一种电子倍增电荷耦合器件的背面结构及其制作方法与流程

本发明涉及一种电子倍增电荷耦合器件的背面结构及其制作方法，属于电荷耦合器件技术领域。

背景技术：

电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）经过多年的发展，己经广泛地使用在图像扫描、工业非接触测量、航空航天、天文遥感、军事、医学等诸多领域。电子倍增电荷耦合器件是一种大规模集成光电器件，具有光电转换，电荷存储、电荷转移、电荷测量等功能，还具备高灵敏度、高信噪比、高调制传递函数以及全固态等技术特点，无论在传统的昼用数字影像产业的技术升级改造方面，如X射线数字成像系统、各种高帧频相机等，还是在微光夜视的开发方面，如微光电视、工业监控和深空探测等，以及新兴产业方面，如智慧城市、互联网＋等，作为昼夜通用、轻量可靠的微光成像系统核心器件的电子倍增电荷耦合器件都起到了不可取代的关键的作用。

近年来由于工业自动化和数字影像的市场规模迅速扩增，微光探测器的市场需求也急剧增长，得益于电子器件的制作工艺不断升级，电子倍增电荷耦合器件的背面结构的设计与制作日趋成熟，使得背面照射电子倍增电荷耦合器件越来越广泛应用于生产生活与工作中，应用背面照射电子倍增电荷耦合器件为核心器件的数字影像采集以及处理系统在消费电子、医疗、工业监控、航空航天、军事等领域都有大量使用，如地铁交通管理中的监控摄像头，视频会议，摄像机等等。然而，当前国内电子倍增电荷耦合器件的背面结构研究还处在研发阶段，未实现成本和工艺达到合适的平衡。目前主流的背面结构制作方法在磨抛时需要多步调整工艺参数，不仅造成工艺效率低还易导致芯片破裂，需要定制专用的固定夹具，成本较高，而且现有背面制作技术普遍存在光刻图形单一，图形控制精度较为粗略，适用的器件方案较少等问题，不适合电子倍增电荷耦合器件的背面结构的制作。

技术实现要素：

本发明提供一种电子倍增电荷耦合器件的背面结构及其制作方法，以克服现有技术中存在的上述缺陷，通过使用适合的磨抛工艺和多种选择性刻蚀方法相结合的技术，很好地实现超薄且均匀，电子倍增电荷耦合器件背面厚度减薄，而且，减薄速度快，缺陷较少，采用多步标准的半导体光刻工艺实现电子倍增电荷耦合器件背面结构形貌的构建，既降低了器件的生产成本，又能保证器件的良好性能，有较好的经济效益。

电子倍增电荷耦合器件背面结构及其制作方法的技术方案是通过器件背面磨抛腐蚀、低能P型离子注入、激光退火、多层膜溅射刻蚀和电极引出区的光刻腐蚀等工艺步骤实现，在正面结构完成后，使用磨抛结合多种腐蚀工艺对器件背面进行减薄处理，然后对平坦化的背部表面进行低能量P型离子注入，注入完成后采用激光退火进行快速退火，形成离子注入区，接下来淀积增透膜和金属屏蔽层，并进行图形光刻完成光敏区和存储增益区表面形貌，最后通过对多种材料的光刻腐蚀制作出电极引出区，制作成完整的电子倍增电荷耦合器件背面结构。

一种电子倍增电荷耦合器件的背面结构，其特征在于：在EMCCD芯片(1)的背面设有电极引出区(2)、光敏区(3)、存储增益区(4)、离子注入区(5)、增透膜(6)和金属屏蔽层(7)，电极引出区(2)、光敏区(3)、存储增益区(4)相邻形成于EMCCD芯片(1)的背面硅体内部，通过低能离子注入在光敏区(3)和存储增益区(4)内部形成离子注入区(5)，在光敏区(3)表面敷有增透膜(6)，存储增益区(4)表面设有增透膜(6)和金属屏蔽层(7)。

