專(zhuān)利名稱(chēng)：使用多層通過(guò)量子排斥進(jìn)行的表面鈍化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件，且具體地涉及對(duì)操作依賴(lài)于表面鈍化的硅器件。
背景技術(shù)：
問(wèn)題陳述 背照式成像探測(cè)器的表面鈍化、量子效率及穩(wěn)定性長(zhǎng)期以來(lái)已知表面和界面對(duì)實(shí)質(zhì)上所有的固態(tài)器件尤其是成像器件的性能至關(guān)重要。表面鈍化技術(shù)對(duì)晶體管的發(fā)明和用于平面集成電路(其發(fā)起了半導(dǎo)體革命)的可靠工藝的發(fā)展至關(guān)重要。固態(tài)成像器件中的革命由于電荷耦合器件(CXD)的發(fā)明而始于1969年。表面和界面從一開(kāi)始就提出了問(wèn)題，且CCD設(shè)計(jì)中的許多后期的改進(jìn)目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的前表面附近的界面的質(zhì)量的控制。德克薩斯儀器公司早在1974年就演示了第一代背照式CXD。NASA很快認(rèn)識(shí)到用于空間中的天體成像的固態(tài)成像器件的潛力，并開(kāi)始開(kāi)發(fā)用于空間儀器(包括哈勃空間望遠(yuǎn)鏡)的CCD和攝像機(jī)。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)在該開(kāi)發(fā)中起了關(guān)鍵性作用。JPL負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)寬場(chǎng)/行星攝像機(jī)(WF/PC)——哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)的一個(gè)重要儀器，其隨后將產(chǎn)生與NASA和HST相關(guān)的標(biāo)志性圖像。對(duì)WF/PC探測(cè)器的最重要的科學(xué)要求之一是以?xún)?yōu)于1%的光度測(cè)定穩(wěn)定性在寬光譜范圍上實(shí)現(xiàn)高量子效率(QE)。特別是，要求HST探測(cè)器探測(cè)下至原子氫的Lyman- α線的UV光，其位于光譜的遠(yuǎn)紫外區(qū)中，波長(zhǎng)為121. 6nm。如WF/PC II的歷史所證實(shí)的，在量子效率和穩(wěn)定性之間，穩(wěn)定性是較重要的探測(cè)器性能規(guī)范。為了滿(mǎn)足這些要求，背照明被認(rèn)為是必要的，因?yàn)樵贑⑶的前表面門(mén)電子器件中的吸收使得傳統(tǒng)的前照式CCD在紫外區(qū)中實(shí)質(zhì)上是看不見(jiàn)的。不幸的是，背照明導(dǎo)致了響應(yīng)中的不穩(wěn)定性，因?yàn)閷?duì)于暴露探測(cè)器的感光體積所必要的襯底去除工藝被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了CCD的不穩(wěn)定的背表面。由于表面中的未鈍化缺陷的低摻雜水平和高密度，環(huán)境中的變化影響薄化的探測(cè)器的響應(yīng)。特別是，對(duì)光生電荷的高效收集至關(guān)重要的在Si-SiO2界面處的背表面電勢(shì)取決于器件的物理環(huán)境和照明史。早期的控制背表面電勢(shì)的努力基于優(yōu)化薄化工藝以在CCD的背表面上留下薄的P+層。該方法被證實(shí)不足夠，因?yàn)楸』牟畹木鶆蛐浴⒌偷谋砻鎿诫s密度和對(duì)摻雜劑分布的控制的缺乏對(duì)實(shí)現(xiàn)所需的穩(wěn)定性呈現(xiàn)了不可逾越的障礙。當(dāng)WF/PC儀器公司在最初計(jì)劃的1984年12月推出日期前經(jīng)受熱真空測(cè)試時(shí)，這個(gè)問(wèn)題到了緊要關(guān)頭。WF/PC探測(cè)器在比由HST的科學(xué)要求設(shè)置的1%穩(wěn)定性規(guī)范差的數(shù)量級(jí)上展現(xiàn)了量子效率滯后(QEH)。為了更好地為HST和未來(lái)儀器解決這個(gè)問(wèn)題，JPL開(kāi)始了協(xié)定的努力來(lái)解決背表面鈍化問(wèn)題，其將囊括UV-泛光(flood)工藝的開(kāi)發(fā)、用作肖特基勢(shì)壘的高功函數(shù)金屬的沉積及偏置的背表面接觸的使用。