CCD制作工艺

CCD制作工艺摘要：CCD（电荷藕合器件）是一种在硅集成电路工艺线上制作的图像传感器。本文介绍了CCD的基本工作原理和制造的单项工艺，并详细介绍了其关键工艺：氧化、光刻、离子注入，还对各工艺所遇到的问题、相应的解决方法及发展状况进行了阐述。关键词：CCD；氧化；光刻；离子注入中图分类号：TP212.14文献标识码：A一、引言固体图像传感器属于光电子成像器件，以器件类别来划分，固体图像传感器主要分为CCD、CMOS以及CIS三种，本文主要对CCD进行介绍。CCD即电荷藕合器件，是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件，美国贝尔电话实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith在探索磁泡器件的电模拟过程中，产生了电荷耦合器件的原理设想，并在实验中得到验证[1]。最初，CCD只是作为存储器件使用，但后来依靠已经成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得到了迅速的发展。现在，CCD已被广泛应用于电视摄像、图像采集、目标跟踪以及工业测量等许多领域。二、CCD的基本工作原理CCD器件基本工作原理与金属－氧化物－硅（MOS）电容的物理机理相关，CCD的基本组成单元是MOS电容器，其工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测[2]。CCD是以电荷包的形式对信号进行存储、转移的器件，它突出的特点是以电荷为信号，而不同于其它以电流或电压为信号的器件。CCD工作时，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，进而实现电荷的存储和转移。CCD电荷势阱运动基本方程式为：Us=UG＋(s0qNA/COX2)－UFB－(Qs/QOX)－{(s0qNA/COX2)2＋2(s0qNA/COX2)[UG－UFB－(Qs/QOX)]}1/2（1）式中：Us—表面势；COX—单位面积氧化物电容，它是由氧化物的厚度及其介电常数决定的；UFB—控制栅压的修正电压；Qs—信号电荷；UG—加在栅上的电压；QOX—氧化物中的电荷；0—氧化层的的介电常数；s—硅的介电常数。在CCD中，电荷产生的方法很多，归纳起来可分为光注入和电注入两类[3]。光注入就是当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体内产生电子空穴对，栅极上所加电压把多数载流子排走，而少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷；电注入就是通过电产生信号电荷。作为图像传感器，CCD接受的是光信号，即电荷产生方式是光信号注入法[4]。光信号照射在CCD光敏区，当光子能量大于禁带宽度时，光子使半导体中产生一对电子——空穴对，产生的电子将收集在MOS电极下的势阱中，然后在驱动脉冲下，将光产生的电荷包转移和输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列，从而产生图像信号。三、制造CCD的关键工艺制作一个性能优越的CCD，不但要有精确的设计，而且还必须具备良好的设施和工艺制作条件，同时认为因素的影响也非常重要。CCD是在硅集成电路上制作而成的，其工艺基本组成包括清洗、氧化、扩散、光刻、刻蚀、离子注入、LPCVD、等离子生长和中测单项工艺，CCD的制造就是将这些单项工艺以不同数目和次序加以组合而成。本文着重介绍CCD的制造关键工艺：氧化、光刻、离子注入。1、氧化氧化是CCD制造中的关键工艺之一，氧化生成的SiO2膜在CCD中有着重要的作用，主要表现为：（1）作为CCD的保护和钝化膜。在Si表面覆盖着一层SiO2薄膜，一方面热生长SiO2可以束缚硅的悬挂键，从而降低CCD的表面态密度，起到表面钝化作用，同时它能防止CCD电性能退化并减少由于潮湿、离子或其它外部污染物引起的漏电流[5]。另一方面，SiO2是坚硬和无孔（致密）的材料，可以保护Si表面不被镊子划伤以及避免后期工序中可能带来的工艺损伤。