ПЛАСТИНА "КВАРЦ НА КРЕМНИИ" ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФОТОПРИЕМНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, ОСВЕЩАЕМЫХ С ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ, ФОТОПРИЕМНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H01L31/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области изготовления фотоприемных полупроводниковых приборов, работающих в широком диапазоне длин волн.

В таких областях науки, как мониторинг Земли, изучение ближнего и дальнего космоса, используют современные системы распознавания и обработки оптической информации методами цифровой полупроводниковой техники, которые содержат фотоприемные полупроводниковые приборы.

Основным компонентом таких приборов, является высокочувствительная полупроводниковая фотоприемная матрица, создаваемая по технологии КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (англ. CMOS)) или ПЗС (прибор с зарядовой связью (англ. CCD)).

Каждая из указанных технологий имеет свои как положительные, так и отрицательные стороны. Активные элементы матриц, созданных с использованием технологий КМОП или ПЗС, оказываются чувствительны в достаточно узком диапазоне длин волн. При этом для ученых всего мира представляет интерес изучение космических объектов и мониторинг Земли во всем диапазоне длин волн - от глубокого ультрафиолетового излучения (вплоть до рентгеновского) до дальнего инфракрасного излучения.

Таким образом, увеличение диапазона длин волн, в котором указанные приборы обладают чувствительностью, является важной задачей для развития науки и техники.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время при изготовлении фотоприемных матриц используют стандартную технологию «Front side», при которой освещение матрицы происходит со стороны полупроводникового прибора, т.е. с ее лицевой стороны. Свет на активную зону матрицы попадает через оптические системы, увеличивающие изображение и контрастность элементов изображения с помощью просветляющих оптических элементов и фильтров.

При этом, как было сказано выше, чувствительность этих матриц к излучению во всем диапазоне длин волн не равномерна и не высока. Это связано с тем, что верхние коммутационные слои фотоприемных матриц сформированы на основе компактно расположенных металлических проводников, экранирующих большую часть площади активной зоны матрицы от светового излучения.

Решить эту проблему к настоящему моменту удалось с помощью освещения матрицы потоком света с обратной стороны полупроводникового прибора. Такая технология получила название «Васк side», т.е. прибор, освещаемый с обратной стороны. Это решение позволяет резко повысить чувствительность фотоприемной матрицы, так как кремний, из которого она сделана, в значительной степени оптически более прозрачен, чем материалы, из которых выполнена структура элементов схемы матрицы.

При этом, эффект, получаемый в случае обратной засветки приборов, реализуется в наибольшей степени при толщине кремния, на котором сформирован фотоприемный прибор, т.е. со стороны засветки, не более 20 мкм. Увеличение толщины кремния ведет к резкому падению чувствительности прибора, а уменьшение трудно реализуемо из-за резкого снижения механической прочности устройства.

Таким образом, в процессе производства прибора необходимой операцией является утонение кремния с обратной стороны пластины до минимально возможной его толщины.

Для производства приборов как «Front side», т.е. освещаемых с лицевой стороны, так и «Васк side», т.е. освещаемых с обратной стороны, используют, так называемые эпитаксиальные кремниевые пластины, которые изготавливают в две стадии. На первом этапе изготавливают основную часть тела пластины из менее дорогого монокремния с высоким содержанием лиганта - бора, с получением пластины КДБ (кремний с дырочным типом проводимости, легированный бором) с р+ проводимостью, или лиганта - фосфора, с получением пластины КЭФ (кремний с электронным типом проводимости, легированный фосфором) с n- проводимостью.

Из кристалла выращенного кремния вырезают пластины под необходимым кристаллографическим углом. Для изготовления такого кремния обычно используют способ выращивания кристаллов кремния методом Чохральского. Затем пластины-заготовки шлифуют, полируют до необходимой толщины, например, до 525 мкм для пластин диаметром 100 мм и до 750 мкм для пластин диаметром 200 мм.

