使用多层通过量子排斥进行的表面钝化的利记博彩app

专利名称：使用多层通过量子排斥进行的表面钝化的利记博彩app
技术领域：
本发明一般涉及半导体器件，且具体地涉及对操作依赖于表面钝化的硅器件。
背景技术：
问题陈述 背照式成像探测器的表面钝化、量子效率及稳定性长期以来已知表面和界面对实质上所有的固态器件尤其是成像器件的性能至关重要。表面钝化技术对晶体管的发明和用于平面集成电路(其发起了半导体革命)的可靠工艺的发展至关重要。固态成像器件中的革命由于电荷耦合器件(CXD)的发明而始于1969年。表面和界面从一开始就提出了问题，且CCD设计中的许多后期的改进目的在于实现对器件的前表面附近的界面的质量的控制。德克萨斯仪器公司早在1974年就演示了第一代背照式CXD。NASA很快认识到用于空间中的天体成像的固态成像器件的潜力，并开始开发用于空间仪器(包括哈勃空间望远镜)的CCD和摄像机。喷气推进实验室(JPL)在该开发中起了关键性作用。JPL负责开发宽场/行星摄像机(WF/PC)——哈勃空间望远镜(HST)的一个重要仪器，其随后将产生与NASA和HST相关的标志性图像。对WF/PC探测器的最重要的科学要求之一是以优于1%的光度测定稳定性在宽光谱范围上实现高量子效率(QE)。特别是，要求HST探测器探测下至原子氢的Lyman- α线的UV光，其位于光谱的远紫外区中，波长为121. 6nm。如WF/PC II的历史所证实的，在量子效率和稳定性之间，稳定性是较重要的探测器性能规范。为了满足这些要求，背照明被认为是必要的，因为在C⑶的前表面门电子器件中的吸收使得传统的前照式CCD在紫外区中实质上是看不见的。不幸的是，背照明导致了响应中的不稳定性，因为对于暴露探测器的感光体积所必要的衬底去除工艺被发现产生了CCD的不稳定的背表面。由于表面中的未钝化缺陷的低掺杂水平和高密度，环境中的变化影响薄化的探测器的响应。特别是，对光生电荷的高效收集至关重要的在Si-SiO2界面处的背表面电势取决于器件的物理环境和照明史。早期的控制背表面电势的努力基于优化薄化工艺以在CCD的背表面上留下薄的P+层。该方法被证实不足够，因为薄化的差的均匀性、低的表面掺杂密度和对掺杂剂分布的控制的缺乏对实现所需的稳定性呈现了不可逾越的障碍。当WF/PC仪器公司在最初计划的1984年12月推出日期前经受热真空测试时，这个问题到了紧要关头。WF/PC探测器在比由HST的科学要求设置的1%稳定性规范差的数量级上展现了量子效率滞后(QEH)。为了更好地为HST和未来仪器解决这个问题，JPL开始了协定的努力来解决背表面钝化问题，其将囊括UV-泛光(flood)工艺的开发、用作肖特基势垒的高功函数金属的沉积及偏置的背表面接触的使用。虽然这些方法中没有一种及时地成功用于WF/PC (在1990年推出)和WF/PC II (在1992年推出)，但这些技术发展为化学吸附钝化(Lesser等人)和跟随有激光退火的浅离子注入的现代最新技术。然而，甚至在现代具体形式中，最新的表面钝化技术也未能解决由20世纪80年代的HST探测器发展引起的所有问题。下面给出一些现有技术方法的讨论。特别是，现有技术中已知的钝化硅器件中的表面的最好方法之一被称为δ掺杂。
现有技术中已知的是Hoenk等人的于1994年12月27日公布的美国专利号5，376，810，其被认为公开了背侧照明的CCD的背侧表面电势阱，通过使用分子束外延(MEB)来在背表面上使δ掺杂硅层生长，该背侧表面电势阱被限制在该表面的半纳米内。MBE工艺中的δ掺杂通过在MBE生长期间暂时中断蒸发的硅源而不中断蒸发的P+掺杂剂源(例如，硼)来实现。这产生了非常尖的掺杂剂分布(其中掺杂剂被限制到仅几个原子层)，产生了足够高以将背侧表面电势阱限制在表面的半纳米内的电场。由于UV生成的电子被这样的窄电势阱捕获的概率较小，在整个UV波长范围，CCD的内部量子效率接近100%。此夕卜，量子效率非常稳定。现有技术中也已知Cunningham等人的于2000年8月22日公布的美国专利号6，107，619及Cunningham等人的于2002年2月12日公布的美国专利号6，346，700，这两件专利被认为都公开了 S掺杂混合先进探测器(HAD)，该探测器组合了至少4种技术以产生用于能量在几百电子伏(eV)到超过几百万电子伏的范围的高能粒子的探测器。