИ) с освещением с обратной стороны подложки, включающий следующие последовательные этапы:
1. изготовление полупроводниковой (обычно, кремниевой) пластины с кристаллами ТПИ (далее называемой "приборная пластина"), включающее, в свою очередь, создание на поверхности полупроводника слоя подзатворного диэлектрика, формирование методами планарной технологии структуры ячеек ТПИ, включающей обычно электроды из поликристаллического кремния и легированные области в подложке, и формирование шин металлизации и контактных площадок (как правило, из алюминия или сплавов на его основе);
2. соединение приборной пластины и пластины-носителя методом так называемого адгезионного бондинга с использованием в качестве адгезива полимерного связующего или стеклянной фритты (при этом лицевая сторона приборной пластины обращена в сторону пластины-носителя);
3. обработка обратной стороны пластины, включающая утонение обратной стороны приборной пластины методами механической обработки (шлифовки и полировки) и химического травления до финишной толщины, лежащей, как правило, в интервале 10-50 мкм;
4. обработка обратной стороны пластины, включающая формирование тем или иным способом необходимого изгиба энергетических зон у обратной поверхности кремния, и последующее нанесение антиотражающего покрытия;
5. вскрытие окон к контактным площадкам кристалла со стороны приборной пластины с использованием методов фотолитографии с последующим травлением (жидкостным и/или реактивным ионным травлением);
6. разделение пластины, соединенной с пластиной-носителем, на отдельные кристаллы;
7. монтаж кристалла на основание;
8. формирование внешних выводов к контактным площадкам кристалла, например, способом разварки микропроволокой.
Данный способ описан, например, в работе [1].
Данный способ изготовления высокочувствительных многоэлементных твердотельных преобразователей изображения принят в качестве прототипа.
2
3
4
Недостатком данного способа изготовления такого ТПИ является высокая вероятность возникновения электрических замыканий (утечек) между металлом контактной площадки и кремниевой подложкой приборной пластины, т.к. изоляцией между ними служит только тонкий слой подзатворного диэлектрика (обычно в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойная композиция оксид кремния SiO - нитрид кремния SiN, причем каждый слой имеет толщину порядка 50 нм). Боковая поверхность диэлектрика в контактном окне открыта внешним воздействиям, в результате чего по этой поверхности может возникать поверхностная проводимость за счет наличия загрязнений, конденсации влаги и т.п.
В качестве иллюстрации можно привести следующий оценочный расчет.
Сопротивление утечки между электродами в контактном окне равно
где Rs - поверхностное сопротивление диэлектрика в окне (Ом/),
d - толщина диэлектрика,
L - длина периферии контактного окна.
leak
6
Если считать, что допустимый ток утечки между электродами составляет 10 мкА при напряжении 10 В, то сопротивление утечки R должно быть не менее 10 Ом.
Из формулы (1) получается минимально допустимая величина поверхностного сопротивления
leak
9
Принимая d=0,1 мкм, L=500 мкм, получаем следующее ограничение на величину поверхностного сопротивления: R≥5-10 Ом/.
При недостаточно качественной финишной отмывке кристалла и/или влиянии неблагоприятных факторов внешней среды реальная величина поверхностного сопротивления диэлектрика может оказаться существенно ниже указанного минимально допустимого порога.
Кроме того, нужно принять во внимание возможность попадания нежелательных микрочастиц на край контактной площадки, например, в процессе сборочных операций, что может вызвать замыкание, приводящее к необратимому отказу прибора.
Технический результат заключается в разработке надежного процесса вскрытия контактных окон при изготовлении высокочувствительных многоэлементных ТПИ, при котором минимизируется вероятность замыкания металлических электродов контактных площадок с кремниевой подложкой и существенно снижаются требования к допустимому значению поверхностного сопротивления подзатворного диэлектрика, благодаря чему обеспечивается повышение выхода годных фотоприемников.
Это достигается за счет способа изготовления высокочувствительного многоэлементного твердотельного преобразователя изображения, включающего этап изготовления приборной пластины, этап соединения приборной пластины с пластиной-носителем, этап обработки обратной стороны приборной пластины, этап вскрытия контактных окон, этап разделения на чипы и формирования внешних выводов, ОТЛИЧАЮЩЕГОСЯ ТЕМ, что на этапе вскрытия контактных окон сначала вытравливают окна в слое кремния приборной пластины, расположенные над контактными площадками, большие по размеру, чем размер контактных площадок, при этом используют преимущественно щелочные травители, а затем вскрывают контактные окна в слое диэлектрика, расположенного над контактной площадкой, преимущественно методом реактивного ионного травления, используя в качестве травителей фторзамещенные углеводороды.
На фигурах 1-5 проиллюстрирован способ изготовления высокочувствительного многоэлементного твердотельного преобразователя изображения (многоэлементного фотоприемника). Рассматриваемый способ может быть использован для изготовления различных типов многоэлементных ТПИ, например фоточувствительных приборов с переносом заряда (ФППЗ), фотоприемников на основе КМОП-структур, в т.ч. с активными ячейками; при этом указанные приборы могут иметь как матричную, так и линейную структуру. Вследствие этого в дальнейшем описании не рассматриваются конкретные детали, касающиеся структуры фоточувствительных ячеек многоэлементного ТПИ.
