一种背照式EMCCD背面结构及其制作方法与流程

一种背照式emccd背面结构及其制作方法
技术领域
[0001]
本发明涉及一种背照式emccd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：

[0002]
emccd（electron multiply charge coupled device）是一种通过电荷倍增提升夜视探测能力的全固态微光成像器件，是探测领域内灵敏度极高的一种高端光电探测产品。emccd具有低噪声、高灵敏度、高动态范围、高量子效率等特点，在微光夜视中具有极大优势。
[0003]
背照式emccd由于光从芯片背面入射，并通过对芯片衬底厚度及背表面做工艺处理，减小了前照式芯片表面半透明多晶硅电极吸收与反射的影响，可以提高emccd器件光谱响应范围和量子效率，峰值可达到90%以上。因此在高性能emccd产品中，普遍采用背照式结构，同时背照技术也已用于cmos图像传感器的制备。
[0004]
背照式emccd为了提高端波段光量子转换效率，需要将背面高浓度衬底硅去除，留下低掺杂硅层。背面衬底去除后，由于器件面阵大（毫米级），电荷在栅电极时钟信号耦合下，延迟升高，电荷转移效率降低。


技术实现要素：

[0005]
本发明提供一种背照式emccd背面结构及其制作方法，以克服emccd背照工艺中去除重掺杂衬底硅引起的电荷转移效率降低问题。
[0006]
本发明采用的技术方案如下：一种背照式emccd背面结构，包括现有的emccd前照结构，主要由以下部分组成：高阻外延硅层的前面设有光敏区、存储区、水平移位寄存器、倍增区及输出放大区、正面p+接触区、正面金属引线电极以及铝避光层，emccd前照表面设有二氧化硅氧化层，其特征在于：高阻外延硅层背面设有p+层，厚度50nm~200nm；p+层背面蒸镀一层增透膜；在p+层上面制有硼离子注入的p+电极接触区，p+电极接触区覆盖存储区、水平移位寄存器、倍增寄存器及输出放大器；在emccd背面设有金属化电极，金属化电极与p+电极接触区接触并覆盖p+接触层；增透膜、p+层、高阻外延硅层的两侧，露出emccd正面金属引线电极。
[0007]
本发明还提供了一种背照式emccd背面结构的制作方法，包括以下步骤：1）制作完成前照工艺的emccd前照晶圆，包括：低阻衬底硅层，低阻衬底硅层上面设有高阻外延硅层，高阻外延硅层上面设有光敏区、存储区、水平移位寄存器、倍增区及输出放大区、正面p+接触区及正面金属引线电极，还设有铝避光层并覆盖存储区、水平移位寄存器、倍增区及输出放大区；2）将emccd前照晶圆片正面进行表面介质平坦化，通过二氧化硅淀积氧化层，厚度4μm~
6μm；3）在emccd前照晶圆片氧化层表面旋涂聚合物层（例bcb、pi），聚合物层通过晶圆键合工艺键合一层键合基片（例硅片、石英片），键合基片作为减薄的支撑片；4）对emccd前照圆片背面通过减薄去除低阻层，剩余高阻外延硅层厚度10μm~20μm；5）高阻外延硅层的背面采用低能离子注硼，能量0.2kev~10kev,剂量1e14~1e15，之后采用激光退火工艺，在emccd背面形成p+层，厚度50nm~200nm；6）在emccd背面的p+层上面蒸镀一层增透膜，材料为二氧化铪、二氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝中的一种或其组合；7）增透膜上光刻金属化电极接触区窗口，该窗口刻蚀去除增透膜至p+层，所述电极接触区窗口覆盖存储区、水平移位寄存器、倍增寄存器、输出放大器这些区域，在光敏区与存储区交界区，接触区边界距离光敏区像素单元10微米~100微米；8）电极接触区窗口中，用低能大束流离子注入硼形成p+电极接触，p+电极接触区深入至高阻硅层，注入能量10kev~80kev，注入剂量1e14~5e15；9）对p+电极接触区进行局部激光退火，使p+电极接触区的结深至0.15μm~2μm；10）在emccd背面增透膜上蒸镀一层金属铝屏蔽层，厚度0.2μm~1μm；11）光刻刻蚀金属铝屏蔽层，形成的背面金属化电极与p+电极接触区接触，背面金属电极在宽度上覆盖p+电极接触区并超过 10μm~100μm；12）光刻刻蚀两侧的增透膜、p+区、高阻外延硅层，释放emccd正面金属引线电极；13）通过低温h2、n2或者二者混合气体退火，温度150℃~450℃，时间30min~120min，、修复工艺过程中的损伤，同时增加背面金属电极与p+电极接触区的欧姆接触特性。