该探测器对从可见光到X射线的光子敏感。该探测器对从大约IOkeV —直到几百eV的能量高度敏感。该探测器以毫瓦功率耗散操作，且允许阵列的非顺序读出，实现各种先进的读出方案。现有技术中也已知Nikzad等人的于2010年8月31日公布的美国专利号7，786，421，其被认为公开了用于从标准和高纯度器件(其可匹配到给定的光学系统)产生固态弯曲焦平面阵列的系统和方法。有两种方式来产生以完全地制造的器件开始的弯曲焦平面阵列。一种方式是薄化器件并使其符合曲率。第二种方式是背照射厚器件而无需制造薄化的膜。厚器件是一种特殊类别的器件；例如，使用高纯度硅制造的器件。器件的一个表面(非VLSI制造的表面，也称为背表面)可被抛光以形成曲面。现有技术中也已知Blacksberg等人的于2010年9月21日公布的美国专利号7，800，040，其被认为公开了用于在成像探测器上生长与背照明结合来使用的背表面接触部的方法。在操作中，提供了成像探测器。此外，利用在低于450摄氏度的温度下执行的工艺在成像探测器上生长背表面接触部(例如，δ掺杂层等)。需要提供半导体器件的改进的钝化的系统和方法。发明概述根据一个方面，本发明的特征在于娃器件，其包括以第一表面和与所述第一表面相对的第二表面为界的硅晶片，所述硅晶片具有在所述第一表面和所述第二表面中的一个上制造的器件；所述硅晶片具有位于与所述第一表面和所述第二表面中的至少一个相邻的掺杂分布，所述掺杂分布具有数量为M的多个掺杂层；所述数量为M的多个掺杂层中的每个具有小于10埃的厚度和至少IO14CnT2的掺杂剂片密度，其中M为大于I的整数；所述数量为M的多个掺杂层由M-I个交错的硅层彼此间隔开，所述M-I个交错的硅层中的至少一个具有在10埃到30埃的范围内的厚度；所述硅晶片的所述第一表面和所述第二表面中的至少一个被电子地钝化，而不考虑存在于所述第一表面和所述第二表面中的相应的一个上的缺陷的密度。在一个实施方式中，M至少为3，且所述数量为M的多个掺杂层被M-I个交错的硅 层隔开，所述M-I个交错的硅层中的至少两个具有实质上相等的厚度。在另一个实施方式中，M至少为3，且所述数量为M的多个掺杂层被M-I个交错的硅层隔开，所述M-I个交错的硅层中的至少两个具有不相等的厚度。在又一个实施方式中，所述M-I个交错的硅层中的至少一个具有小于IO13CnT2的掺杂剂片密度。在又一个实施方式中，每纳米至少十进倍的掺杂梯度存在于所述数量为M的掺杂层中的一个和所述M-1个交错的硅层中的相邻的一个之间。根据另一方面，本发明涉及硅器件，其包括以第一表面和与所述第一表面相对的第二表面为界的硅晶片，所述硅晶片具有在所述第一表面和所述第二表面中的一个上制造的器件；所述硅晶片具有位于与所述第一表面和所述第二表面中的至少一个相邻的掺杂分布，所述掺杂分布具有数量为M的多个掺杂层；所述数量为M的多个掺杂层中的每个具有小于40埃的厚度、至少IO14CnT2的掺杂剂片密度和每纳米至少十进倍的掺杂梯度，其中M为大于I的整数；所述硅晶片的所述第一表面和所述第二表面中的至少一个被电子地钝化，而不考虑存在于所述第一表面和所述第二表面中的相应的一个上的缺陷的密度。从以下的描述和从权利要求中，本发明的前述和其他目的、方面、特征和优势将变得明显。附图的简要说明参考以下描述的附图和权利要求，本发明的目的和特征将被更好地理解。附图不一定是按比例的，相反，重点通常放在说明本发明的原理上。在附图中，相似的数字用于在各个图中始终指示相似的部分。图I是示出计算出的电场的图，其将δ掺杂表面与现有技术中的其他表面掺杂方法相比较。图2是示出计算出的电势的图，其将δ掺杂表面与现有技术中的其他表面掺杂方法相比较。图3是不出近表面电场的图。图中不出的所有MBE层包含表面偶极子区和娃主体区，其中，电场非常高。多层(也称为“多个层”)掺杂在表面中产生了第三区，其在δ掺杂表面中不存在。在该区中，电场也非常高，但平均电场相对低。曲线310表示单个δ掺杂层的计算数据，曲线320表示具有两个掺杂层的多层的计算数据，及曲线330表示具有4个掺杂层的多层的计算数据。图4是示出比较δ掺杂与多层掺杂的电势的图。