雖然這些方法中沒(méi)有一種及時(shí)地成功用于WF/PC (在1990年推出)和WF/PC II (在1992年推出)，但這些技術(shù)發(fā)展為化學(xué)吸附鈍化(Lesser等人)和跟隨有激光退火的淺離子注入的現(xiàn)代最新技術(shù)。然而，甚至在現(xiàn)代具體形式中，最新的表面鈍化技術(shù)也未能解決由20世紀(jì)80年代的HST探測(cè)器發(fā)展引起的所有問(wèn)題。下面給出一些現(xiàn)有技術(shù)方法的討論。特別是，現(xiàn)有技術(shù)中已知的鈍化硅器件中的表面的最好方法之一被稱(chēng)為δ摻雜。
現(xiàn)有技術(shù)中已知的是Hoenk等人的于1994年12月27日公布的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5，376，810，其被認(rèn)為公開(kāi)了背側(cè)照明的CCD的背側(cè)表面電勢(shì)阱，通過(guò)使用分子束外延(MEB)來(lái)在背表面上使δ摻雜硅層生長(zhǎng)，該背側(cè)表面電勢(shì)阱被限制在該表面的半納米內(nèi)。MBE工藝中的δ摻雜通過(guò)在MBE生長(zhǎng)期間暫時(shí)中斷蒸發(fā)的硅源而不中斷蒸發(fā)的P+摻雜劑源(例如，硼)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這產(chǎn)生了非常尖的摻雜劑分布(其中摻雜劑被限制到僅幾個(gè)原子層)，產(chǎn)生了足夠高以將背側(cè)表面電勢(shì)阱限制在表面的半納米內(nèi)的電場(chǎng)。由于UV生成的電子被這樣的窄電勢(shì)阱捕獲的概率較小，在整個(gè)UV波長(zhǎng)范圍，CCD的內(nèi)部量子效率接近100%。此夕卜，量子效率非常穩(wěn)定?，F(xiàn)有技術(shù)中也已知Cunningham等人的于2000年8月22日公布的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，107，619及Cunningham等人的于2002年2月12日公布的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，346，700，這兩件專(zhuān)利被認(rèn)為都公開(kāi)了 S摻雜混合先進(jìn)探測(cè)器(HAD)，該探測(cè)器組合了至少4種技術(shù)以產(chǎn)生用于能量在幾百電子伏(eV)到超過(guò)幾百萬(wàn)電子伏的范圍的高能粒子的探測(cè)器。該探測(cè)器對(duì)從可見(jiàn)光到X射線的光子敏感。該探測(cè)器對(duì)從大約IOkeV —直到幾百eV的能量高度敏感。該探測(cè)器以毫瓦功率耗散操作，且允許陣列的非順序讀出，實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的讀出方案?，F(xiàn)有技術(shù)中也已知Nikzad等人的于2010年8月31日公布的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，786，421，其被認(rèn)為公開(kāi)了用于從標(biāo)準(zhǔn)和高純度器件(其可匹配到給定的光學(xué)系統(tǒng))產(chǎn)生固態(tài)彎曲焦平面陣列的系統(tǒng)和方法。有兩種方式來(lái)產(chǎn)生以完全地制造的器件開(kāi)始的彎曲焦平面陣列。一種方式是薄化器件并使其符合曲率。第二種方式是背照射厚器件而無(wú)需制造薄化的膜。厚器件是一種特殊類(lèi)別的器件；例如，使用高純度硅制造的器件。器件的一個(gè)表面(非VLSI制造的表面，也稱(chēng)為背表面)可被拋光以形成曲面?，F(xiàn)有技術(shù)中也已知Blacksberg等人的于2010年9月21日公布的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，800，040，其被認(rèn)為公開(kāi)了用于在成像探測(cè)器上生長(zhǎng)與背照明結(jié)合來(lái)使用的背表面接觸部的方法。