JP5918756B2 - 多層ドーピングを用いる量子排除による表面不活性化 - Google Patents
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Description
本出願は、2010年6月15日に出願された米国仮特許出願第61/355,049号の優先権の利益を主張するものであり、その全内容は参照することにより本明細書に援用される。本出願は、2010年12月12日に出願された米国特許出願第12/965,790号にも関するものであり、この出願は本出願と同じ譲受人に譲渡されている。
ここに記載する発明は、NASA契約に基づいた研究の実施において成され、契約者が所有権を保持すると定められた、一般法96−517(米国特許法202条)の規定に従うことを条件としている
課題の声明
表面不活性化、量子効率及び背面照明画像検出
表面及び界面は殆どすべての個体装置、特に撮像装置の性能に重要であることが長い間知られている。表面不活性化技術はトランジスタの発明及びプレーナ集積回路の高信頼製造プロセスの開発に不可欠であり、これにより半導体革命が始まった。固体撮像装置の革命は1969年に電荷結合デバイス(CCD)の発明から始まった。表面及び界面は当初から問題を引き起こし、CCD設計のその後の改良の多くは装置の前面に近い界面の品質の制御を達成することに向けられてきた。テキサスインスツルメントは1974年初頭に最初の背面照明CCDを実証した。
前記シリコンウェハの前記第1表面及び前記第2表面の少なくとも一つが前記第1表面及び前記第2表面のそれぞれの表面に存在する欠陥密度に関係なく電気的に不活性化されている、ことを特徴とする。
従来の表面不活性化技術
化学吸着帯電
現在の形の化学吸着不活性化は、高い仕事関数の金属を使用して薄膜化CCDの背面にショットキ障壁を形成するためにJPLにおける初期の努力から生まれた。ショットキ障壁は異なる材料間の界面を横切る電荷移動に起因して存在する。ショットキ障壁の形成にプラチナを使用する理論的根拠は、プラチナの高い仕事関数はシリコン表面内に正しい極性の表面近傍電界を生成して光生成電子を背面から前面の検出器電子回路に向け追いやることにある(事実、撮像検出器に対する様々な表面不活性化技術のすべてに当てはまる一般的な要件である)。JPLにおけるWF/PCIIのセンサの開発中に、Pt「フラッシュゲート」技術による検出器の量子効率の向上に関与する表面帯電メカニズムは(当初の意図及び予想通りに)表面におけるショットキ障壁の形成にあるのではなく、代わりに化学吸着プロセスによる酸化物表面への負に荷電したO2 −イオンの蓄積にあることが分かった。従って、同様の帯電メカニズムが初期のUVフラッドプロセス及びPt「フラッシュゲート」の根底にあり、残念ながら、これらのプロセスのいずれも適切な安定性を提供せず、また表面不活性化問題を満足に解決する更なる改良及び変更もなされていない。その難しさの鍵は酸化物にあった。化学吸着電荷の安定性は酸化物の質及び厚さに大きく依存することが分かった。高品質の熱酸化物の形成は撮像検出器のトレランスを超える温度を必要とし、そのため、表面を中程度の温度の蒸気に曝す低温「フラッシュオキサイド」プロセスが開発された。残念ながら、「フラッシュオキサイド」は、環境状態(特に水素暴露に関する)変化が化学吸着電荷の極性を反転し、検出器量子効率及びスペクトル応答に重篤な影響を与え得るので、装置を安定化できない。これらの制限の結果、Pt「フラッシュゲート」の開発は放棄され、WF/PCII系の検出器に使用されなかった。
イオン注入はデバイス応用に対して半導体表面を選択的にドーピングするために半導体産業で使用される標準プロセスである。このプロセスは結晶格子に所望のドーズを注入するためにエネルギードーパント原子を半導体表面に向け供給することに基づいている。注入された原子は結晶の電気的に活性な格子位置に位置せず、高密度の欠陥を生成し、半導体の品質を低下させる。従って、注入は多くの結晶欠陥をアニールし、注入された原子を電気的に「活性化」して一部分の原子を格子間位置から結晶格子位置に移動可能にするために高温度の熱処理を必要とする。しかし、「活性化」に必要な温度はデバイス処理の熱的制約と適合しない(イオン注入層の高温炉アニールを可能にするために前面の電子回路に耐熱金属を使用する例外があるが、耐熱金属は専門のプロセスを必要とし、すべての撮像デバイス技術及び応用に適合しない金属導電率の制約を課す点に注意)。従って、イオン注入を撮像検出器の要件及び制約に適合させるために、いくつかのプロセス変更が重要である。第1に、UV域の検出に適した浅いドーパントプロファイルを生成するためには極めて低いエネルギーの注入が望ましい。第2に、表面近傍領域のみを加熱するためにパルスレーザを用いて極めて浅いアニールプロセスを実行する。第3に、トランジスタ及び他のデバイスの小領域をドープするために使用される選択的プロセスと反対に、背面照明撮像検出器のイオン注入は検出器の全表面の均一ドーピングを達成するように最適化されたプロセスを必要とする。これは特にレーザアニールに対する課題であり、撮像検出器に「レンガ壁」アーチファクトを生成する傾向がある。