表面偶极子和硅主体电势在δ掺杂表面和多层掺杂表面中非常类似。多层掺杂产生了将表面与主体区隔开的较宽的势垒，这产生了表面与主体的较大的隔离并极大地增加了表面导电性。曲线410表示单个δ掺杂层的计算数据，曲线420表示具有两个掺杂层的多层的计算数据，及曲线430表示具有4个掺杂层的多层的计算数据。图5是示出通过δ掺杂被钝化的表面附近的电子状态的图。该图示出为L、X和Y导带计算的量子化的电子状态。每个状态由作为深度的函数的概率密度表示，被移动和缩放，使得竖直位置反映状态的能量。也画出了纵向L带的导带边缘用于比较。曲线510表示单个δ掺杂层的计算数据，曲线520表示具有两个掺杂层的多层的计算数据，及曲线530表示具有4个 掺杂层的多层的计算数据。图6是示出通过具有两个掺杂层的多层被钝化的表面附近的电子状态的图。与δ掺杂表面(图5)比较，通过多层掺杂提供的增大的势垒高度导致体硅与表面的改善的隔离，并也产生了几个表面谐振(以粗线示出)。这些是在Si-SiO2界面附近具有局部增强的概率密度的电子状态。曲线610表示单个δ掺杂层的计算数据，曲线620表示具有两个掺杂层的多层的计算数据，及曲线630表示具有4个掺杂层的多层的计算数据。图7是示出通过δ掺杂和多层掺杂被钝化的表面附近的空穴密度的图。与表面导电性测量结果一致，多层掺杂急剧地增大了表面附近的多数载流子的密度。曲线710表示单个δ掺杂层的计算数据，曲线720表示具有两个掺杂层的多层的计算数据，及曲线730表示具有4个掺杂层的多层的计算数据。图8是示出由具有4个掺杂层的多层来钝化的表面附近的电子状态的图。与δ掺杂表面(图5)和具有两个掺杂层的多层(图6)比较，增大多层中的掺杂层的数量进一步改善了体硅与表面的隔离，且也增强了几个表面谐振的定位(以粗线示出)。最低的能量表面谐振可被视为准束缚的。在图8中，基于在表面处的空穴的捕获来计算重空穴带的近表面空穴密度。空穴捕获显著地减小了 δ掺杂表面的空穴的密度、表面和对于δ掺杂表面的探测器之间的势垒，但是对由多层掺杂产生的空穴密度有相对较小的影响。曲线810表示单个δ掺杂层的计算数据，曲线820表示具有两个掺杂层的多层的计算数据，及曲线830表示具有4个掺杂层的多层的计算数据。图9是示出使用表面去活化的δ掺杂的图量子化的电子状态示出将表面与主体分离的减少的隧穿势垒；然而，不存在能够捕获热的载流子的表面限制状态。

图10是示出δ掺杂以及对空穴的表面捕获的图量子化的电子状态示出将表面与主体分离的较强的隧穿势垒；深表面阱产生了较小数目的能够捕获热的载流子的表面限制状态，但具有多得多的未限制状态。图11是示出使用表面去活化的两层多层的图。与δ掺杂表面(图9)比较，通过多层掺杂提供的增大的势垒高度导致体硅与表面的改善的隔离，并且也产生了几个表面谐振(以粗线示出)。图12是示出两层多层以及对空穴的表面捕获的图。与δ掺杂表面(图10)比较，两层多层提供了将表面与主体隔离的较强的隧穿势垒；然而，在这种情况下，多层掺杂的主要优势在于表面附近的空穴片密度增加了两个数量级。图13是示出由具有4个掺杂层的多层钝化的表面附近的电子状态的图。与δ掺杂表面(图9)和具有两个掺杂层的多层(图11)比较，增加多层中的掺杂层的数量进一步改善了体硅与表面的隔离，且也增强了几个表面谐振的定位(以粗线示出)。最低的能量表面谐振可被视为准束缚的。图14是不出具有两个掺杂层的多层以及对空穴的表面捕获的图与δ掺杂表面(图10)比较，具有4个掺杂层的多层提供了将表面与主体隔离的较强的隧穿势垒；然而，在这种情况下，多层掺杂的主要优势在于表面附近的空穴片密度增加了两个数量级。图15是示出δ掺杂鲁棒性相对于具有变化的去活化水平的掺杂剂去活化的图。该计算假设表面陷阱的密度为5X1012cm_2。图16是示出δ掺杂鲁棒性相对于表面电荷的图，其中有完全活化，但有变化的密度的表面陷阱。图17是示出具有两个掺杂层的多层的鲁棒性相对于具有变化的去活化水平的掺杂剂去活化的图。该计算假设表面陷阱的密度为5Χ 1012cnT2。
