CCD图像传感器技术研究范文

《电子科技》2014年第五期

1衬底减薄工艺

CCD制作工艺选用双面抛光p－Si外延片，衬厚度535±10μm，衬底电阻率0.01Ω•cm，外延层厚度15±1μm，外延层电阻率30Ω•cm。完成常规的CCD工艺后，将圆片分割成管芯后进行背面减薄工艺。如果仅使用湿法腐蚀，腐蚀的非均匀性会影响减薄效果，湿法减薄前需要使用研磨方式去除大部分衬底，减薄硅片至100μm。先后用20μm、9μm、3μm、1μm的氧化铝颗粒进行研磨，每种颗粒所生产的损伤层厚度约为该颗粒直径的3倍，研磨后CCD背面几μm的损伤层通过湿法腐蚀去除。在研磨过程中，需要逐渐控制芯片上的压力和磨盘的转速，避免在研磨时出现芯片损坏。

湿法腐蚀采用各向同性的HNA腐蚀液，成分包括硝酸、氢氟酸和冰乙酸。其在硅表面的反应模式是氧化还原反应，接着是二氧化硅的去除。反应方程式如下:硝酸是氧化剂，氢氟酸去除生成的氧化物，同时作用的结果是去除硅。冰乙酸的作用是稀释剂。不同比例的溶液对不同掺杂浓度的硅腐蚀速率不同，高掺杂材料氧化速率的硅去除率较高，因此外延层界面在减薄工艺中起到腐蚀停止的作用。完成研磨减薄后，使用环氧树脂将硅片粘接到玻璃片上作为物理支撑，否则减薄完成后硅片会由于应力的原因而弯曲。将玻璃片固定在可旋转的夹具上。夹具如图1所示。腐蚀过程中进行旋转有两个作用:一是不断搅拌腐蚀液，使得腐蚀液浓度、比例均匀;二是利用离心力的作用使反应产生物离开硅片表面，提高反应速率和反应均匀性。对不同配方的腐蚀液分别对衬底和外延层进行了腐蚀实验。使用物质的量浓度为40%的HF酸、70%的硝酸和99%的冰乙酸，分别按照3∶5∶8、2∶2∶3、2∶3∶8、1∶3∶6和2∶1∶11的比例进行配置，得出了腐蚀速率和腐蚀选择比，如表1所示。HF酸和硝酸浓度较高时，腐蚀速率快，对衬底外延层的腐蚀速率接近。

HF酸和硝酸的比例较低时，对衬底何外延层的腐蚀速率同时减低，对外延层的腐蚀速率下降程度大于对衬底的腐蚀速率下降程度，调节腐蚀液到一定的比例时，即可用于背面减薄工艺。本文使用了HF酸∶硝酸∶乙酸为2∶1∶11的腐蚀液。

2结果分析

文中共进行了10个样品的减薄，有5只样品完成最终工艺，5只样品在中间过程中损失。最终减薄的厚度如表2所示。图3为大面阵CCD被减薄到15μm的照片，由于应力的原因。芯片从支撑片上取下后出现了卷曲。图4为透过减薄后硅片的日光灯照片，因为硅片非常薄，已经可以透过波长较长的红光。使用本文中的减薄技术对1024×512可见光CCD进行了背面减薄，并实现了背照式成像，如图5所示。对比了正照和背照量子效率曲线，如图6所示，可见背照模式量子效率高于正照模式，峰值量子效率达54%，但距背照理论的峰值量子效率约有10%的差距，这是因为直接减薄的CCD背面存在内建电场，使光生电子尤其是背面表层产生的电子驱动到背面势阱，不能被CCD收集转移，从而造成短波量子效率低，峰值量子效率达不到理论值。解决方案是在减薄后的背面形成一层薄的硼离子掺杂层，目前主流的做法是在背面进行离子注入，并进行激光脉冲退火激活杂质。

3结束语

使用研磨减薄和湿法相结合的方式实现了大面阵CCD的减薄，减薄后芯片厚度＜15μm，非均匀性＜±5%。对减薄后的器件进行了成像及量子效率性能测试，量子效率比正照提高了50%。

作者：邓刚韩恒利钟四成单位：重庆光电技术研究所硅工艺中心