Далее осуществляют вторую стадию формирования подложки. На основной пластине выращивают методами газофазной эпитаксии более «качественный» по своим физическим и электрическим свойствам слой кремния, который принято называть «эпитаксиальным» толщиной от 5 мкм до 20 мкм с меньшим содержанием того же лиганта. Эти пластины позволяют получать приборы значительно лучшего качества, чем из первоначально выращенного кремния, но они значительно дороже. Однако, и эти пластины страдают тем, что даже и в эпитаксиальном слое кремния могут обнаруживаться дефекты, приводящие к ухудшению работы и даже отказу, изготавливаемых фотоприемных полупроводниковых приборов, при чем это явление обнаруживается как для «Front side», так и для «Васк side». Но в случае «Васк side» это явление еще в большей степени приводит к браку приборов из-за того, что часто эти дефекты являются зародышами ускоренного химического травления по отношению к основному кремнию. Этот эффект проявляется на стадии химического травления основного кремния до эпитаксиального, как брак «перетрава», что часто приводит к разрушению тонкого эпитаксиального слоя кремния. Перед тем как приступить к изготовлению партии фотоприемных полупроводниковых приборов, пластины проходят тщательную проверку и оценку их дефектности. Их отбраковывают по следующим характеристикам:

- плотность «врожденных» дефектов;

- неоднородность распределения удельного сопротивления и плотности центров генерации-рекомбинации;

- механической прочности, как показателя вероятности образования дислокаций и линий скольжения, а также боя (поломки) пластин;

- способность к образованию внутреннего геттера;

- степень образования дефектов при технологических термообработках.

Далее перечислены дефекты, приводящие к браку фотоприемных полупроводниковых приборов:

- «врожденные» дефекты возникают при выращивании и зонной очистке слитка кремния и делятся на «нульмерные» - точечные дефекты типа вакансий и межузельных атомов;

- «одномерные» - дислокации;

- «двумерные» - границы раздела (зерен, двойников, фаз);

- «дефекты упаковки»;

- «трехмерные» - поры, включения второй фазы.

Плотность врожденных дефектов обычно много меньше плотности дефектов, вносимых при технологических термообработках. Наименьшая плотность точечных и других врожденных дефектов присуща зонному кремнию. В нем наблюдаются только крупные петли дислокаций, которые возникают в результате агломерации точечных дефектов на скоплениях атомов углерода, но использование пластин из кремния, выращенного методом зонной плавки, не целесообразно по экономическим соображениям.

Таким образом, кремниевые пластины, на которых выращен эпитаксиальный слой кремния, можно назвать сэндвич-пластинами «эпитаксиальный кремний на кремнии». Фотоприемные приборы формируют на эпитаксиальном слое кремния, а слой кремния, выращенный по методу Чохральского, выступает в роли механической подложки, обеспечивая механическую прочность конструкции приборов при максимальной физической совместимости с эпитаксиальным слоем. Эти пластины обладают очень важным для осуществления процесса химического утонения свойством - у них наблюдается различие в скоростях химического травления основного слоя кремния по сравнению с эпитаксиальным слоем в одном и том же составе травителя из-за разницы в концентрации лиганта. Эпитаксиальный слой пластины травится значительно медленнее, в этом проявляется так называемый эффект селективности. Это явление позволяет контролировать процесс травления и заканчивать его при вскрытии слоя эпитаксиального кремния по всей площади травления без его значительного перетравливания.

При появлении технологии «Васк side» химическую обработку производили только на единичных образцах на уже сформированных приборах, разделенных на отдельные чипы, в конструкции прибора типа «корыто». В этом случае, утонению подвергается только та часть кремния на обратной стороне пластины, которая находится под активной зоной фотопремного прибора, а на периферии, выполненной в виде не травленой рамки, сформированы контактные площадки, позволяющие электрически связывать матрицу с приборами обработки данных и источником питания. Такая конструкция одновременно обеспечивает жесткость и механическую прочность прибора. Но, в этом случае, из-за многослойности формируемой матрицы возникают механические напряжения, приводящие к изгибу получаемой кремниевой мембраны, что не согласуется с требованиями заказчиков фотоприемных устройств. Это явление часто приводит к браку как в процессе химического утонения, так и после него при последующих операциях и эксплуатации, к разлому утоненного кремния и выходу прибора из строя. Такая конструкция приборов применяется и сейчас, когда количество требуемых приборов с обратной засветкой не велико. Однако этот способ не представляет значительного коммерческого интереса, как для заказчиков, так и производителей приборов и чаще всего необходим на стадии разработки конкретного нового прибора в процессе исследований его функционирования.

Впоследствии, после того как была предложена конструкция приборов, обеспечивающая жесткость вытравливаемой пластины по всей ее поверхности, групповая технология производства приборов с обратной засветкой стала реальностью.