[0008]
本发明技术方案中，通过采用背面金属避光层制备衬底金属化电极结构，在emccd存储区、水平移位寄存器及倍增寄存器下方引入低阻通道，极大的改善了以上缺陷，从而提高器件探测灵敏度，同时工艺易于实现，兼容性高。
[0009]
本发明利用背照式emccd背面光屏蔽层与硅形成金属化欧姆接触电极，利用光刻、刻蚀、离子注入、激光退火等工艺实现，在emccd存储区、水平移位寄存器及倍增寄存器背面引入低阻通道，提高了正面多晶硅栅电极时钟脉冲驱动下电荷转移效率。在emccd正面工艺完成后，进行晶圆级键合，然后对emccd圆片进行减薄，去除重掺杂衬底硅，之后采用低能离子注入与激光退火形成背面自建电场区，采用电子束蒸发工艺在emccd背面蒸镀一层增透膜，采用光刻及刻蚀工艺去除存储区、水平移位寄存器及倍增寄存器背面增透膜，然后进行p+离子注入及局部激光退火，之后蒸发铝屏蔽层，通过光刻刻蚀工艺定义光屏蔽区，同时形成背面金属化电极，采用光刻刻蚀工艺释放金属压焊区，完成背面结构制备。
[0010]
本发明利用背照式emccd背面光屏蔽层16与p+掺杂硅15b形成金属化欧姆接触电极，在emccd存储区、水平移位寄存器及倍增寄存器背面引入低阻通道，解决了背照式emccd低阻衬底9去除后，毫米级面阵mos单元在正面多晶硅栅电极时钟脉冲驱动下电荷转移效率降低的问题，从而提高器件探测灵敏度，同时工艺易于实现，兼容性高。
附图说明
[0011]
图1是完成前照工艺的emccd晶圆的剖视图；图2是emccd正面介质平坦化后的剖视图；
图3是键合基片与正面介质键合后的剖视图；图4是emccd晶圆背面减薄后的剖视图；图5是背面p+层形成后的剖视图；图6是背面增透膜形成后的剖视图；图7是p+接触窗口形成后的剖视图；图8是p+接触区注入后的剖视图；图9是p+接触区退火激活后的剖视图；图10是背面金属屏蔽层形成后的剖视图；图11是背面金属化电极形成后的剖视图；图12是emccd正面金属压焊点释放后的剖视图。
具体实施方式
[0012]
在emccd芯片正面工艺完成之后，按以下具体详细的步骤进行背面结构的制作：1）完成前照工艺的emccd晶圆如图1所示，1为光敏区，2为存储区，3为水平移位寄存器，4为倍增区及输出放大区，5为正面p+接触区，6为正面金属引线电极，7为铝避光层，8为高阻外延硅层，9为低阻衬底硅层；2）如图2所示，将emccd前照晶圆片进行表面介质平坦化，通过二氧化硅淀积与化学机械抛光工艺，降低表面台阶，在emccd晶圆表面氧化层10，厚度4μm~6μm；3）如图3所示，将emccd前照晶圆片与键合基片12（例硅片、石英片）通过聚合物层11（例如采用bcb、pi）晶圆键合工艺完成键合，聚合物层11厚度3μm~5μm，键合基片12作为减薄的支撑片；4）如图4所示，对emccd圆片进行背面低阻层9减薄，去除该低阻层，剩余高阻外延硅层8的厚度10μm~20μm；5）如图5所示，采用低能离子注硼，能量0.2kev~10kev,剂量1e14~1e15，之后采用激光退火工艺，在emccd背面形成p+区13，厚度50nm~200nm；6）如图6所示，在emccd背面蒸镀一层增透膜14，材料为二氧化铪、二氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝中的一种或其组合膜系；7）如图7所示，光刻背面金属化电极接触区窗口15a，刻蚀去除增透膜至硅层，电极接触区窗口覆盖存储区、水平移位寄存器、倍增寄存器、输出放大器等区域，在光敏区与存储区交界区，接触区边界距离光敏区像素单元10微米~100微米，刻蚀增透膜停止在硅层；8）如图8所示，低能大束流离子注入硼形成p+电极接触区15b，注入能量10kev~80kev，注入剂量1e14~5e15；9）如图9所示，对p+电极接触区15b进行局部激光退火，结深0.15μm~2μm；10）如图10所示，在emccd背面蒸镀一层金属铝屏蔽层16a，厚度0.2μm~1μm；11）如图11所示，光刻刻蚀形成背面光屏蔽层及背面金属化电极16，金属化电极16覆盖p+电极接触区15b 并超过10μm~100μm；12）如图12所示，光刻刻蚀增透膜14、p+区13、高阻外延硅层8，释放emccd正面金属压焊区6；13）通过低温h2、n2或者二者混合气体退火，温度150℃~450℃，时间30min~120min，修
复工艺过程中的损伤，同时增加背面金属电极16与p+电极接触区15b的欧姆接触特性。