在操作中，提供了成像探測(cè)器。此外，利用在低于450攝氏度的溫度下執(zhí)行的工藝在成像探測(cè)器上生長(zhǎng)背表面接觸部(例如，δ摻雜層等)。需要提供半導(dǎo)體器件的改進(jìn)的鈍化的系統(tǒng)和方法。發(fā)明概述根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于娃器件，其包括以第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面為界的硅晶片，所述硅晶片具有在所述第一表面和所述第二表面中的一個(gè)上制造的器件；所述硅晶片具有位于與所述第一表面和所述第二表面中的至少一個(gè)相鄰的摻雜分布，所述摻雜分布具有數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層；所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層中的每個(gè)具有小于10埃的厚度和至少I(mǎi)O14CnT2的摻雜劑片密度，其中M為大于I的整數(shù)；所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層由M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層彼此間隔開(kāi)，所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的至少一個(gè)具有在10埃到30埃的范圍內(nèi)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個(gè)被電子地鈍化，而不考慮存在于所述第一表面和所述第二表面中的相應(yīng)的一個(gè)上的缺陷的密度。在一個(gè)實(shí)施方式中，M至少為3，且所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層被M-I個(gè)交錯(cuò)的硅 層隔開(kāi)，所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的至少兩個(gè)具有實(shí)質(zhì)上相等的厚度。在另一個(gè)實(shí)施方式中，M至少為3，且所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層被M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層隔開(kāi)，所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的至少兩個(gè)具有不相等的厚度。在又一個(gè)實(shí)施方式中，所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的至少一個(gè)具有小于IO13CnT2的摻雜劑片密度。在又一個(gè)實(shí)施方式中，每納米至少十進(jìn)倍的摻雜梯度存在于所述數(shù)量為M的摻雜層中的一個(gè)和所述M-1個(gè)交錯(cuò)的硅層中的相鄰的一個(gè)之間。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及硅器件，其包括以第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面為界的硅晶片，所述硅晶片具有在所述第一表面和所述第二表面中的一個(gè)上制造的器件；所述硅晶片具有位于與所述第一表面和所述第二表面中的至少一個(gè)相鄰的摻雜分布，所述摻雜分布具有數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層；所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層中的每個(gè)具有小于40埃的厚度、至少I(mǎi)O14CnT2的摻雜劑片密度和每納米至少十進(jìn)倍的摻雜梯度，其中M為大于I的整數(shù)；所述硅晶片的所述第一表面和所述第二表面中的至少一個(gè)被電子地鈍化，而不考慮存在于所述第一表面和所述第二表面中的相應(yīng)的一個(gè)上的缺陷的密度。從以下的描述和從權(quán)利要求中，本發(fā)明的前述和其他目的、方面、特征和優(yōu)勢(shì)將變得明顯。