В этом случае, проблема механической прочности решается путем получения сэндвичевой конструкции, в которой приклеивают пластину-носитель, которая представляет собой кремниевую пластину, к рабочей приборной пластине. Такой процесс присоединения, приклеивания называют бондингом (англ. bonding), который осуществляют, например в вакууме. Склеивание осуществляют со стороны сформированных полупроводниковых приборов рабочей пластины с кремниевой пластиной-носителем при помощи различных материалов, в том числе, клеев, полимеров, легкоплавких стекол, а также методами анодной сварки или других видов сварки, и т.п. В этом случае, после предварительного механического шлифования и полирования кремния производят химическое утонение основного кремния приборной пластины до эпитаксиального слоя, на всю его глубину. Далее производят травление окон в эпитаксиальном слое, вскрывая кремний до металлических контактных площадок полупроводниковых приборов, обеспечивающих электрическую связь этих приборов с периферийными устройствами на этапе монтажа изделий.

Описанными способами формирования фотоприемных полупроводниковых приборов в настоящее время пользуются все ведущие предприятия в мире.

Например, в документе US 2007/0275488 A1, 29.11.2007 раскрыто формирование ПЗС на передней поверхности полупроводниковой подложки, утонение обратной стороны подложки, формирование электрических контактов, приклеивание поддерживающей подложки к рабочей поверхности полупроводниковой подложки, на которой сформированы фотоприемные приборы.

При этом известно, что разработаны и успешно применяются для специализированных приборов и другие конструктивные решения, в которых используют другие сэндвичевые конструкции несущей и приборной пластины.

Известна конструкция «кремний на сапфире» или «КНС».

В этом случае используют прозрачную пластину из синтетического сапфира, т.е. окисла алюминия, на которой методами эпитаксии выращен слой монокремния, на котором формируют полупроводниковые структуры.

Для фотоприемных устройств, освещаемых с обратной стороны такая конструкция интересна в качестве аналога, с точки зрения большой прозрачности в видимой области спектра при сравнении с кремнием. Но эта конструкция не решает задач высокой прозрачности в областях глубокого ультрафиолетового и дальнего инфракрасного излучения. В то же время, из-за разницы в свойствах кремния и сапфира не удается вырастить бездефектный эпитаксиальный кремний необходимого качества, требуемого для фотоприемных приборов, причем разница коэффициентов линейного и объемного расширения окисла алюминия и эпитаксиального слоя кремния, приводящая также к дефектам кремния не позволяет применять эту конструкцию.

Известна конструкция «кремний на изоляторе», в ней в качестве несущей пластины используется окисленная кремниевая пластина, на которой методами эпитаксии выращен слой функционально необходимого слоя монокремния, но эта пластина не прозрачна даже в видимой области света. В данной заявке такая конструкция упоминается, потому что окисленный кремний т.е. оксид кремния (SiO₂) по своим физическим свойствам наиболее близок к кремнию.

В конструкции «кремний на изоляторе» с основным слоем из окисленного кремния прозрачность подложки такая же, как у кремния и требуется описанная ранее технология химического утонения окисленного кремния.

Для фотоприемных приборов эта конструкция представляет интерес в качестве конструкции прибора, которая обеспечивает минимальное различие коэффициентов линейного и объемного расширения несущей пластины и функционального эпитаксиального слоя, как и в случае применения пластин «кремний на кремнии». Но проблемы, связанные с выращиванием качественного бездефектного эпитаксиального слоя и прозрачностью кремния-подложки в этом способе формирования сэндвич-пластин не решены.

В документе RU 2646070, 01.03.2018 раскрыт способ изготовления гетероэпитаксиального слоя кремния на диэлектрике, который включает формирование ростовых кремниевых островков на поверхности прозрачной диэлектрической подложки (сапфир, шпинель, алмаз, кварц). Применение кварца (SiO2), как прозрачной подложки могло бы решить проблемы, связанные с прозрачностью, но формирование эпитаксиального слоя на кварце имеет те же проблемы с качеством выращенного эпитаксиального слоя, как и в случае описанного выше способа формирования эпитаксиального слоя на диэлектрике.

Таким образом, в области производства фотоприемных приборов так и не решена проблема создания конструкции пластины, для формирования на ней полупроводниковых приборов, которая была бы оптически прозрачной в широком диапазоне длин волн при засветке с обратной стороны прибора. Кроме того, известные технологии создания фотоприемных полупроводниковых приборов, освещаемых с обратной стороны, слишком сложны технологически. Это вызвано проблемами, связанными с необходимостью проведения операций бондинга, химического утонения кремния до эпитаксиального слоя и формирования надежного электрического контактирования приборов с перефирийными устройствами.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данной заявке предлагается пластина для изготовления по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора, выполненного с возможностью освещения его с обратной стороны, способ изготовления полупроводникового фотоприемного прибора, выполненного с возможностью освещения его с обратной стороны, и полупроводниковый фотоприемный прибор, выполненный по технологии «Васк side» с возможностью освещения с обратной стороны прибора. При этом достигается высокая чувствительность фотоприемных приборов в широком диапазоне длин волн.