WF/PC2のための検出器開発中に同時に、JPL科学者は高ドープシリコンのエピタキシャル成長に基づくユニークな表面不活性化を開発し始めた。通常の結晶成長技術はCCDのトレランスを超える温度を必要とするが、JPLは1980年代に、CCDコンパチブル温度(450℃以下)でシリコンのエピタキシャル成長を達成できる低温分子ビームエピタキシプロセスの先駆的な取り組みを先導した。これらの努力は1992年にデルタドープCCDの開発及び実証をもたらし、低温MBE成長を用いて完全機能薄膜CCD上に極薄デルタドープシリコン層を形成した。
MITリンカーン研究所(MIT−LL)は、2×1020cm−3の濃度(1×1014cm−2のシート密度に相当する)で均一に分布するホウ素(B)を含む厚さが5nmのMBE成長シリコン層を用いる表面不活性化を最近開発した。MIT−LLは、ほぼ100%の内部量子効率及び測定不能のヒステリシスを主張している。遠紫外放射への背面照明CCDの暴露に対してMIT−LLで行われた研究は、MBE成長層は化学吸着帯電又はイオン注入のいずれよりも耐放射性であることを証明している。MBE不活性化デバイスの改良された耐放射性は不活性化層に組み込まれる電荷の総量及び表面上の酸化物層の相対厚さに起因する。研究の著者は、電子の移動度がイオン化放射により酸化物に注入される正孔よりも大きいことを引用して、放射への暴露は酸化物内に正電荷を生成し、表面不活性化層内のドーパントを補償すると主張している。この研究で比較されているデバイス(デルタドープデバイスは含んでいない)のMBE成長不活性化層は最大の電荷密度(1×1014cm−2)及び最薄の酸化物(1−2nm)を含む。MIT−LLにより成長された均一ドープ層に比較して、JPLのデルタドーピングプロセスはより薄いMBE生長層でより高い電荷密度を達成し、ここに記載する多層不活性化層は更に高い電荷密度を達成する。
図1及び図2はデルタドーピングと他の表面ドーピング技術を計算された表面近傍電界及び電位に基づいて比較している。ゆっくり変化するドーパントプロファイルが拡散により生成される。イオン注入はゆっくり変化する弱い電界及び電位を生成し、バルクからの表面の弱い分離を与え、応答に不安定性を生じる(ハッブル宇宙望遠鏡からのWFC3検出器の性能データに見られる)。比較において、プロットは、デルタドーピングが従来の表面不活性化技術のなかで最強の電界及び最高のエネルギー障壁を生成することを示している。これは量子効率及び安定性の測定結果と一致し、デルタドーピングがどの位有効な不活性化層を提供するかを示す。それにもかかわらず、最近の測定結果は、可動正孔の表面密度はデルタドープ層内のドーパント原子の表面密度より2桁低いことを示唆している。この不一致は装置性能に対して重要な意味を持ち、改良された表面不活性化技術が必要とされることを意味する。本発明の技術は以下に記載するようにこの必要性に取り組むものである。
多層ドーピング:序文及び概説
様々な表面不活性化方法が背面照明検出器(並びに検出器と極めて類似の要件を有する太陽電池)用に特に開発された技術より前に周知である。これらの周知の技術は、熱酸化物の成長、水素中のアニーリング及び高性能絶縁体の成長又は堆積(例えば、多くの半導体技術文献の主題である高k酸化物)を含む。これらの技術は、好ましい電界及び電位を生成するために表面を充電するのに反して、電気的に活性の欠陥の影響を除去もしくは軽減させることを目的としている。デルタドーピングを除いて、前節で記載したすべての表面充電方法も、表面不活性化の安定性及び効率の向上を助けるためにこれらの方法、特に水素不活性化に依存している。この低欠陥密度への依存は、高エネルギー光子への暴露を含むイオン化放射(例えば技術的に科学的に重要なディープ紫外光、遠紫外光及び極端紫外光)のために安定性の問題を生じる。本発明の技術の利点の一つは表面欠陥と無関係に安定性を向上することにある。