附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明參考以下描述的附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的目的和特征將被更好地理解。附圖不一定是按比例的，相反，重點(diǎn)通常放在說(shuō)明本發(fā)明的原理上。在附圖中，相似的數(shù)字用于在各個(gè)圖中始終指示相似的部分。圖I是示出計(jì)算出的電場(chǎng)的圖，其將δ摻雜表面與現(xiàn)有技術(shù)中的其他表面摻雜方法相比較。圖2是示出計(jì)算出的電勢(shì)的圖，其將δ摻雜表面與現(xiàn)有技術(shù)中的其他表面摻雜方法相比較。圖3是不出近表面電場(chǎng)的圖。圖中不出的所有MBE層包含表面偶極子區(qū)和娃主體區(qū)，其中，電場(chǎng)非常高。多層(也稱(chēng)為“多個(gè)層”)摻雜在表面中產(chǎn)生了第三區(qū)，其在δ摻雜表面中不存在。在該區(qū)中，電場(chǎng)也非常高，但平均電場(chǎng)相對(duì)低。曲線310表示單個(gè)δ摻雜層的計(jì)算數(shù)據(jù)，曲線320表示具有兩個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)，及曲線330表示具有4個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)。圖4是示出比較δ摻雜與多層摻雜的電勢(shì)的圖。表面偶極子和硅主體電勢(shì)在δ摻雜表面和多層摻雜表面中非常類(lèi)似。多層摻雜產(chǎn)生了將表面與主體區(qū)隔開(kāi)的較寬的勢(shì)壘，這產(chǎn)生了表面與主體的較大的隔離并極大地增加了表面導(dǎo)電性。曲線410表示單個(gè)δ摻雜層的計(jì)算數(shù)據(jù)，曲線420表示具有兩個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)，及曲線430表示具有4個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)。圖5是示出通過(guò)δ摻雜被鈍化的表面附近的電子狀態(tài)的圖。該圖示出為L(zhǎng)、X和Y導(dǎo)帶計(jì)算的量子化的電子狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)由作為深度的函數(shù)的概率密度表示，被移動(dòng)和縮放，使得豎直位置反映狀態(tài)的能量。也畫(huà)出了縱向L帶的導(dǎo)帶邊緣用于比較。曲線510表示單個(gè)δ摻雜層的計(jì)算數(shù)據(jù)，曲線520表示具有兩個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)，及曲線530表示具有4個(gè) 摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)。圖6是示出通過(guò)具有兩個(gè)摻雜層的多層被鈍化的表面附近的電子狀態(tài)的圖。與δ摻雜表面(圖5)比較，通過(guò)多層摻雜提供的增大的勢(shì)壘高度導(dǎo)致體硅與表面的改善的隔離，并也產(chǎn)生了幾個(gè)表面諧振(以粗線示出)。這些是在Si-SiO2界面附近具有局部增強(qiáng)的概率密度的電子狀態(tài)。曲線610表示單個(gè)δ摻雜層的計(jì)算數(shù)據(jù)，曲線620表示具有兩個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)，及曲線630表示具有4個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)。圖7是示出通過(guò)δ摻雜和多層摻雜被鈍化的表面附近的空穴密度的圖。與表面導(dǎo)電性測(cè)量結(jié)果一致，多層摻雜急劇地增大了表面附近的多數(shù)載流子的密度。曲線710表示單個(gè)δ摻雜層的計(jì)算數(shù)據(jù)，曲線720表示具有兩個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)，及曲線730表示具有4個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)。