В одном варианте реализации пластина для изготовления по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора, выполненного с возможностью освещения его с обратной стороны, содержит кремниевую подложку, содержащую основную кремниевую часть и эпитаксиальный слой кремния, выполненный на основной кремниевой части, также содержит прозрачный кварцевый слой (SiO₂), сформированный на лицевой поверхности эпитаксиального слоя, а обратная сторона эпитаксиального слоя кремния выполнена с возможностью формирования на ней по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора после механического и химического утонения пластины со стороны основной кремниевой части.

В еще одном варианте реализации раскрыт способ изготовления полупроводникового фотоприемного прибора, выполненного с возможностью освещения его с обратной стороны прибора, содержащий этапы, на которых подготавливают кремниевую подложку, содержащую основную кремниевую часть и эпитаксиальный слой кремния; выращивают прозрачный кварцевый слой (SiO₂) на лицевой стороне эпитаксиального слоя кремния; утоняют подложку со стороны основной кремниевой части; формируют на обратной стороне эпитаксиального слоя кремния по меньшей мере один полупроводниковый фотоприемный прибор, который выполнен с возможностью освещения его со стороны кварцевого слоя («Васк side»).

В еще одном варианте реализации раскрыт полупроводниковый фотоприемный прибор, выполненный с возможностью освещения с обратной стороны прибора по технологии «Васк side», изготовленный на пластине, раскрытой в настоящей заявке, способом, раскрытым в настоящей заявке.

В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один полупроводниковый фотоприемный прибор сформирован на основе КМОП технологии.

В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один полупроводниковый фотоприемный прибор сформирован на основе ПЗС технологии.

В некоторых вариантах реализации прозрачный кварцевый слой (SiO₂) изготовлен методами газофазной эпитаксии.

В некоторых вариантах реализации пластина содержит защитный слой, нанесенный на указанный кварцевый слой.

В некоторых вариантах реализации защитный слой содержит нитрид кремния.

В некоторых вариантах реализации перед этапом утонения подложки со стороны основной кремниевой части до эпитаксиального слоя наносят защитный слой на указанный кварцевый слой, который удаляют после формирования указанного по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора.

В некоторых вариантах реализации после удаления защитного слоя, утоняют кварцевый слой (SiO2) до толщины от примерно 100 мкм до примерно 300 мкм.

В некоторых вариантах реализации после срормирования указанного по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора на него наносят барьерный слой, выполненный с возможностью защиты фотоприемного прибора во время удаления защитного слоя и утонения кварцевого слоя (SiO₂).

В некоторых вариантах реализации барьерный слой представляет собой фоторезист, который удаляют после утонения кварцевого слоя.

Таким образом, в соответствии с заявленными изобретениями могут быть изготовлены фотоприемные полупроводниковые приборы, освещаемые с обратной стороны, обладающие высокой чувствительностью в широком диапазоне длин волн. При этом в заявленном способе полностью исключены трудоемкие и технологически сложные операции: бондинга, химического утонения кремния, вскрытия металлических окон в эпитаксиальном слое, которые необходимы в случае использования известной технологии формирования приборов, освещаемых с обратной стороны. Приборы сформированы на заранее изготовленном и отбракованном эпитаксиальном кремнии по критерию малой дефектности, что позволяет изготавливать фотоприемные полупроводниковые приборы высокого качества и с высоким выходом годных изделий. Причем, так как приборы сформированы на открытом эпитаксиальном слое, то контактные площадки приборов доступны, что позволяет без каких-либо дополнительных операций применять монтаж методом перевернутого чипа, т.е. способом монтажа приборов "флип чип". Эта конструкция позволяет путем создания дополнительных изолирующих и коммутационных слоев соединять отдельные приборы в единую систему и получать более сложные многокристальные фотоприемные полупроводниковые приборы.

Кроме того, в соответствии с заявленными изобретениями в конструкции пластины сохранены все положительные свойства приборной кремниевой пластины, а именно, оптические, физические и конструкционные свойства, применен выращенный прозрачный кварцевый слой (SiO₂) со стороны засветки пластины, например методами газофазной эпитаксии, который является прозрачным во всем требуемом диапазоне длин волн от глубокого ультрафиолетового до дальнего инфракрасного излучения, при этом кварцевый слой обеспечивает механическую прочность приборов.