图18是示出具有两个掺杂层的多层的鲁棒性相对于表面电荷的图，其中有完全活化，但有变化的密度的表面陷阱。图19是示出具有4个掺杂层的多层的鲁棒性相对于具有变化的去活化水平的掺杂剂去活化的图。该计算假设表面陷阱的密度为5Χ 1012cnT2。图20是示出具有4个掺杂层的多层的鲁棒性相对于表面电荷的图，其中有完全活化，但有变化密度的表面陷阱。图21是示出根据本发明的原理的具有多层掺杂的晶片的横截面的示意性的没有按比例的图。详细描述现有技术的表面钝化技术化学吸附带电化学吸附钝化在其现代形式中从在JPL的早期努力发展来使用高功函数金属以在薄化的CCD的背表面上形成肖特基势垒。肖特基势垒由于跨过不相似的材料之间的界面的电荷转移而存在。支持使用钼来形成肖特基势垒的基本原理是钼的高功函数将在硅表面中产生正确极性的近表面电场，从而离开探测器电子器件的背表面并朝着前表面驱动光生电子(事实上，这是应用于用于成像探测器的所有的各种表面钝化技术的一般要求)。在JPL开发用于WF/PC II的传感器的过程中，发现负责使用Pt “溢料浇口(flash gate)”技术来提高探测器量子效率的表面带电机制不是在表面处形成肖特基势垒(如最初打算和预期的)，而相反涉及通过化学吸附过程在氧化表面上累积带负电的(V离子。因此，类似的带电机制构成早期的UV泛光工艺和Pt “溢料浇口”的基础；不幸的是，这些工艺都没能提供足够的稳定性，后续的改进和改良也没有成功解决表面钝化问题。该困难的关键部分在于氧化物。化学吸附的电荷的稳定性被发现关键取决于氧化物的质量和厚度。高质量的热氧化物的形成需要超过成像探测器的容限的温度，因此基于将表面暴露到中等温度的蒸汽而开发了低温“溢料氧化物”工艺。不幸的是，“溢料氧化物”工艺不能稳定器件，因为改变环境条件(尤其是关于暴露到氢气)可反转化学吸附的电荷的极性，对探测器量子效率和光谱响应有灾难性影响。作为这些局限的结果，Pt “溢料浇口”的开发被终止，并且没有使用在WF/P C II上悬挂的探测器中。在Arizona大学的后续的开发努力导致了化学吸附工艺的几项革新和改良，包括使用较厚、较高质量的氧化物层，转换到对通过氢气暴露引起的毒化不敏感的金属，及在金属层上涂覆热沉积的HfO2电介质层以稳定化学吸附的电荷而抵抗环境变化。化学吸附器件被用在基于地面和空间的天文台中。尽管有这些进步，通过化学吸附带电进行的表面钝化由于电介质层中的吸收而被限于可见光和近紫外波长，所述电介质层是保持和稳定化学吸附的电荷所需要的。化学吸附带电也由于离子化辐射遭受而不可逆的损坏。特别是，化学吸附对深紫外光的离子化效应不稳定，这被公知来释放H+离子和在半导体工业中在用作绝缘层的SiO2和其他电介质层中产生陷阱。最后，化学吸附产生了嵌入到绝缘层中的固定的电荷，且没有在娃中提供用于横向传输光生多数载流子的导电路径。对导电背表面的要求被发现在需要完全耗尽的成像器件的应用中比较重要，且可能在需要暴露到高强度光源例如深紫外激光器的应用中比较重要。离子注入和激光退火离子注入是在半导体工业中用于对器件应用选择性地掺杂半导体表面的标准工艺。该工艺基于将高能掺杂剂原子引导到半导体表面以将所需的剂量注入晶格中。注入的原子没有位于晶体的电活性晶格位置上，且注入过程产生了高密度的缺陷，其降低了半导体的质量。因此，注入需要高温热过程以退火掉许多晶体缺陷并通过允许一部分原子从空·隙位置移到晶格位置来电“激活”注入的原子。然而，“激活”所需要的温度与器件处理的热约束不兼容(注意，存在隔离的例外，其中耐熔的金属用在电子器件的前表面中以便实现离子注入层的高温熔炉退火；然而，耐熔的金属需要专门的工艺且对金属导电性施加了约束，所述约束与所有成像器件技术和应用不兼容)。因此，为了使离子注入适应成像探测器的要求和约束，几个工艺改进比较重要。首先，需要非常低的能量注入以便产生适于在UV范围内的探测的浅掺杂分布。其次，使用脉冲激光器注入非常浅的退火过程以仅加热近表面区域。再次，与用于掺杂晶体管和其他器件中的小区域的选择性过程相反，背照式成像探测器的离子注入需要过程被优化以在整个探测器表面上实现均匀的掺杂。这对激光退火尤其具有挑战性，这趋于在成像探测器中产生“砖墙”假象。离子注入提供了较高的掺杂浓度和对吸收掺杂剂分布的比对最初用在WF/PC探测器的最佳薄化过程中的扩散相关的分布更好的控制。然而，这只是相对优势，因为离子注入的物理过程和保持过程与成像探测器的兼容性的必要性仅提供了在设计形状、深度、峰值位置、振幅和掺杂剂分布的均匀性方面的有限的灵活性。