同时，在Si表面产生的SiO2层可以将Si表面的电活性污染物（可动离子沾污）束缚在其中。（2）作为CCD中栅氧的电介质。CCD中最主要的是MOS管，因为SiO2具有高电介质强度（107V/cm）和高的电阻率（约1017Ωcm），所以可以作为CCD中MOS的栅氧化层。CCD中栅氧层影响电流的流动和电荷转移效率。因此，要求栅氧化层致密、无杂质，并有极好的膜厚均匀性，任何会导致栅氧结构退化的沾污都必须尽量避免。（3）可作为多晶硅薄膜之间的隔离层，这从图1中可看出。隔离多晶硅的SiO2层的质量将直接影响CCD的电路的性能，SiO2能防止上层多晶硅和下层多晶硅间短路，就像电线上的绝缘体可以防止短路一样[6]。同时，氧化物要求无针孔和空隙。由于氧化层的这些作用，因此有三个问题需要解决：①氧化层制备方法很多，有干法氧化、湿法氧化以及水汽氧化，CCD用哪种方法制备？②氧化层的厚度对CCD的阀值电压和平带电压有直接的影响，同时还影响CCD的成像效果，那氧化层的厚度应该是多少？③氧化层的材料是SiO2还是SiO2和Si3N4的组合？本文将在下面三段中讨论这三个问题的解决方法．在CCD制造中，较多采用干氧—湿氧—干氧结合的氧化方式。由于干法氧化是在高温下，氧气与硅反应生成SiO2，其化学反应方程式为：Si（固）+O2（气）→SiO2（固）（2）此方法生成的SiO2具有结构致密、干燥、无针孔、均匀性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好、与光刻胶粘附好等特点；缺点是氧化速率较慢。而湿法氧化则是用携带高纯水的氧气代替干氧作为氧化气体，其反应方程式为：Si（固）+2H2O（水汽）→SiO2（固）+2H2（气）（3）在湿氧反应中，有水汽参与，由于水蒸汽比氧气在二氧化硅中扩散更快、溶解度更高，所以湿氧氧化速度较快，可参照图2[7]。但是反应生成的氢分子会束缚在固态的SiO2层内，这使得湿氧生成的SiO2密度比干氧小，且与光刻胶接触不良好，而且湿氧氧化后的硅片表面存在较多的位错和腐蚀坑。水汽氧化生成的SiO2膜结构疏松、缺陷多，在器件生产中很少单独采用水汽氧化。所以，在CCD制造中，较多采用干氧—湿氧—干氧结合的氧化方式。SiO2厚度的选取很重要，CCD的结构不同，那它的厚度也是不同的。作为CCD栅介质层的SiO2，当膜较厚时，隧道电流不易发生，而CCD中MOS管的SiO2厚度较小时，可提高MOS管的阈值电压，进而提高CCD的工作功率。但是，随着CCD器件关键尺寸的减小，要求作为MOS管的SiO2层厚度相应减薄，而由此产生的问题有：①杂质扩散，当SiO2层较薄时，杂质会从栅极中扩散到Si衬底或固定在SiO2中，进而影响到MOS管的阀值电压和平带电压；②漏电流增加，根据隧道理论，栅与沟道间的隧道电流将随着绝缘栅厚度的减小而迅速增大，而这将严重影响到低功率器件的性能；③在半导体表面的反型区或者积累区，电子或空穴积累在非常窄的势阱中，表现为量子化行为[8]。这就要求在设计CCD时，厚度的选取要合适。CCD制造中，栅极介质层由SiO2层及其上再生长的一层氮化硅膜共同构成，这是因为氮化硅（Si3N4）介电常数大约是二氧化硅的两倍，但是由于氮化硅的热膨胀系数大约是硅的两倍，造成氮化硅和硅之间的接触不好，而SiO2与Si的膨胀系数接近[9]，所以形成Si—SiO2—Si3N4作为栅介质层。现在国内外在研究MOS管的介质层时，用高介电常数栅介质层来替代SiO2层[10]。研究的栅介质层有：ⅢA族和ⅢB族的金属氧化物，主要包括Al2O3、Y2O3、La2O3等；ⅥB族金属氧化物主要有HfO2、ZrO2、TiO2等；堆垛结构如HfO2/SiO2、ZrO2/SiO2等。虽然取得一些成果，但仍存在问题。在CCD制造中，氧化工艺制备的SiO2膜的质量对CCD的性能参数影响很大，主要表现为：①在SiO2层中由于沾污而引入可动离子，如Na+、K+等离子，其中主要是Na+会在Si表面感应出负电荷，可引起CCD中MOS管的阈值电压不稳定，或击穿电压的蠕变，如果离子聚积电极附近，则可使电极有效面积向外延伸，还可影响CCD电荷转移效率；②底片表面处的晶格缺陷、机械损伤可使Si—SiO2界面处产生界面陷阱电荷，而界面陷阱电荷又使得C—V特性曲线发生畸变，同时使得CCD电荷转移效率下降，引起暗电流噪声，但这些界面陷阱电荷在N2、H2退火中可以得到降低。