Такая конструкция пластины позволяет упростить технологию изготовления фотоприемных полупроводниковых приборов и приборов на их основе для применения, например, в таких областях науки, как мониторинг Земли, изучение ближнего и дальнего космоса.

При этом для производства может быть использована обычная для данной области техники, широко используемая на рынке эпитаксиальная кремниевая пластина, предварительно отобранная по минимуму количества дефектов кремния, используемая в производстве приборов, освещаемых со стороны приборов, т.е. приборов, изготовленных по технологии «Front side», что снижает расходы на ее производство.

При использовании раскрытых изобретений значительно уменьшается дефектность, повышается качество приборов и, соответственно, процент выхода годных приборов при производстве. Технология производства таких приборов становится легче и проще, обеспечивается экономия ресурсов и времени, что обуславливает экономическую эффективность предложенных изобретений.

Таким образом, предложена конструкция пластины для производства фотоприемных полупроводниковых приборов, освещаемых с обратной стороны «Васк side», фотоприемный полупроводниковый прибор, сформированный на такой пластине и способ его изготовления. При этом, используемую технологию можно назвать, как технологию «кварц на кремнии».

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты реализации изобретения будут описаны на примерах со ссылкой на чертежи, где:

на Фиг. 1 показана схема конструкции кремниевой подложки для изготовления полупроводниковых приборов;

на Фиг. 2 показана схема конструкции пластины, на которой выполнен этап формирования кварцевого слоя;

на Фиг. 3 показана схема пластины, на которой выполнен этап удаления основного кремниевого слоя кремниевой подложки;

на Фиг. 4 показана схема пластины, на которой выполнен этап формирования полупроводниковых приборов и нанесения барьерного слоя;

на Фиг. 5 показана схема пластины, на которой выполнен этап удаления защитного слоя и удаления барьерного слоя;

на Фиг. 6 показана схема конструкции пластины, на которой формированы полупроводниковые приборы в соответствии с известным технологическим процессом;

на Фиг. 7 показана блок-схема этапов известного технологического процесса формирования фотоприемных приборов, освещаемых с обратной стороны;

на Фиг. 8 показана блок-схема этапов предлагаемого технологического процесса формирования фотоприемных приборов, освещаемых с обратной стороны.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

Далее изобретение будет раскрыто со ссылками на соответствующие чертежи.

На Фиг. 1 представлена схема конструкции кремниевой подложки 1 для изготовления полупроводниковых приборов. Кремниевая подложка 1 содержит основную кремниевую часть 12 и эпитаксиальный слой 11 кремния, сформированный на основной кремниевой части 12, соответственно, сторона 1а далее обозначает сторону эпитаксиального слоя 11, а сторона 1b, сторону основной кремниевой части 12. Подобные кремниевые подложки могут быть стандартными кремниевыми подложками, которые широкодоступны на рынке, могут иметь различные диаметры и в зависимости от особенностей состава, способа производства или конкретного производителя могут обладать несколько различными характеристиками, а также могут быть нестандартными подложками, произведенными по заказу с обеспечением конкретных заданных характеристик. Таким образом, используется заранее изготовленная высококачественная кремниевая эпитаксиальная пластина - подложка «кремний на кремнии», изготовленная по стандартной технологии. Такие кремниевые подложки 1 проходят все подготовительные операции, предусмотренные технологическим процессом, например отмывки, сушки и т.п.

Далее, как показано на Фиг. 2, со стороны 1а эпитаксиального слоя 11 на кремниевой подложке сформирован прозрачный кварцевый слой 2. Кварцевый слой 2 может представлять собой слой, сформированный из монокристаллического кварца или аморфного прозрачного кварцевого стекла. Кварцевый слой 2 является прозрачным для излучения в широком диапазоне длин волн от глубокого ультрафиолетового до дальнего инфракрасного. Кроме того кварцевый слой 2 обеспечивает механическую прочность конструкции приборов. Кварцевый слой 2 имеет толщину от примерно 200 мкм до примерно 500 мкм. Для защиты от химических и механических воздействий прозрачного кварцевого слоя 2 при последующих операциях формирования фотоприемных полупроводниковых приборов на его стороне 2а временно сформирован защитный слой 3, содержащий, например, нитрид кремния. Это позволяет сохранить поверхность прозрачного кварцевого слоя 2 во время многочисленных операций, которые предусмотрены технологическим процессом изготовления фотоприемных полупроводниковых приборов. При этом для формирования современного полупроводникового прибора на пластине выполняют большое количество операций. Таким образом, в настоящей заявке раскрыты только основные этапы для формирования заявленного изобретения и специалисту в данной области техники будет понятно, что существуют подготовительные операции, блоки операций при выполнении фотолитографий и пр., количество которых для каждого вида приборов определяется в зависимости от конструкции прибора, технологического оборудования и многих других факторов. Кроме того, слои, о которых идет речь в настоящей заявке, могут содержать различные лигирующие добавки или другие необходимые элементы. Поэтому используемые определения для характеристики слоев, такие как кремниевый или кварцевый, следует понимать в широком смысле, а именно как содержащие в качестве основного материала кремний или кварц.