2-
3
4
На этапе изготовления приборной пластины (фиг. 1) на кремниевой пластине 1 выращивают слой подзатворного диэлектрика 2, обычно представляющий собой двухслойную композицию SiOSiN. Затем формируют структуру матрицы фоточувствительных ячеек, как правило, включающую один или несколько уровней электродов из поликристаллического кремния и легированные области в кремниевой подложке. На фигуре 1 для условного отображения структуры ячеек показаны поликремниевые электроды 4. Изготовление пластины с кристаллами многоэлементного ТПИ завершается формированием алюминиевых шин разводки и контактных площадок 3.
На этапе соединения приборной пластины с пластиной-носителем приборную пластину со стороны области электродов 4 сращивают с пластиной - носителем 5 с помощью т.н. процесса адгезионного бондинга, т.е. связывания пластин слоем специального полимерного клея или стеклянной фритты 6 (фиг. 2). Для придания прочности адгезионному соединению осуществляют термообработку "сборки" пластин в соответствующих температурных режимах.
На этапе обработки кремниевую приборную пластину 1 утоняют, используя последовательно механическую обработку (шлифовку и полировку) и химическое травление. Затем осуществляют обработку обратной стороны утоненной кремниевой пластины 1а (фиг. 3) одним из известных способов, обеспечивающих формирование необходимого изгиба энергетических зон у обратной поверхности кремния, обеспечивающего отталкивание неосновных (сигнальных) носителей от обратной поверхности кремния и, таким образом, препятствующего их рекомбинации на этой поверхности. После этого на обратную поверхность обычно наносят антиотражающее покрытие (на рис. не показано).
На этапе вскрытия контактных окон в утоненном слое кремния 1а формируют окна 7 (фиг. 4), расположенные над контактными площадками, большие по размеру, чем размер контактных площадок. Поскольку обычно контактные площадки расположены регулярным образом в ряд вдоль краев кристалла, упомянутые окна могут, в частном случае, соединяться в полосу, идущую вдоль края кристалла над контактными площадками и полностью перекрывающую их по своей ширине.
3
4
2
Для формирования упомянутых окон 7 сначала методом фотолитографии создают маску для травления, затем вытравливают слой кремния, преимущественно используя жидкостное химическое травление в анизотропных травителях. В качестве травильного раствора в данном случае целесообразно использовать щелочные травители, например раствор гидроокиси калия (едкого калия) KOH или раствор гидроксида тетраметиламмония (CH)NOH. При использовании щелочных травителей процесс травления кремния в глубину прекратится по достижении границы оксида кремния, скорость травления которого в щелочных травителях весьма мала (иными словами, щелочные травители характеризуются высокой селективностью травления кремния по отношению к SiO). В то же время боковой растрав окон в кремнии будет ограничен кристаллографическими плоскостями (111), т.к. скорость травления кремния в щелочных растворах в направлении (111) много меньше, чем по другим кристаллографическим направлениям.
4
3
3
8
6
3
Затем формируют (вскрывают) контактные окна 8 в области, расположенной непосредственно над контактной площадкой 3, травлением слоя диэлектрика 2 (фиг. 5). Для травления слоя диэлектрика, как правило, используют метод реактивного ионного (плазмохимического) травления. Обычно в этом процессе для травления оксида и нитрида кремния используют различные фторзамещенные углеводороды (фреоны), такие как CF, CHF, CF и др., а также гексафторид серы (элегаз) SF. При использовании фторсодержащих газов процесс травления останавливается при достижении границы слоя Al за счет образования прочного пассивирующего фторида алюминия AlF.
1
1
При таком способе вскрытия контактных окон слой кремния 16, полученный после образования окон (дорожек) 7, оказывается удаленным от периферии контактной площадки 3, т.о. устраняется опасность замыкания кремния и металла контактной площадки. При этом типичная величина расстояния между краем контактной площадки и краем окна 7 может составлять несколько десятков микрон (обозначим это расстояние как d). Для расчета допустимой величины поверхностного сопротивления диэлектрика теперь следует подставить в формулу (2) эту величину вместо d. Учитывая соотношение между величинами d и d, требования к поверхностному сопротивлению изоляции в случае предлагаемого способа оказываются на 2-3 порядка более мягкими, чем предъявляемые в случае традиционного способа вскрытия окон.
В предлагаемом способе вероятность замыкания между металлизацией контактной площадки и слоем кремния за счет попадания посторонней микрочастицы на край контактной площадки сводится практически к нулю, т.к. при современном уровне микротехнологии попадание на поверхность кристалла частиц размером более 10 мкм представляется невероятным.
В результате реализуется надежный процесс вскрытия контактных окон при формировании высокочувствительных многоэлементных фотоприемников, при котором устраняется возможность замыкания металлических электродов контактных площадок и кремниевой подложки и существенно снижаются требования к допустимому значению поверхностного сопротивления подзатворного диэлектрика, благодаря чему обеспечивается существенное повышение выхода годных фотоприемников.
Литература
[1] D.E Booth, C.E Hunt, W.E. Brown, R.J. Stover. Backside imaging CCD using bonded and etched back silicon on epoxy. // Proc. 4th Intern. Symp. on Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology and Application (Paris, France, 1997). ECS Proc. vol. 97-36, pp. 584-591. Pennington, NJ: Electrochemical Society, 1998.