其中，所述电子倍增电荷耦合器件芯片背面电极引出区、光敏区以及其上面的增透膜、存储增益区和其上面增透膜和金属屏蔽层依次相邻形成三级台阶形貌。

所述电子倍增电荷耦合器件芯片背面存储增益区和其上面增透膜和金属屏蔽层、电极引出区依次相邻形成二级台阶形貌。

光敏区(3) 和增透膜(6)形成的第二级台阶与电极引出区(2)形成的第一级台阶之间的侧壁与第一级台阶表面夹角α在90°～150°，存储增益区(4)上面的金属屏蔽层(7)形成的第三级台阶与光敏区(3)和增透膜(6)形成的第二级台阶之间的侧壁与第二级台阶表面夹角β在90°～150°。

存储增益区(4) 和上方的增透膜(6)、金属屏蔽层(7)形成的第二级台阶与电极引出区(2)形成的第一级台阶之间的侧壁与第二级台阶表面夹角γ在90～150°。

电极引出区(2)厚度h0在0.5～10μm。

电极引出区(2)形成的第一级台阶与光敏区(3) 和增透膜(6)形成的第二级台阶之间的侧墙高度h1在10～30μm。

光敏区(3) 和增透膜(6)形成的第二级台阶与存储增益区(4)上方的金属屏蔽层(7)形成的第三级台阶之间的侧墙高度h2在0.5～5μm。

所述背面结构中的离子注入区的深度d0在0.1～2μm。

所述背面结构中的增透膜的厚度d1在0.01～1μm

所述背面结构中的金属屏蔽层的厚度d2在0.5～5μm。

所述的EMCCD芯片背面结构的制作方法是在EMCCD芯片正面工艺进行完成之后，按以下步骤进行:

1) 将EMCCD芯片(1)背面经过机械研磨、湿法腐蚀和化学机械抛光工艺相结合使背面减薄至10～50μm；

2) 在已经减薄的EMCCD芯片(1)背面经过低能离子注入，注入P型离子， 在EMCCD芯片背面硅体内部形成离子注入区(5)；

3) 对离子注入区(5)进行激光退火处理，通过快速退火修复晶格损伤；

4) 在EMCCD芯片(1)背部通过淀积蒸镀一层增透膜(6)；

5) 在增透膜(6)上面采用溅射淀积一层金属屏蔽层(7)；

6) 光刻腐蚀金属屏蔽层(7)，实现掩膜图形的转移，刻蚀截止层为增透膜(6)层，形成存储增益区(4)表面的金属屏蔽层(7)；

7) 采用光刻腐蚀增透膜(6)，在光敏区(3)的表面建立图形，刻蚀截止层为离子注入区(5)，形成光敏区(3)表面的增透膜(6)层；

8) 采用感应耦合等离子体刻蚀并且结合湿法刻蚀和/或干法刻蚀，在EMCCD芯片(1)背部制作出电极引出区(2)。

本发明在EMCCD芯片背面采用磨抛减薄、湿法腐蚀、干法刻蚀、化学机械抛光等多步工艺形成了台阶形貌结构，台阶的侧墙不是垂直，侧墙与水平面成一定夹角，本发明应用多步工艺方法能够有效的控制减薄的均匀性，可以实现背面硅体均匀有效的去除，降低EMCCD芯片内部产生的应力作用，不易发生芯片破裂，并且能够降低背部表面的损伤。本发明通过离子注入区，在光敏区和存贮增益区内部的形成内建电场，内建电场的电势差驱动由于入射光背面入射硅体产生的光生电子，使得光生电子有效的转移到EMCCD器件的积分势阱，有利于提高EMCCD器件的光响应时间，保证了器件光响应时间和器件光生载流子吸收率之间更好的折衷。