Как показано на Фиг. 3, далее следует этап, на котором удаляют слой основной кремниевой части 12 кремневой подложки 1 со стороны 1b. Сначала используют механическое шлифование, а затем механическое полирование и химическое дотравливание, которые проводят до достижения полностью вскрытого эпитаксиального слоя 11 кремния.

Таким образом, основную кремниевую часть 12, которая может представлять собой, например р+ слой кремния, максимально механически сошлифовывают и отполировывают. После этого оставшийся р+ кремний химически дотравливают, вскрывая эпитаксиальный слой 11 по всей поверхности пластины. Вскрытый эпитаксиальный слой 11 проходит стадии химико-динамического полирующего подтравливания и отмывки. На данном этапе эпитаксиальный слой 11 кремния должен быть освобожден полностью от кремния основной части 12 и быть пригодным для формирования на нем фотоприемных полупроводниковых приборов. При этом, указанный этап удаления части 12 может быть выполнен и любым другим известным специалисту способом.

Как показано на Фиг. 4, далее на стороне эпитаксиального слоя 11 кремния, которая после удаления части 12 подготовлена для дальнейших операций, формируют мультиплицированные полупроводниковые приборы 4, например по К-МОП или ПЗС технологии, при этом не ограничиваясь указанными технологиями. В случае, если полупроводниковый прибор предполагается освещать с обратной стороны, то для его изготовления может быть использована пластина, описанная в настоящей заявке. После того, как полупроводниковые приборы 4 полностью сформированы, включая и их контактные области, которые используют для дальнейшего управления приборами 4, на поверхность готовых полупроводниковых приборов 4 на рабочей стороне пластины наносят барьерный слой 7 для защиты приборов 4 во время проведения последующих операций шлифовки и/или полировки защитного слоя 3 и кварцевого слоя 2. Эту операцию осуществляют известными способами, используя в качестве барьерного слоя 7, например, фоторезисты или другие органические материалы.

Как показано на Фиг. 5, далее удаляют защитный слой 3, например посредством механического шлифования со стороны 3а.

Затем прозрачный кварцевый слой 2 также утоняют посредством шлифовки и полировки до достижения требуемой тощины указанного слоя 2 от примерно 100 мкм до примерно 300 мкм.

Далее удаляют барьерный слой 7, например в концентрированной азотной кислоте или органических растворителях, в случае, если в качестве барьерного слоя 7 использовали фоторезист или другие органические материалы.

После этого этапа пластину разрезают на отдельные приборы для дальнейшего использования в устройствах.

Для демонстрации отличий заявленного изобретения от изобретений известных ранее, также освещаемых с обратной стороны, на Фиг. 6 представлена схема пластины, на которой сформированы полупроводниковые приборы в соответствии с известным технологическим процессом. В соответствии с известными способами сначала формируют мультиплицированные полупроводниковые приборы 4, например по К-МОП или ПЗС технологии на эпитаксиальном слое 11 кремния основной рабочей пластины, затем выполняют сращивание, или иначе склеивание («бондинг») кремниевой подложки со стороны сформированнных на ней приборов 4 с пластиной-носителем 6 посредством слоя 5 клея. Затем выполняют механическое утонение основной кремниевой части основной рабочей пластины до толщины в диапазоне 100-200 мкм. Далее выполняют химическое утонение основной кремниевой части до эпитаксиального слоя кремния основной рабочей пластины. Далее выполняют травление, т.е. вскрытие эпитаксиального слоя 11 кремния до металлических контактных площадок в местах формирования контактов приборов. Далее выполняют вакуумное напыление алюминия или другого металла с формированием переходных контактных площадок для приборов, обеспечивающих надежность контактирования. Далее выполняют резку пластин, на этом этапе происходит разделение пластин на отдельные полупроводниковые приборы.