这些约束又对使用离子注入来优化探测器性能尤其是与UV量子效率、缺陷相关的暗电流生成和用于提高空间分辨率的“深耗尽”相关的性能的能力施加了限制。特别是，离子注入不能产生陡峭的掺杂剂分布，而陡峭的掺杂剂分布对于表面钝化是极其重要的(如我们所看到的)。离子注入/退火过程不能产生陡峭的掺杂剂分布是扩展到成像探测器技术领域之外的限制。实现陡峭的掺杂剂分布是半导体工业在其制造具有较高密度的集成电路的不间断的努力中面临的主要挑战之一。产生较陡的离子注入掺杂剂分布的目标是半导体处理期刊中的大量文献的主题。限制之一在于在退火过程期间加宽注入掺杂剂分布。瞬间增强的扩散(TED)的现象指在注入掺杂剂分布的退火期间观察到的异常高的扩散率。所观察到的高扩展率与不可避免地由注入过程产生的缺陷相关。尽管有这些限制，离子注入成像器件当前被用在各种成像应用中，包括在空间中部署的科学成像探测器。当前最新的离子注入器件是宽场摄像机3 (WFC3)仪器的核心，该仪器最近取代了哈勃空间望远镜上的宽场/行星摄像机2仪器。然而，尽管在开发WF/PC2探测器以后的二十年中出现了显著的进步，但WFC3中的当前最新的离子注入器件仍然展示了量子效率滞后(QEH)，其在HST规范之外。基于这些器件的广泛特性，所观察的QEH看起来与硅中的电荷陷阱相关，电荷陷阱可能是用于背表面钝化的离子注入/退火过程中固有的后生现象。当前用于WFC3的临时解决方案是将器件周期性地暴露到强光，以便填充这些陷阱；将探测器保持在低操作温度充分稳定了捕获的电荷，以收集科学数据。δ 掺杂在针对WF/PC2的探测器开发在进行中的同时，JPL科学家开始开发基于高掺杂硅的外延生长的独特的表面钝化技术。而传统的晶体生长技术需要超过CCD的容限的温度，JPL在20世纪80年代在低温分子束外延工艺方面进行了开创性的工作，低温分子束外延工艺能够在C⑶兼容的温度(450° C以下)实现硅的外延生长。这些努力导致了在1992年δ掺杂CXD的开发和演示，其中低温MBE生长用于在完全起作用的薄化CXD上形成超薄的δ掺杂娃层。 δ掺杂过程的名称起源于相似于数学δ函数的掺杂剂分布。通过中断硅原子的流动，以单层的大约三分之一的密度(约2 X IO14掺杂剂原子/cm2)沉积掺杂剂原子，并通过使l-2nm硅“覆盖”层生长来封装掺杂剂原子，δ掺杂实现了异常陡峭的掺杂剂分布。因为掺杂剂在生长过程中被吸收，MBE生长层没有遭受在离子注入期间由晶格损坏产生的缺陷，它们也不需要高温退火过程，该过程将限制产生陡峭的掺杂剂分布的能力。在生长期间中断且然后重新开始硅流动的过程在仅有几个原子层厚的层中集中掺杂剂原子，该层可被精确地定位在表面的几个原子层内。该精度是陡峭的掺杂剂分布中的根本，且不能通过离子注入或任何其他传统的掺杂工艺(例如，离子注入和扩散)来实现。δ掺杂在整个远紫外和超紫外光谱范围实现了接近100%的内部量子效率，即使在存在氧气和水蒸气的情况下在室温下存储几年之后，也没有由于暴露到离子化辐射导致的明显的性能劣化，没有可测量的量子效率滞后且对环境条件明显不敏感。虽然S掺杂最初被演示为使用硼元素作为用于薄的η沟道CCD的表面钝化的掺杂剂材料，但后续的开发努力表明δ掺杂对于背照式光电二极管阵列、CMOS成像阵列、完全耗尽的P沟道CXD (需要使用锑作为掺杂剂材料的η型δ掺杂)及电子倍增CCD (其对于光子计数应用使用高增益输出寄存器)的表面钝化同样很好得起作用。使用均匀的掺杂剂分布的MBE掺杂MIT Lincoln实验室(MIT-LL)最近开发了表面钝化工艺，该工艺使用5nm厚的MBE-生长硅层并包含浓度为2 X 102°cnT3 (对应于I X IO14CnT2的片密度)的硼(B)的均匀分布。MIT-LL声称实现了接近100%的内部量子效率且没有可测量的滞后。由MIT-LL所进行的关于背照式CCD对超紫外辐射的暴露研究证明MBE-生长层比化学吸附带电或离子注入更抗辐射。MBE钝化器件的改善的抗辐射性归因于吸收到钝化层中的电荷的总量和表面上的氧化物层的相对厚度。引证了通过离子辐射，电子比注入到氧化物中的空穴的迁移率更大，该研究的作者声明对辐射的暴露在氧化物层中产生了正电荷，其补偿了表面钝化层中的掺杂剂。