シリコンの多層不活性化を導入するため及び従来技術との比較の基礎を与えるために、JPLにより教えられたデルタドーピングによる表面不活性化の性質並びにこの技術に関して最近確認された問題の説明から始める。光学検出器への適用において、デルタドーピングの本質的な原理は前面照明検出器の厚いp+基板を原基板/エピ層界面のp+p接合により形成される電界及び電位障壁を(本質的に)複製する極薄p+層と置き換えることにある。極薄デルタドープ層は本質的に透明(ある限られた意味で)であるため、デルタドープした背面照明検出器はシリコンに到達可能な全電磁スペクトル(軟x線から近赤外線)に亘って極めて高い量子効率を示す。背面照明の問題の本質は表面不活性化及び安定性の問題にあり、特に不活性化された表面に対する化学的及び物理的変化は検出器性能に影響を与えないことが不可欠である。
JPLにおけるデルタドープ表面の表面シート密度の最近の測定結果は、表面近傍デルタドープ層は予想より2桁低い大きさのシート密度を示すのに対し、深いデルタドープ層のシート密度は予想の範囲内であることを示す(表1参照)。二次イオン質量分光分析(SIMS)による表面のプロファイルは2×1014cm−2の設計値に近いドーパント原子のシート密度を含むことを示す。このことは、少なくとも2つの理由、即ち第1に、導電性は表面不活性化層により再現されるべき基板の本質的機能であるため、及び第2に、低い表面導電性は、デルタドープは予め考えていたより低いローバスト性であることを示すために、問題を示す。
上述した正孔とドーパント原子のシート密度の不一致は、表面への接近がデルタドープ層をどういうわけか補償することを示している。この不一致には少なくとも2つの可能な理由がある。表面に最も近い層内のドーパント原子の大部分が電気的に不活性であるか、また正孔の大部分が表面により不動化されるかのいずれかである。これらの可能性のいずれか一方又は両方からなる化学的メカニズムが存在し、更にこれらのメカニズムはシリコン酸化物内のいたるところに存在することが周知である水素を含む。ホウ素などの表面ドーパント原子の表面水素による不活性化は周知である。表面酸化物内の正孔の注入及びトラップも周知であり、比較的多くの文献の主題である。最近、酸化物内の正孔の不動化は電気プロセスではなくイオンプロセスとすることができることが確定され、酸化物への正孔の注入は酸化物の空孔から水素の開放を生じさせるので、Eセンタとして知られる一種の欠陥を生成するとともに、水素を架橋酸素原子と安定な結合に入り込ませ、よって酸化物内の固定の正電荷も生成する。従って、両メカニズム−不活性化対不動化−は表面上又は表面近傍の水素と関連する。よって、伝導性データは、デルタドーピングを上回る改良が必要であること及びモデルとの比較のための量的基準を提供することを示す一方、化学的メカニズムはデルタドープ及び多層ドープシリコンの表面のモデル化の有意義な出発点を提供する。モデル及びデータはともに本発明技術と従来技術の比較手段を提供し、多層ドーピングが従来技術を上回る重要な利点を提供することを示す。
表面の量子力学モデルは、新しいMBE成長及び特性データとともに、デルタドーピングによる表面不活性化への新しい知見を提供し、デルタドーピング及び他の最先端の不活性化技術に対するいくつかの問題を照らし出す。改良されたMBE成長構造に対する計算及び実験は、新しいデバイス構造及び方法を設計するために、量子排除による表面不活性化のコンセプトを使用することによって達成される実用性及び利点を証明することができる。
多層ドーピングはシリコン表面上に多数のデルタドープ層を成長させることによって実施され、隣接層間の分離は層間の量子力学結合を可能にするのに十分なほど小さい。量子力学結合がデルタドーピングの高い量子効率を維持するとともに、多層ドーピングが表面伝導率をデルタドーピングに比較して2桁大きくし、表面とバルク領域との間により大きな絶縁分離を提供する。MBE成長層の伝導率の測定結果が、本発明の方法及び装置によれば有効な表面不活性化のために必要なバルクシリコンからの表面の分離を達成し、できれば向上させながら、表面伝導率を2桁大きく増大できることを証明している。
モデル化のために、荷電ドーパント原子は表面の電荷からシリコンギャップ層の厚さだけ物理的に分離されるので、表面における正孔の不動化は表面双極子層を生成する。双極子層は正孔を半導体内に閉じ込め、電子を表面に閉じ込める電界を生成するが、双極子層は、量子閉じ込めが表面に閉じ込められた電子の基底エネルギーをそれらの殆どが検出器のバルク内の伝導帯に結合される点まで大きく増大するほど狭い。一方、ドーパントの不活性化はそれらを有効に中和するので、電位の計算に関する限り、それらはモデルから有効に除去する。従って、これらの可能性を測るためには2つの場合が考えられ、第1の場合は電荷の不動化及び強い表面双極子の生成の場合、第2の場合は表面に最も近い層におけるドーパントの中和及びドーパント密度の低下である。