本发明提供了一种EMCCD芯片背面结构及其制作方法，在EMCCD芯片正面结构制作完成后，用机械磨抛，在磨抛过程中通过选择合适磨抛材料、磨抛垫和磨抛速率将EMCCD芯片减薄至目标厚度，目标厚度设定是20μm，使用机械磨抛减薄到这样目标厚度，能降低EMCCD芯片的碎裂概率，然后通过使用慢速低发热腐蚀液，并且配合现有技术中的高精密温控仪器进行腐蚀速率和腐蚀精度可控的湿法腐蚀，这种腐蚀方法不仅具有选择性，还能够增加EMCCD芯片背部腐蚀精确度，而且这种腐蚀方法还能够尽量减小腐蚀液EMCCD芯片背部表面的污染。然后，继续使用感应耦合等离子ICP干法刻蚀技术对EMCCD芯片背面进行刻蚀操作，由于ICP刻蚀具有可控性好和均匀一致性高的等特点，能够实现对EMCCD芯片实现较好可控的刻蚀轮廓和干净刻蚀，接下来应用化学机械抛光CMP，通过选择抛光液颗粒尺寸、抛光液流速、抛光液的pH值以及抛光垫材料和抛光垫压力等条件获得EMCCD芯片背面极好的平整度，得到高平整度的EMCCD芯片背部光滑表面，并且减小EMCCD芯片背部表面损伤。本发明在EMCCD芯片背面采用离子注入，不仅能够有效的减少表面这种俘获态缺陷对光生载流子的产生复合作用，还可以通过由于离子注入效应在EMCCD芯片背部的硅体内产生内建电势差提高EMCCD芯片的信号收集效率。本发明在EMCCD芯片背面光敏区蒸镀增透膜减少了由于EMCCD芯片背部表面反射的光能损失，提高了器件的光电效率。本发明通过采用磨抛减薄、半导体刻蚀、化学机械抛光、离子注入和光刻工艺等多步半导体制程方法实现了EMCCD芯片背面结构及其制作。本发明工艺可控、工艺步骤简洁，不仅能有效改善实现EMCCD芯片背面形貌工艺效率低的问题，还能大大提升EMCCD芯片的光电转换性能，本发明具有背面加工精度高，支持多样的器件背面图形优化的特点，本发明能够大幅降低EMCCD芯片背面结构制作成本，实现制造成本与产品性能达到最佳平衡，本发明对于推动我国微光探测器自主发展，具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是离子注入区形成图示。

图3是增透膜和金属屏蔽层形成图。

图4是光敏区和存储增益区形成示意图。

图5形成电极引出区的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

如图1本发明的结构示意图所示：一种EMCCD芯片背面结构包括EMCCD芯片1 、EMCCD芯片1的电极引出区2 、光敏区3 、存储增益区4 、离子注入区5 、增透膜6和金属屏蔽层7。电极引出区2 、光敏区3 、存储增益区4相邻形成于EMCCD芯片1的背面硅体内部，通过低能离子注入在光敏区3和存储增益区4内部形成离子注入区5，在光敏区3表面敷有增透膜6，存储增益区4表面有增透膜6和金属屏蔽层7。

电极引出区2设置于EMCCD芯片1背面两侧，电极引出区2上间隔设有压焊图形，压焊图形可用来与EMCCD芯片1的封装结构体键合互连，EMCCD芯片1背面的光敏区3和存储增益区4位置在电极引出区2之间，光敏区3和存储增益区4内部都有通过低能离子注入形成的离子注入区5，在光敏区3表面是通过清洗、烘焙、溅射蒸镀等半导体加工方法形成的增透膜6，光敏区3表面的增透膜6能够降低驻波效应减少入射光在光敏区3表面反射的光线，在存储增益区4表面是通过清洗、烘干、溅射的半导体工艺方法制作的金属屏蔽层7，存储增益区4表面的金属屏蔽层7能够有效防止入射光在存储增益区4表面发生透射的。

图1本发明结构示意图中EMCCD芯片1背面上的电极引出区2、光敏区3以及增透膜6 、存储增益区4及金属屏蔽层7形成三级台阶形貌，其中，电极引出区2 在EMCCD芯片1背面上形成第一级台阶，光敏区3和增透膜6 在EMCCD芯片1背面上形成第二级台阶，金属屏蔽层7在EMCCD芯片1背面上形成第三级台阶。

图1本发明结构示意图中EMCCD芯片1背面上的电极引出区2、存储增益区4、增透膜6及金属屏蔽层7形成二级台阶形貌，其中，电极引出区2 在EMCCD芯片1背面上形成第一级台阶，存储增益区4 以及增透膜6和金属屏蔽层7 在EMCCD芯片1背面上形成第二级台阶。

图1本发明结构示意图中三级台阶形貌的第一级台阶与第二级台阶之间的侧墙与第一级台阶表面的夹角是α，第一级台阶与第二级台阶之间的侧墙与第二级台阶表面的夹角是β。夹角α在90～150°，夹角β在90～150°。