在该研究中比较的器件(其不包括δ掺杂器件)中，均匀的MBE生长钝化层包含最大的电荷密度(I X IO14CnT2)和最薄的氧化物(l-2nm)。与通过MIT-LL生长的均匀掺杂层相比，JPL的δ掺杂工艺实现了较高的电荷密度及较薄的MBE生长层，且本文描述的多层钝化层实现了甚至更高的电荷密度。在相关的研究中，MIT-LL的研究人员发现MBE生长层对过量的表面生成的暗电流负有责任。它们能够使用在氢气中的400° C退火减轻这个问题，该氢气钝化了自然氧化物中的表面状态，并由此减小了表面生成的暗电流。即使是结合了氢气钝化，所观察到的暗电流仍然在高于等同的前照式器件的数量级，指示背表面缺陷没有被完全钝化。JPL的δ掺杂工艺不需要氢气钝化来实现较低的暗电流。δ掺杂的局限性和对新技术的需要图I和图2根据计算出的近表面电场和电势比较δ掺杂与其他表面掺杂技术。通过扩散和离子注入产生的缓慢变化的掺杂剂分布产生了微弱的、缓慢变化的电场和电势，这提供了表面与主体的较差的隔离，且导致了响应中的不稳定性(如在来自哈勃空间望远镜的WFC3探测器性能数据中看到的)。在比较中，图示出δ掺杂产生了现有技术中的任何表面钝化技术的最强的电场和最高的能量势垒。这与表明钝化层S掺杂提供得多么有效的量子效率和稳定性测量结果一致。然而，近期的测量结果暗示移动空穴的表面密度比S掺杂层中的掺杂剂原子的表面密度低两个数量级。该差异比较明显，不仅对于器件性能的 结果，而且对于其暗示改进的表面钝化技术是必要的。如下文所述的，本发明的技术解决 了这个需要。 图I是示出计算出的电场的图，其将δ掺杂表面与现有技术中的其他表面掺杂方法相比较。图2是示出计算出的电势的图，其将δ掺杂表面与现有技术中的其他表面掺杂方法相比较。现有技术中的最新水平的钝化技术这两幅图提供了将δ掺杂与现有技术中的其他表面掺杂技术相比较而做出的计算结果。图中示出S掺杂产生了任何现有技术的最强的电场和最高的能量势垒。实现此的关键是通过MBE产生陡峭的掺杂剂分布。虽然通过这些模型说明的原理是正确的，但近期的结果表明化学和/或物理机制的存在，这些机制使实际的S掺杂表面的行为与模型偏离。通过量子排斥进行的表面钝化多层掺杂介绍和一般描述表面钝化技术的各种方法在日期上先于特别为背照式探测器(及太阳能电池，其具有与探测器非常类似的要求)开发的技术的技术中是公知的。这些公知的技术包括热氧化层的生长、在氢气中的退火、及高性能的绝缘物(例如，作为半导体技术中的大量文献的主题的高k氧化物)的生长或沉积。这些技术的目的在于消除或减轻电活性缺陷的影响，与使表面带电以产生有利的电场和电势相反。除了 S掺杂以外，在前面章节中描述的所有表面带电方法也依赖于这样的方法一尤其是氢气钝化一以帮助提高表面钝化的稳定性和效率。对低缺陷密度的这个依赖提出了稳定性的问题，因为离子化辐射一包括暴露到高能光子(例如，深紫外光、远紫外光和超紫外光，所有这些在技术和科学上都很重要)。本发明的技术的优势之一是稳定性的提高，而不考虑表面缺陷。稳定性是一项重要的性能量度，因为表面和界面的带电和放电可能毁坏器件。如通过哈勃空间望远镜的探测器发展的历史示出的，背照式光学探测器需要表面钝化以便实现高的量子效率、低的暗电流和稳定的响应。钝化需要产生足够薄以对所有探测的波长都透明的钝化层的工艺。为了达到最佳的效率，钝化层必须在探测器表面附近的硅中产生强电场以便阻止少数载流子在表面处重组或被捕获。为了抑制表面生成的暗电流，钝化工艺必须消除表面状态或禁止热生成的电荷从表面注入到体硅中。为了减轻量子效率滞后，由钝化层产生的场必须是稳定的，抵抗可由表面处的电子和空穴的捕获和释放引起的表面电势的扰动。也通过鲁棒性、或减小或延迟探测器在恶劣环境下的性能的降低的能力(例如，减轻或阻止对探测器性能的永久性变化，其可伴随由于污染物和/或离子化辐射引起的对表面的化学或物理损坏)来区分表面钝化技术。来自哈勃空间望远镜上的宽场摄像机3仪器的近期数据及对DUV、FUV和EUV探测器的改善的寿命的需要表明需要具有提高的稳定性和鲁棒性的表面钝化技术。本发明的技术通过使用多层掺杂在薄的钝化层中实现掺杂剂的异常高的密度来实现了与现有技术相比提高的稳定性和鲁棒性，因此将探测器与表面隔离而不考虑表面缺陷的密度。