圖8是示出由具有4個(gè)摻雜層的多層來(lái)鈍化的表面附近的電子狀態(tài)的圖。與δ摻雜表面(圖5)和具有兩個(gè)摻雜層的多層(圖6)比較，增大多層中的摻雜層的數(shù)量進(jìn)一步改善了體硅與表面的隔離，且也增強(qiáng)了幾個(gè)表面諧振的定位(以粗線示出)。最低的能量表面諧振可被視為準(zhǔn)束縛的。在圖8中，基于在表面處的空穴的捕獲來(lái)計(jì)算重空穴帶的近表面空穴密度?？昭ú东@顯著地減小了 δ摻雜表面的空穴的密度、表面和對(duì)于δ摻雜表面的探測(cè)器之間的勢(shì)壘，但是對(duì)由多層摻雜產(chǎn)生的空穴密度有相對(duì)較小的影響。曲線810表示單個(gè)δ摻雜層的計(jì)算數(shù)據(jù)，曲線820表示具有兩個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)，及曲線830表示具有4個(gè)摻雜層的多層的計(jì)算數(shù)據(jù)。圖9是示出使用表面去活化的δ摻雜的圖量子化的電子狀態(tài)示出將表面與主體分離的減少的隧穿勢(shì)壘；然而，不存在能夠捕獲熱的載流子的表面限制狀態(tài)。

圖10是示出δ摻雜以及對(duì)空穴的表面捕獲的圖量子化的電子狀態(tài)示出將表面與主體分離的較強(qiáng)的隧穿勢(shì)壘；深表面阱產(chǎn)生了較小數(shù)目的能夠捕獲熱的載流子的表面限制狀態(tài)，但具有多得多的未限制狀態(tài)。圖11是示出使用表面去活化的兩層多層的圖。與δ摻雜表面(圖9)比較，通過(guò)多層摻雜提供的增大的勢(shì)壘高度導(dǎo)致體硅與表面的改善的隔離，并且也產(chǎn)生了幾個(gè)表面諧振(以粗線示出)。圖12是示出兩層多層以及對(duì)空穴的表面捕獲的圖。與δ摻雜表面(圖10)比較，兩層多層提供了將表面與主體隔離的較強(qiáng)的隧穿勢(shì)壘；然而，在這種情況下，多層摻雜的主要優(yōu)勢(shì)在于表面附近的空穴片密度增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。圖13是示出由具有4個(gè)摻雜層的多層鈍化的表面附近的電子狀態(tài)的圖。與δ摻雜表面(圖9)和具有兩個(gè)摻雜層的多層(圖11)比較，增加多層中的摻雜層的數(shù)量進(jìn)一步改善了體硅與表面的隔離，且也增強(qiáng)了幾個(gè)表面諧振的定位(以粗線示出)。最低的能量表面諧振可被視為準(zhǔn)束縛的。圖14是不出具有兩個(gè)摻雜層的多層以及對(duì)空穴的表面捕獲的圖與δ摻雜表面(圖10)比較，具有4個(gè)摻雜層的多層提供了將表面與主體隔離的較強(qiáng)的隧穿勢(shì)壘；然而，在這種情況下，多層摻雜的主要優(yōu)勢(shì)在于表面附近的空穴片密度增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。圖15是示出δ摻雜魯棒性相對(duì)于具有變化的去活化水平的摻雜劑去活化的圖。該計(jì)算假設(shè)表面陷阱的密度為5X1012cm_2。圖16是示出δ摻雜魯棒性相對(duì)于表面電荷的圖，其中有完全活化，但有變化的密度的表面陷阱。圖17是示出具有兩個(gè)摻雜層的多層的魯棒性相對(duì)于具有變化的去活化水平的摻雜劑去活化的圖。該計(jì)算假設(shè)表面陷阱的密度為5Χ 1012cnT2。
圖18是示出具有兩個(gè)摻雜層的多層的魯棒性相對(duì)于表面電荷的圖，其中有完全活化，但有變化的密度的表面陷阱。圖19是示出具有4個(gè)摻雜層的多層的魯棒性相對(duì)于具有變化的去活化水平的摻雜劑去活化的圖。該計(jì)算假設(shè)表面陷阱的密度為5Χ 1012cnT2。圖20是示出具有4個(gè)摻雜層的多層的魯棒性相對(duì)于表面電荷的圖，其中有完全活化，但有變化密度的表面陷阱。圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的原理的具有多層摻雜的晶片的橫截面的示意性的沒(méi)有按比例的圖。詳細(xì)描述現(xiàn)有技術(shù)的表面鈍化技術(shù)化學(xué)吸附帶電化學(xué)吸附鈍化在其現(xiàn)代形式中從在JPL的早期努力發(fā)展來(lái)使用高功函數(shù)金屬以在薄化的CCD的背表面上形成肖特基勢(shì)壘。