Далее на Фиг. 7 и 8 представлены блок-схемы этапов известного и предлагаемого технологического процесса формирования фотоприемных приборов, освещаемых с обратной стороны.

Поэтапная схема известного технологического процесса формирования фотоприемных устройств, освещаемых с обратной стороны, показана на Фиг. 7.

На этапе 101 выполняют формирование мультиплицированных фотоприемных полупроводниковых приборов на эпитаксиальном слое основной пластины по К-МОП или ПЗС технологии.

На этапе 102 выполняют сращивание (бондинг) основной пластины сформированиных приборов с пластиной-носителем со стороны сформированнных приборов.

На этапе 103 выполняют механическое утонение основного кремниевого слоя основной пластины до 100-200 мкм.

На этапе 104 выполняют химическое утонение основного кремниевого слоя основной пластины до эпитаксиального слоя.

На этапе 105 выполняют травление эпитаксиального слоя в местах для последующего формирования электрических контактов приборов.

На этапе 106 выполняют вакуумное напыление алюминия и формирование контактных площадок приборов.

На этапе 107 выполняют резку пластины для разделения на отдельные полупроводниковые приборы.

Поэтапная схема предлагаемого технологического процесса формирования фотоприемных устройств, освещаемых с обратной стороны, показана на Фиг. 8.

На этапе 201 выполняют формирование кварцевого монокристаллического или кварцевого аморфного прозрачного слоя толщиной от примерно 200 до примерно 500 мкм со стороны эпитаксиального слоя кремниевой пластины.

На этапе 202 выполняют формирование защитного слоя, содержащего нитрид кремния, для защиты кварцевого слоя.

На этапе 203 выполняют механическое шлифование основного слоя кремния кремниевой пластины.

На этапе 204 выполняют химическое дотравливание основного слоя кремния кремниевой пластины до эпитаксиального слоя.

На этапе 205 выполняют формирование мультиплицированных фотоприемных полупроводниковых приборов на эпитаксиальном слое пластины по К-МОП или ПЗС технологии.

На этапе 206 выполняют нанесение барьерного слоя на сторону пластины, на которой сформированы фотоприемные полупроводниковые приборы, для защиты указанных приборов во время последующих операций.

На этапе 207 выполняют механическое шлифование защитного слоя нитрида кремния до кварцевого слоя.

На этапе 208 выполняют механическое шлифование и полирование поверхности кварцевого слоя до толщины от примерно 100 до примерно 300 мкм.

На этапе 209 выполняют удаление барьерного слоя.

На этапе 210 выполняют резку пластины для разделения на отдельные полупроводниковые приборы.

Таким образом, при сравнении представленных известного и предлагаемого технологических процессов видно, что в предлагаемой последовательности операций отсутствует этап бондинга и травления эпитаксиального слоя в местах для последующего формирования электрических контактов приборов (Этапы 102 и 105 на Фиг. 7). Соответственно, длительные и сложные операции исключены из процесса. Кроме того, указанный этап 105 травления эпитаксиального слоя является критичным, так как возможен подтрав кремния в области сформированных приборов, что может привести к уменьшению процента выхода годных приборов.

При этом в предлагаемом процессе после этапа формирования приборов (Этап 205 на Фиг. 8), приборы надежно защищают барьерным слоем (Этап 206 на Фиг. 8) во время последующих операций шлифовки и полировки, а кроме того травление кремния (Этап 204 на Фиг. 8) выполнено до формирования полупроводниковых приборов, соответственно, приборы не могут быть подтравлены в травителе для травления кремния.

При этом, при сравнении предлагаемого способа с технологиями, раскрытыми в документе RU 2646070, можно увидеть, что, как предлагается в заявке выращивание прозрачного слоя кварца на качественном, заведомо бездефектном, надежном и плотном эпитаксиальном слое кремния и обеспечивает получение прозрачного слоя со стороны засветки, который при этом и обеспечивает механическую прочность, жесткость и стабильность конструкции прибора. А фотоприемные полупроводниковые приборы выполнены на обратной стороне указанного качественного эпитаксиального слоя, что обеспечивает их надежное функционирование, за счет того, что эпитаксиальный слой исходной пластины проверен на заводе-изготовителе, а кроме того пластины проходят отбор перед запуском производства партии приборов по предлагаемой технологии.