プロットは電界及びポテンシャルエネルギー(図4、図5及び図6)、正孔濃度(図7及び図8)、電子状態(図9〜図14)及びローバスト性(図15〜図20)を示す。プロットは多層ドープ表面を以下のように3つの領域に分割することによって本発明の技術の原理を説明している。
表面領域は一方の側がSi−SiO2界面で、反対側が第1デルタドープ層で境界される。Si−SiO2界面の化学的性質がこの領域を支配する。第1ドープ層は、この領域が量子閉じ込め効果を計算された少数キャリアのエネルギー状態で受けるためにSi−SiO2界面に近接しなければならない。この領域内の量子閉じ込めは少数キャリアのトラッピングを最小にするのに役立つ。酸化物内の正孔のトラッピングは固定正電荷を生成し、Si−SiO2界面と第1ドープ層との間に表面双極子領域を生成する。双極子領域内の電荷分離は強い表面電界を生成する。表面に生成される水素は表面に最も近いドープ層内のドーパントを不活性化することができる。
多層領域は新しい領域である。デルタドーピングは化学的界面と物理的界面との間の急峻な境界を表すが、多層領域は設計により制御できる特性を持つ有限の幅の領域を介在させることができる。一実施形態では、1つの代わりに数個のデルタ層を成長させることによって、結合された量子ウェルの「多層」を生成する。層間の分離は量子ウェルが結合されるように狭くするのが好ましい。層間の分離が大きすぎる場合には、キャリアが個々のウェルにトラップされ、量子効率が低くなる。ドーパントシート密度はバルクとウェハ表面との間に良好な分離を得るために高くするのが好ましい。高い障壁はトネリングのより良い抑止をもたらし、動的表面帯電、損傷及び他の環境効果に対してより良いローバスト性をもたらす。高いドーパントシート密度はデルタドープ表面に欠ける高い導電性ももたらす。
この界面は検出器の電子回路表面を規定し、それはMBE成長前に存在した原検出器材料の出発材料であり、高純度シリコンからなる。これは、光生成少数キャリアを検出する必要がある場合であり、それらが生成されたら、多層領域はそれらが戻ってくるのを阻止するために優れたトンネル障壁を提供する必要がある。多層領域からこの領域内に広がる電界及び多層領域により生成される電位障壁の高さ及び幅が表面不活性化の有効性を決定する重要パラメータである。デルタドーピングにより生成される電界及び電位障壁は導電率データからの推定に基づく予測値よりも遥かに低い。多層ドーピングは、モデルによって表されデータによって確かめられた様々な基準から、デルタドーピングおよび他の如何なる従来技術よりも遥かに優れている。
多層ドープはシリコン検出器のバルク表面上に複数のドープ層の成長を必要とするため、薄膜化及びデルタドーピングシリコン検出器に対して既に開発されている方法を用いて表面を生成し、第1ドープ層を成長する。後続のドープ層は、多層領域に所望の数のドープ層を形成するために反復成長プロセスにより形成する。この方法で形成された多層は一般に周期的構造をとるが、本発明の検出器不活性化のための多層ドーピング技術はすべての層を同一に形成する必要はない。
1.薄膜化領域を支持する厚い枠を残して薄膜化する枠−薄膜化プロセスによりウェハを薄膜化する前に検出器を支持する又は装置全体を薄膜化するために薄膜化前に検出器を機械的支持体に接着する。
2.薄膜化すべき表面を、例えばRCA洗浄プロセスなどのシリコンウェハ用の標準洗浄プロセスを用いて洗浄する。
3.検出器を、例えば化学−機械研磨、加熱KOH溶液による化学エッチング、フッ化水素及び酢酸の混合物による化学エッチング及びKMnO4の溶液によるエッチングを含む一連のステップで薄膜化する。
4.薄膜化した検出器の背面を、例えば別のRCA洗浄ステップ及びこれに続くUVオゾン洗浄プロセスにより洗浄する。
5.例えば検出器を窒素環境内で回転体の上に置き、表面を回転させながら一連の薬品、例えばエタノール、HFとエタノールの混合物及び再びエタノールに暴露することによって表面の水素不活性化を行う。
6.装置を真空チャンバ内に装填し、超高真空圧にポンピングする。
7.装置を真空下でMBE成長チャンバ内に移送する。