肖特基勢(shì)壘由于跨過(guò)不相似的材料之間的界面的電荷轉(zhuǎn)移而存在。支持使用鉬來(lái)形成肖特基勢(shì)壘的基本原理是鉬的高功函數(shù)將在硅表面中產(chǎn)生正確極性的近表面電場(chǎng)，從而離開(kāi)探測(cè)器電子器件的背表面并朝著前表面驅(qū)動(dòng)光生電子(事實(shí)上，這是應(yīng)用于用于成像探測(cè)器的所有的各種表面鈍化技術(shù)的一般要求)。在JPL開(kāi)發(fā)用于WF/PC II的傳感器的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)使用Pt “溢料澆口(flash gate)”技術(shù)來(lái)提高探測(cè)器量子效率的表面帶電機(jī)制不是在表面處形成肖特基勢(shì)壘(如最初打算和預(yù)期的)，而相反涉及通過(guò)化學(xué)吸附過(guò)程在氧化表面上累積帶負(fù)電的(V離子。因此，類(lèi)似的帶電機(jī)制構(gòu)成早期的UV泛光工藝和Pt “溢料澆口”的基礎(chǔ)；不幸的是，這些工藝都沒(méi)能提供足夠的穩(wěn)定性，后續(xù)的改進(jìn)和改良也沒(méi)有成功解決表面鈍化問(wèn)題。該困難的關(guān)鍵部分在于氧化物。化學(xué)吸附的電荷的穩(wěn)定性被發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵取決于氧化物的質(zhì)量和厚度。高質(zhì)量的熱氧化物的形成需要超過(guò)成像探測(cè)器的容限的溫度，因此基于將表面暴露到中等溫度的蒸汽而開(kāi)發(fā)了低溫“溢料氧化物”工藝。不幸的是，“溢料氧化物”工藝不能穩(wěn)定器件，因?yàn)楦淖儹h(huán)境條件(尤其是關(guān)于暴露到氫氣)可反轉(zhuǎn)化學(xué)吸附的電荷的極性，對(duì)探測(cè)器量子效率和光譜響應(yīng)有災(zāi)難性影響。作為這些局限的結(jié)果，Pt “溢料澆口”的開(kāi)發(fā)被終止，并且沒(méi)有使用在WF/P C II上懸掛的探測(cè)器中。在Arizona大學(xué)的后續(xù)的開(kāi)發(fā)努力導(dǎo)致了化學(xué)吸附工藝的幾項(xiàng)革新和改良，包括使用較厚、較高質(zhì)量的氧化物層，轉(zhuǎn)換到對(duì)通過(guò)氫氣暴露引起的毒化不敏感的金屬，及在金屬層上涂覆熱沉積的HfO2電介質(zhì)層以穩(wěn)定化學(xué)吸附的電荷而抵抗環(huán)境變化?；瘜W(xué)吸附器件被用在基于地面和空間的天文臺(tái)中。盡管有這些進(jìn)步，通過(guò)化學(xué)吸附帶電進(jìn)行的表面鈍化由于電介質(zhì)層中的吸收而被限于可見(jiàn)光和近紫外波長(zhǎng)，所述電介質(zhì)層是保持和穩(wěn)定化學(xué)吸附的電荷所需要的?；瘜W(xué)吸附帶電也由于離子化輻射遭受而不可逆的損壞。特別是，化學(xué)吸附對(duì)深紫外光的離子化效應(yīng)不穩(wěn)定，這被公知來(lái)釋放H+離子和在半導(dǎo)體工業(yè)中在用作絕緣層的SiO2和其他電介質(zhì)層中產(chǎn)生陷阱。最后，化學(xué)吸附產(chǎn)生了嵌入到絕緣層中的固定的電荷，且沒(méi)有在娃中提供用于橫向傳輸光生多數(shù)載流子的導(dǎo)電路徑。對(duì)導(dǎo)電背表面的要求被發(fā)現(xiàn)在需要完全耗盡的成像器件的應(yīng)用中比較重要，且可能在需要暴露到高強(qiáng)度光源例如深紫外激光器的應(yīng)用中比較重要。離子注入和激光退火離子注入是在半導(dǎo)體工業(yè)中用于對(duì)器件應(yīng)用選擇性地?fù)诫s半導(dǎo)體表面的標(biāo)準(zhǔn)工藝。該工藝基于將高能摻雜劑原子引導(dǎo)到半導(dǎo)體表面以將所需的劑量注入晶格中。注入的原子沒(méi)有位于晶體的電活性晶格位置上，且注入過(guò)程產(chǎn)生了高密度的缺陷，其降低了半導(dǎo)體的質(zhì)量。因此，注入需要高溫?zé)徇^(guò)程以退火掉許多晶體缺陷并通過(guò)允許一部分原子從空·隙位置移到晶格位置來(lái)電“激活”注入的原子。