图1本发明结构示意图中二级台阶形貌的第一级台阶与第二级台阶之间的侧壁与第二级台阶表面的夹角是γ。夹角γ在90～150°。

图1本发明结构示意图中电极引出区2厚度是h0。厚度h0在0.5～10μm。

图1本发明结构示意图中三级台阶形貌的第一级台阶与第二级台阶之间的侧墙高度是h1。侧墙高度h1在10～30μm。

图1本发明结构示意图中三级台阶形貌的第二级台阶与第三级台阶之间的侧墙高度是h2。侧墙高度h2在0.5～5μm。

图1本发明结构示意图中离子注入区5的深度是d0。深度d0在0.1～2μm。

图1本发明结构示意图中增透膜6的厚度是d1。厚度d1在0.01～1μm。

图1本发明结构示意图中金属屏蔽层7的厚度是d2。厚度d2在0.5～5μm。

图2是离子注入区形成图示，在减薄的EMCCD芯片1背面进行低能P型离子注入,在EMCCD芯片1背面硅体内部形成离子注入区5，离子注入区5能够降低背部表面的晶格损伤和缺陷，而且离子注入区5还能够形成内建电场驱动光生电子发生有效的转移。

图3是增透膜和金属屏蔽层形成图，在减薄的EMCCD芯片7背面通过溅射、蒸镀等半导体加工方法形成增透膜6和金属屏蔽层7，增透膜6能够减少入射光在EMCCD芯片7背部表面发生的反射现象，金属屏蔽层7能够有效防止入射光透射进入离子注入区5。

图4是光敏区和存储增益区形成示意图，对EMCCD芯片1背面淀积的增透膜6和金属屏蔽层7采用半导体光刻工艺，首先转移掩膜版图形到增透膜6和金属屏蔽层7上面光刻胶层进行曝光显影，然后通过刻蚀转移图形从光刻胶层到增透膜6和金属屏蔽层7，通过特征图形在离子注入区5形成光敏区3和存储增益区4。

图5形成电极引出区的示意图，在EMCCD芯片1背面采用感应耦合等离子体刻蚀并结合其它干法刻蚀和湿法刻蚀工艺，刻蚀EMCCD芯片1背部多层次材料根据特征图形制作出EMCCD芯片背部的电极引出区2。

EMCCD芯片背面结构的制作方法是在EMCCD芯片正面工艺进行完成之后，按以下具体详细的步骤进行:

1) 将EMCCD芯片1背面经过机械研磨、湿法腐蚀和化学机械抛光等工艺相结合使背面减薄至10～50μm；

2) 在已经减薄的EMCCD芯片1背面经过低能离子注入，注入P型离子，注入剂量是1E14～5E15，注入能量为0.1KeV～10KeV,形成深度d0在0.1～2μm的离子注入区5；

3) 在EMCCD芯片1背面的离子注入区5进行激光退火处理，激光退火采用工作波长为100nm～500nm、能量密度为0.1J/cm2～20J/cm2、脉冲宽度为50ns～500ns的激光束；

4) 在减薄的EMCCD芯片1背部的离子注入区5表面通过淀积蒸镀一层增透膜6，增透膜6层厚度为0.01～1μm；

5) 光刻腐蚀EMCCD芯片1背部的金属屏蔽层7，转移掩膜图形到EMCCD芯片1背部，刻蚀截止层为增透膜层6，形成存储增益区4表面的金属屏蔽层7，金属屏蔽层7的厚度为0.5～5μm；

6) 采用光刻腐蚀EMCCD芯片1背部蒸镀的增透膜6，在光敏区3的表面建立图形，刻蚀截止层为EMCCD芯片背部的离子注入区5，形成光敏区3表面的增透膜6层，增透膜6层的厚度为0.01～1μm；

7）采用感应耦合等离子体刻蚀并且结合湿法刻蚀和干法刻蚀，在EMCCD芯片1背部制作电极引出区2。

本发明通过机械磨抛、半导体刻蚀、化学机械抛光等制程方法对EMCCD芯片(1)背部厚度有很好的控制能力，背面加工精度高，对背面的光刻图形无特别的限制，能实现多种背面图形方案，简单可靠，本发明还降低了生产成本，缩短了产品研发周期。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，能够以其他的具体形式实现本发明，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本发明按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将上述图例说明作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。