③SiO2层中存在体缺陷或针孔则会影响CCD的成像效果，可产生拖影等。2、光刻光刻也是CCD制造中的重要工艺，光刻质量直接影响到CCD的成品率及参数。光刻就是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。CCD制造中的光刻工艺与一般半导体制造中的光刻工艺很相似[8]。光刻工艺可分为8个步骤：即气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准、曝光、显影、坚膜、显影检查。图3是版图转换到光刻胶上的示意图。气相成底膜是指在光刻前对硅片进行清洗、脱水和硅片表面成底膜，这样可以去除硅片表面的粘附性。在其它工艺和光刻工艺间保持和传送硅片时，不可避免地要在Si片表面引入沾污和吸附潮气，为减少上述问题，采取在上步工艺完成后尽快为硅片涂上光刻胶和将光刻时间内的湿度控制在50%以下的措施。涂胶转速、光刻胶粘度、光刻胶均匀性是涂胶非常关键的质量参数。硅片上的光刻胶质量要求均匀、无条纹、无胶粒、无损伤、无针孔等。如果覆盖在硅片上的光刻胶出现针孔、条纹、起皮时，工艺人员要检查：涂胶前硅片表面是否有颗粒污染、旋转涂胶机的排风量是否合适、旋转速率是否太高等。要得到刻蚀后高分辨率、高陡直的图形，必须首先提高曝光显影后光刻胶上图形的分辨率和陡直度。分辨率和均匀性误差除了由曝光显影工艺带来外，掩模板的精度以及掩模板到胶层图形的传递过程，也是带来误差的两大因素。一个CCD的生产需要许多掩模板套刻而成。掩模板通常为高纯度精密石英玻璃版，上面载有金属铬形成的集成电路图形[11]。单个芯片上CCD器件数目的增长是以光刻技术所能获得的芯片特征尺寸（CD）不断减小来实现的，而阻碍芯片特征尺寸进一步缩小的瓶颈是光刻技术[12]。为此，各国科学家在致力于研发下一代光刻技术，如极紫外光刻（EVVL）、X射线光刻（XRL）、电子束光刻（EBL）、离子束光刻等。据业内人士分析，13.4nm波长的EVVL将在50nm～70nm工艺中作为主要的下一代光刻技术。3、离子注入离子注入是通过高压下离子轰击把杂质注入硅片中，然后经过退火使杂质击活，达到改变硅片的电学性能的目的。离子注入的优点是：可精确控制杂质含量，获得很好的杂质均匀性，对杂质穿透深度能很好的控制无固浓度极限；离子注入的主要缺点是：高能杂质轰击原子将对晶体结构产生辐射损伤，不过大多这些损伤都可以通过高温退火得以修复。CCD中的BCCD、沟阻、势垒、Notch、收集二极管等都是通过离子注入这一工序来完成的，如图4所示，而场区、地、源漏是在热扩散中完成的。离子注入工艺必须严格按照CCD工艺卡进行操作，剂量和射程是离子注入的两个重要参数。剂量Q可由下面的公式计算：Q=It/enA（4）式中，Q—剂量，单位面积硅片表面注入的离子数，单位是原子每平方厘米（也可以是离子每平方厘米）；I—束流；t—注入时间；e—电子电荷；n—离子电荷；A—注入面积。射程是指离子注入过程中，离子穿入硅片的总距离。注入机能越高，意味着原子能穿透越深，射程越大，控制结深也就是要控制射程。离子注入工艺中，要求注入浓度要均匀。否则[13]沟道、沟阻、势垒掺杂浓度不均匀、表面态密度分布不均匀以及栅氧厚度不均匀会造成CCD开启电压不同，从而引入固定模式嘈声，表现为暗电流及光电响应不均匀性[14]。四、结束语CCD以其结构的物理原理决定的低信号噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能牢固占据图像传感器高端市场。而工艺也是对器件的这些性能参数和成品率的重要影响因素之一，这就要求在CCD制造中，不仅要求有精确的设计，而且更要有合理的CCD的制造工艺。参考文献：[1]JamesR．Janesick．Sciencecharge－coupleddevises[M]．SPIEPress．2001．10-30[2]王庆有．图像传感器应用技术[M]．天津：电子工业出版社．2003．30－35[3]［美］M．J．豪斯，D．V．摩根．电耦合器件和系统[M]．国防工业出版社．1983．66-72[4]刘继琨．固体摄像