8.表面から揮発性薬品を除去するために、例えば150℃まで少なくとも10分間加熱して装置を低温度でアニールする。
9.380℃以上で450℃以下の温度に加熱する。
10.自動清浄シリコン表面を生成するためにバッファ層としてシリコン層を成長する。
11.シリコン成長を停止する。
12.必要に応じ、装置をn型多層の成長のために低温度、例えば250℃〜300℃の温度に冷却する。
13.複数のデルタ層の反復成長を実行する。多層の各デルタ層に対して、ドーパント原子を所望のドーパント密度に達するまで堆積し、そこでドーパント原子のフラックスを止め、次いで所望の厚さのシリコンをデルタ層の上に成長させる。例えば、各デルタ層に対して2×1014cm−2のドーパント密度及び1〜2nmのシリコン層厚を使用することができる。各層は前層と同一にする必要はない。
14.装置を除冷し、MBEチャンバから取り出す。
15.特定の用途に応じて、任意選択ステップとして酸化物及び反射防止膜を形成する。
16.この時点で多層ドーピングによる不活性化は完了し、パッケージングのための追加のステップを必要に応じ実行することができる。
ここで与えられる理論的な説明は正しいと考えられるが、ここに記載し特許請求する装置の動作は理論的説明の正確さ又は正当性に依存しない。即ち、ここに記載する本発明は、観測された結果をここに示す理論と異なる根拠に基づいて説明できる後の理論展開によって損なわれることはない。
Claims (6)
- 第1表面及び該第1表面と対向する第2表面で境界されるシリコンウェハを備え、前記シリコンウェハは前記第1表面及び前記第2表面のうちの一つの上に製造された装置を有するシリコン装置であり、
前記シリコンウェハは前記第1表面及び前記第2表面の少なくとも一つに隣接して位置する多層デルタドーピングプロファイルを有し、前記多層デルタドーピングプロファイルは複数Mのデルタドープ層を有し、複数Mのデルタドープ層の各々は10オングストロームより小さい厚さ及び少なくとも1014cm−2のドーパントシート密度を有し、ここでMは1より大きい整数であり、前記複数Mのデルタドープ層はM−1の意図的にドープされていないシリコンのインタリーブ層により互いに分離され、前記M−1の意図的にドープされていないシリコンのインタリーブ層の少なくとも一つは10オングストローム〜30オングストロームの範囲内の厚さを有し、
前記シリコンウェハの前記第1表面及び前記第2表面の少なくとも一つが前記第1表面及び前記第2表面のそれぞれの表面に存在する欠陥密度に関係なく電気的に不活性化されている、
ことを特徴とするシリコン装置。 - Mは3以上であり、前記複数Mのドープ層はM−1の意図的にドープされていないシリコンのインタリーブ層で分離され、前記M−1の意図的にドープされていないシリコンのインタリーブ層の少なくとも2つは等しい厚さを有する、請求項1記載のシリコン装置。
- Mは3以上であり、前記複数Mのドープ層はM−1の意図的にドープされていないシリコンのインタリーブ層で分離され、前記M−1の意図的にドープされていないシリコンのインタリーブ層の少なくとも2つは等しくない厚さを有する、請求項1記載のシリコン装置。
- 前記M−1の意図的にドープされていないシリコンのインタリーブ層の少なくとも一つは1013cm−2より低いドーパントシート密度を有する、請求項1記載のシリコン装置。
- 前記複数Mのドープ層の一つとこれに隣接する前記M−1の意図的にドープされていないシリコンのインタリーブ層の一つとの間に、1nmにつき10以上のドーパント勾配が存在する、請求項1記載のシリコン装置。
- 第1表面及び該第1表面と対向する第2表面で境界されるシリコンウェハを備え、前記シリコンウェハは前記第1表面及び前記第2表面のうちの一つの上に製造された装置を有するシリコン装置であり、
前記シリコンウェハは前記第1表面及び前記第2表面の少なくとも一つに隣接して位置する多層デルタドーピングプロファイルを有し、前記多層デルタドーピングプロファイルは複数Mのデルタドープ層を有し、複数Mのデルタドープ層の各々は40オングストロームより小さい厚さ、少なくとも1014cm−2のドーパントシート密度及び1nmにつき10以上のドーパント勾配を有し、ここでMは1より大きい整数であり、
前記シリコンウェハの前記第1表面及び前記第2表面の少なくとも一つが前記第1表面及び前記第2表面のそれぞれの表面に存在する欠陥密度に関係なく電気的に不活性化されている、
ことを特徴とするシリコン装置。
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