Кроме того, выращивание гетероэпитаксиального слоя кремния на диэлектрике, например кварце, как предложено в документе RU 2646070, не позволяет получить такой надежный и бездефектный эпитаксиальный слой кремния, пригодный для формирования полупроводниковых приборов, который получают при выращивании эпитаксиального кремния на кремнии при производстве кремниевых подложек.

Таким образом, предлагаемый способ обладает преимуществами относительно всех известных способов изготовления фотоприемных полупроводниковых приборов «Васк side», т.е. выполненных с возможностью освещения их с обратной стороны прибора.

Изобретение относится к области изготовления фотоприемных полупроводниковых приборов, работающих в широком диапазоне длин волн. Пластина для изготовления по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора, выполненного с возможностью освещения его с обратной стороны, содержит кремниевую подложку, содержащую основную кремниевую часть и эпитаксиальный слой кремния, выполненный на основной кремниевой части, также содержит кварцевый слой, сформированный на лицевой поверхности эпитаксиального слоя, а обратная сторона эпитаксиального слоя кремния выполнена с возможностью формирования на ней по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора после механического и химического утонения пластины со стороны основной кремниевой части. Также предложены способ изготовления полупроводникового фотоприемного прибора и фотоприемный прибор, изготовленный на предложенной пластине и/или изготовленный предложенным способом. Изобретения обеспечивают высокую чувствительность фотоприемных приборов в широком диапазоне длин волн и механическую прочность, кроме того, технология производства таких приборов становится легче, обеспечивается экономия ресурсов и времени, что обуславливает их экономическую эффективность. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Пластина для изготовления по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора (4), выполненного с возможностью освещения его с обратной стороны, содержащая:

- кремниевую подложку (1), содержащую основную кремниевую часть (12) и эпитаксиальный слой (11) кремния, выполненный на основной кремниевой части (12),

- прозрачный кварцевый слой (2), сформированный на лицевой поверхности эпитаксиального слоя (11), а обратная сторона эпитаксиального слоя кремния выполнена с возможностью формирования на ней по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора (4) после механического и химического утонения пластины со стороны основной кремниевой части (12).

2. Пластина по п. 1, в которой по меньшей мере один полупроводниковый фотоприемный прибор (4) сформирован на основе КМОП технологии или на основе ПЗС технологии.

3. Пластина по п. 1, которая содержит защитный слой (3), содержащий нитрид кремния и нанесенный на указанный кварцевый слой (2).

4. Способ изготовления полупроводникового фотоприемного прибора (4), выполненного с возможностью освещения его с обратной стороны прибора, содержащий этапы, на которых:

- подготавливают кремниевую подложку (1), содержащую основную кремниевую часть (12) и эпитаксиальный слой (11) кремния;

- выращивают прозрачный кварцевый слой (2) на лицевой стороне (1а) эпитаксиального слоя (11) кремния;

- утоняют подложку со стороны (1b) основной кремниевой части (12) до эпитаксиального слоя (11);

- формируют на обратной стороне эпитаксиального слоя (11) кремния по меньшей мере один полупроводниковый фотоприемный прибор (4), который выполнен с возможностью освещения его со стороны кварцевого слоя (2).

5. Способ по п. 4, в котором по меньшей мере один полупроводниковый фотоприемный прибор (4) формируют на основе КМОП технологии или на основе ПЗС технологии.

6. Способ по п. 4, в котором кварцевый слой (2) изготавливают методами газофазной эпитаксии.

7. Способ по п. 4, в котором перед этапом утонения подложки (1) со стороны основной кремниевой части (12) до эпитаксиального слоя (11) на указанный кварцевый слой (2) наносят защитный слой (3), содержащий нитрид кремния и который удаляют после формирования указанного по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора (4).

8. Способ по п. 7, в котором после удаления защитного слоя (3) утоняют кварцевый слой (2) до толщины от примерно 100 мкм до примерно 300 мкм.

9. Способ по п. 8, в котором после формирования указанного по меньшей мере одного полупроводникового фотоприемного прибора (4) на него наносят барьерный слой (7), выполненный с возможностью защиты фотоприемного прибора (4) во время удаления защитного слоя (3) и утонения кварцевого слоя (2), причем указанный барьерный слой (7) представляет собой фоторезист, который удаляют после утонения кварцевого слоя (2).

10. Полупроводниковый фотоприемный прибор (4), выполненный с возможностью освещения с обратной стороны прибора по технологии «Васк side», изготовленный на пластине по любому из пп. 1-3 и/или способом по любому из пп. 4-9.