然而，“激活”所需要的溫度與器件處理的熱約束不兼容(注意，存在隔離的例外，其中耐熔的金屬用在電子器件的前表面中以便實(shí)現(xiàn)離子注入層的高溫熔爐退火；然而，耐熔的金屬需要專(zhuān)門(mén)的工藝且對(duì)金屬導(dǎo)電性施加了約束，所述約束與所有成像器件技術(shù)和應(yīng)用不兼容)。因此，為了使離子注入適應(yīng)成像探測(cè)器的要求和約束，幾個(gè)工藝改進(jìn)比較重要。首先，需要非常低的能量注入以便產(chǎn)生適于在UV范圍內(nèi)的探測(cè)的淺摻雜分布。其次，使用脈沖激光器注入非常淺的退火過(guò)程以?xún)H加熱近表面區(qū)域。再次，與用于摻雜晶體管和其他器件中的小區(qū)域的選擇性過(guò)程相反，背照式成像探測(cè)器的離子注入需要過(guò)程被優(yōu)化以在整個(gè)探測(cè)器表面上實(shí)現(xiàn)均勻的摻雜。這對(duì)激光退火尤其具有挑戰(zhàn)性，這趨于在成像探測(cè)器中產(chǎn)生“磚墻”假象。離子注入提供了較高的摻雜濃度和對(duì)吸收摻雜劑分布的比對(duì)最初用在WF/PC探測(cè)器的最佳薄化過(guò)程中的擴(kuò)散相關(guān)的分布更好的控制。然而，這只是相對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡x子注入的物理過(guò)程和保持過(guò)程與成像探測(cè)器的兼容性的必要性?xún)H提供了在設(shè)計(jì)形狀、深度、峰值位置、振幅和摻雜劑分布的均勻性方面的有限的靈活性。這些約束又對(duì)使用離子注入來(lái)優(yōu)化探測(cè)器性能尤其是與UV量子效率、缺陷相關(guān)的暗電流生成和用于提高空間分辨率的“深耗盡”相關(guān)的性能的能力施加了限制。特別是，離子注入不能產(chǎn)生陡峭的摻雜劑分布，而陡峭的摻雜劑分布對(duì)于表面鈍化是極其重要的(如我們所看到的)。離子注入/退火過(guò)程不能產(chǎn)生陡峭的摻雜劑分布是擴(kuò)展到成像探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域之外的限制。實(shí)現(xiàn)陡峭的摻雜劑分布是半導(dǎo)體工業(yè)在其制造具有較高密度的集成電路的不間斷的努力中面臨的主要挑戰(zhàn)之一。產(chǎn)生較陡的離子注入摻雜劑分布的目標(biāo)是半導(dǎo)體處理期刊中的大量文獻(xiàn)的主題。限制之一在于在退火過(guò)程期間加寬注入摻雜劑分布。瞬間增強(qiáng)的擴(kuò)散(TED)的現(xiàn)象指在注入摻雜劑分布的退火期間觀察到的異常高的擴(kuò)散率。所觀察到的高擴(kuò)展率與不可避免地由注入過(guò)程產(chǎn)生的缺陷相關(guān)。盡管有這些限制，離子注入成像器件當(dāng)前被用在各種成像應(yīng)用中，包括在空間中部署的科學(xué)成像探測(cè)器。當(dāng)前最新的離子注入器件是寬場(chǎng)攝像機(jī)3 (WFC3)儀器的核心，該儀器最近取代了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上的寬場(chǎng)/行星攝像機(jī)2儀器。然而，盡管在開(kāi)發(fā)WF/PC2探測(cè)器以后的二十年中出現(xiàn)了顯著的進(jìn)步，但WFC3中的當(dāng)前最新的離子注入器件仍然展示了量子效率滯后(QEH)，其在HST規(guī)范之外?；谶@些器件的廣泛特性，所觀察的QEH看起來(lái)與硅中的電荷陷阱相關(guān)，電荷陷阱可能是用于背表面鈍化的離子注入/退火過(guò)程中固有的后生現(xiàn)象。當(dāng)前用于WFC3的臨時(shí)解決方案是將器件周期性地暴露到強(qiáng)光，以便填充這些陷阱；將探測(cè)器保持在低操作溫度充分穩(wěn)定了捕獲的電荷，以收集科學(xué)數(shù)據(jù)。δ 摻雜在針對(duì)WF/PC2的探測(cè)器開(kāi)發(fā)在進(jìn)行中的同時(shí)，JPL科學(xué)家開(kāi)始開(kāi)發(fā)基于高摻雜硅的外延生長(zhǎng)的獨(dú)特的表面鈍化技術(shù)。