本发明的技术的设计和实现需要对半导体组成的纳米级控制。在这个长度标度上，电子和空穴与表面的相互作用通过量子力学控制，且表面与主体的隔离通过电子和空穴的量子行为的控制来实现——因此术语为“通过量子排斥进行的表面钝化”。与现有技术相比，多层掺杂技术在以下方面提高了固态探测器的性能 它提供了隧穿势垒，该隧穿势垒抑制少数载流子的生成并抑制少数载流子从表面传输到主体(由此通过减小对表面状态的敏感度来提高稳定性并提高信噪比性能)。它提供了隧穿势垒，该隧穿势垒抑制低能(“热(thermal)”)少数载流子从体硅传输到表面，并减小了这样的载流子与表面处的陷阱相互作用的概率(实现高量子效率并提高了稳定性)。它最小化高能(“热(hot)”)少数载流子在表面处或在钝化层内被捕获或重组的概率，且(相反地)促进了这样的载流子远离表面传输并进入体硅中(实现高量子效率并提高了稳定性和鲁棒性)。它提供了高的表面导电性以便便于过量多数载流子的横向传输，因此减轻多数载流子的局部累积并帮助在所有照明条件下将探测器表面保持在恒定电势(通过减轻表面状态的动态带电提高了稳定性)。它隔离体硅中的场和电势，从而免受表面电势的暂时或永久性变化的影响，因此减轻了由对表面和氧化物/抗反射涂层的化学和物理变化导致的对探测器性能的任何影响(例如，由于辐射损坏、热载流子注入、或环境的其他损坏性效应)。使用多层掺杂通过量子排斥来实现表面钝化的原理、方法和结构在下文被描述。多层掺杂在表面和硅探测器之间插入了薄晶体，该薄晶体对高能(“热(hot)”)载流子透明且对低能(热(thermal))载流子不透明。实际上，多层掺杂产生了与物理表面隔离且独立于物理表面的电子表面。层本身根据量子力学的原理被设计成将表面状态/缺陷与探测器(半导体“主体”)中的少数载流子状态隔离和去耦，同时减小热载流子将在层内或表面处被俘获的概率。如上所述，由于对阻止环境条件(对表面涂层的化学或物理变化、吸附或化学吸附的分子及外部场)影响成像探测器的性能(尤其是敏感度、稳定性和噪声)的要求，电子表面和物理表面的量子力学去耦(量子排斥)在成像探测器中极其重要。虽然本发明的背景是成像探测器领域，但实质上所有的半导体器件都受到表面和界面中的缺陷的影响。规定通过量子排斥进行表面钝化的概念在方法和应用中更通用；产生钝化所要求的需要的近表面电势的其他方法可以基于这些概念来发展；且通过量子排斥进行的钝化可在除了上述的太阳能电池、光电探测器和背照式固态成像器件的实例以外的较大类别的半导体器件和应用中得到有用的应用。虽然优选实现是使用掺杂硅层的MBE生长来进行硅表面的钝化，但进一步规定各种工程材料可被设计和制造成在各种材料系统中通过量子排斥实现表面钝化，所述各种材料系统包括硅、含有硅锗的合金和各种III-V和II-VI半导体材料，所有这些材料都能使用分子束外延方法以纳米级精度来生长和掺杂。其他材料系统和制造技术(例如有机半导体)也可服从本文应用的方法和概念。这里提出的思想和方法可被一般化以囊括更多的器件结构和技术。外延生长技术与通过量子排斥进行表面钝化的理论和概念可容易扩展到更复杂的结构和功能，尤其是关于二维和三维图案化结构。以接近原子级精度制造半导体掺杂剂分布的能力实现量子力学状态的操纵及电子和空穴的量子传输。这些技术因此可应用在许多可想象到的器件结构的设计、修改和开发中，寻求现有器件的最佳性能或减小的尺寸(例如用作集成电路的构造块的晶体管)或开发对于实际实现需要改善的表面的新器件和结构。本公开的其余内容集中于硅的多层钝化，其是通过量子排斥进行表面钝化的示出·了本发明技术的原理、方法和优势的一个具体实例。如JPL所教导的δ掺杂的本质为了介绍硅的多层钝化并提供与现有技术比较的基础，我们开始描述如JPL所教导的通过S掺杂进行的表面钝化的本质及对该技术近期发现的问题。如应用于光学探测器的，δ掺杂的基本原理是用超薄ρ+层替代前照式探测器的厚的ρ+衬底，所述超薄ρ+层(本质上)再产生通过原始衬底/外延层界面的P+P结形成的电场和势垒。因为超薄δ掺杂层是基本上透明的(在一定意义上)，背照式δ掺杂探测器在硅可达到的整个电磁频谱(从软X射线到近红外)上表现出极其高的量子效率。背照明问题的本质在于表面钝化和稳定性的问题；特别是，对钝化表面的化学和物理变化不影响探测器性能是必须的。如上文所述的，JPL的δ掺杂技术是任何现有技术中最好的表面钝化技术。JPL的专利和公开物教导δ掺杂层应位于离Si-SiO2界面约l-2nm处以便实现背照式硅探测器的最好性能。即使由JPL教导的δ掺杂层仅有2. 5nm厚(等于硅晶体中的约10个原子单层)，在JPL的δ掺杂层中的掺杂剂原子的片密度是近似2X1014cm_2。这么高的掺杂剂密度将产生高度导电的表面，因为掺杂剂的片密度比通常出现在硅的自然氧化层中的表面电荷密度几乎大两个数量级。δ掺杂表面中的空穴的低片密度在JPL的δ掺杂表面的表面片密度的近期测量结果(导电性的测量)表明近表面δ掺杂层表现出比预期的低两个数量级的片密度，而深δ掺杂层的片密度在预期的范围内(见表I)。表面分布通过次级离子质谱(SMS)指示δ掺杂表面含有接近设计值2Χ IO14CnT2的掺杂剂原子的片密度。这由于至少两个原因而提出问题首先，因为导电性是衬底的基本功能，其应该由表面钝化层再产生；以及其次，低的表面导电性指示δ掺杂比先前认为的鲁棒性要差。S掺杂表面的低片密度因此展示对改进的表面钝化技术的需要并提供了用于评估本发明的技术的基础。表I提供了 δ掺杂表面与多层掺杂表面的基于片数量(表面导电性的测量)的比较。这代表了来自超高纯度硅衬底上的MBE生长层的数据，以便确保导电性测量结果准确地反映通过在表面钝化层中掺杂产生的移动电荷。
表I
权利要求
1.一种娃器件，包括 硅晶片，其以第一表面和与所述第一表面相对的第二表面为界，所述硅晶片具有在所述第一表面和所述第二表面中的一个上制造的器件； 所述硅晶片具有位于与所述第一表面和所述第二表面中的至少一个相邻的掺杂分布，所述掺杂分布具有数量为M的多个掺杂层；所述数量为M的多个掺杂层中的每个具有小于10埃的厚度和至少IO14CnT2的掺杂剂片密度，其中M为大于I的整数；所述数量为M的多个掺杂层由M-I个交错的硅层彼此间隔开，所述M-I个交错的硅层中的至少一个具有在10埃到30埃的范围内的厚度； 所述硅晶片的所述第一表面和所述第二表面中的至少一个被电子地钝化，而不考虑存在于所述第一表面和所述第二表面中的所述相应的一个上的缺陷的密度。
2.如权利要求I所述的硅器件，其中M至少为3，且所述数量为M的多个掺杂层被M-I个交错的硅层隔开，所述M-I个交错的硅层中的至少两个具有实质上相等的厚度。
3.如权利要求I所述的硅器件，其中M至少为3，且所述数量为M的多个掺杂层被M-I个交错的硅层隔开，所述M-I个交错的硅层中的至少两个具有不相等的厚度。
4.如权利要求I所述的硅器件，其中所述M-I个交错的硅层中的至少一个具有小于IO13CnT2的掺杂剂片密度。
5.如权利要求I所述的硅器件，其中每纳米至少十进倍的掺杂剂梯度存在于所述数量为M的掺杂层中的一个掺杂层和所述M-I个交错的硅层中的相邻的一个硅层之间。
6.—种娃器件,包括 硅晶片，其以第一表面和与所述第一表面相对的第二表面为界，所述硅晶片具有在所述第一表面和所述第二表面中的一个上制造的器件； 所述硅晶片具有位于与所述第一表面和所述第二表面中的至少一个相邻的掺杂分布，所述掺杂分布具有数量为M的多个掺杂层；所述数量为M的多个掺杂层中的每个具有小于40埃的厚度、至少IO14CnT2的掺杂剂片密度和每纳米至少十进倍的掺杂剂梯度，其中M为大于I的整数； 所述硅晶片的所述第一表面和所述第二表面中的至少一个被电子地钝化，而不考虑存在于所述第一表面和所述第二表面中的所述相应的一个上的缺陷的密度。
全文摘要
半导体器件具有多层掺杂以通过量子排斥提供改善的钝化。多层掺杂包括数量为M的多个掺杂层，其中M是大于1的整数。M个掺杂层中的掺杂剂片密度不需要相同，但在原理上可被选取为具有相同的片密度或不同的片密度。设置在M个掺杂层之间的M-1个交错层没有被特意掺杂(也称为“未掺杂层”)。具有M=2、M=3和M=4的结构已被展示并表现出改善的钝化。
文档编号H01L27/144GK102939654SQ201180029702
公开日2013年2月20日 申请日期2011年6月15日 优先权日2010年6月15日
发明者迈克尔·E·霍恩克 申请人:加州理工学院