而傳統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)技術(shù)需要超過(guò)CCD的容限的溫度，JPL在20世紀(jì)80年代在低溫分子束外延工藝方面進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的工作，低溫分子束外延工藝能夠在C⑶兼容的溫度(450° C以下)實(shí)現(xiàn)硅的外延生長(zhǎng)。這些努力導(dǎo)致了在1992年δ摻雜CXD的開(kāi)發(fā)和演示，其中低溫MBE生長(zhǎng)用于在完全起作用的薄化CXD上形成超薄的δ摻雜娃層。 δ摻雜過(guò)程的名稱(chēng)起源于相似于數(shù)學(xué)δ函數(shù)的摻雜劑分布。通過(guò)中斷硅原子的流動(dòng)，以單層的大約三分之一的密度(約2 X IO14摻雜劑原子/cm2)沉積摻雜劑原子，并通過(guò)使l-2nm硅“覆蓋”層生長(zhǎng)來(lái)封裝摻雜劑原子，δ摻雜實(shí)現(xiàn)了異常陡峭的摻雜劑分布。因?yàn)閾诫s劑在生長(zhǎng)過(guò)程中被吸收，MBE生長(zhǎng)層沒(méi)有遭受在離子注入期間由晶格損壞產(chǎn)生的缺陷，它們也不需要高溫退火過(guò)程，該過(guò)程將限制產(chǎn)生陡峭的摻雜劑分布的能力。在生長(zhǎng)期間中斷且然后重新開(kāi)始硅流動(dòng)的過(guò)程在僅有幾個(gè)原子層厚的層中集中摻雜劑原子，該層可被精確地定位在表面的幾個(gè)原子層內(nèi)。該精度是陡峭的摻雜劑分布中的根本，且不能通過(guò)離子注入或任何其他傳統(tǒng)的摻雜工藝(例如，離子注入和擴(kuò)散)來(lái)實(shí)現(xiàn)。δ摻雜在整個(gè)遠(yuǎn)紫外和超紫外光譜范圍實(shí)現(xiàn)了接近100%的內(nèi)部量子效率，即使在存在氧氣和水蒸氣的情況下在室溫下存儲(chǔ)幾年之后，也沒(méi)有由于暴露到離子化輻射導(dǎo)致的明顯的性能劣化，沒(méi)有可測(cè)量的量子效率滯后且對(duì)環(huán)境條件明顯不敏感。雖然S摻雜最初被演示為使用硼元素作為用于薄的η溝道CCD的表面鈍化的摻雜劑材料，但后續(xù)的開(kāi)發(fā)努力表明δ摻雜對(duì)于背照式光電二極管陣列、CMOS成像陣列、完全耗盡的P溝道CXD (需要使用銻作為摻雜劑材料的η型δ摻雜)及電子倍增CCD (其對(duì)于光子計(jì)數(shù)應(yīng)用使用高增益輸出寄存器)的表面鈍化同樣很好得起作用。使用均勻的摻雜劑分布的MBE摻雜MIT Lincoln實(shí)驗(yàn)室(MIT-LL)最近開(kāi)發(fā)了表面鈍化工藝，該工藝使用5nm厚的MBE-生長(zhǎng)硅層并包含濃度為2 X 102°cnT3 (對(duì)應(yīng)于I X IO14CnT2的片密度)的硼(B)的均勻分布。MIT-LL聲稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了接近100%的內(nèi)部量子效率且沒(méi)有可測(cè)量的滯后。由MIT-LL所進(jìn)行的關(guān)于背照式CCD對(duì)超紫外輻射的暴露研究證明MBE-生長(zhǎng)層比化學(xué)吸附帶電或離子注入更抗輻射。MBE鈍化器件的改善的抗輻射性歸因于吸收到鈍化層中的電荷的總量和表面上的氧化物層的相對(duì)厚度。引證了通過(guò)離子輻射，電子比注入到氧化物中的空穴的遷移率更大，該研究的作者聲明對(duì)輻射的暴露在氧化物層中產(chǎn)生了正電荷，其補(bǔ)償了表面鈍化層中的摻雜劑。在該研究中比較的器件(其不包括δ摻雜器件)中，均勻的MBE生長(zhǎng)鈍化層包含最大的電荷密度(I X IO14CnT2)和最薄的氧化物(l-2nm)。與通過(guò)MIT-LL生長(zhǎng)的均勻摻雜層相比，JPL的δ摻雜工藝實(shí)現(xiàn)了較高的電荷密度及較薄的MBE生長(zhǎng)層，且本文描述的多層鈍化層實(shí)現(xiàn)了甚至更高的電荷密度。在相關(guān)的研究中，MIT-LL的研究人員發(fā)現(xiàn)MBE生長(zhǎng)層對(duì)過(guò)量的表面生成的暗電流負(fù)有責(zé)任。它們能夠使用在氫氣中的400° C退火減輕這個(gè)問(wèn)題，該氫氣鈍化了自然氧化物中的表面狀態(tài)，并由此減小了表面生成的暗電流。即使是結(jié)合了氫氣鈍化，所觀察到的暗電流仍然在高于等同的前照式器件的數(shù)量級(jí)，指示背表面缺陷沒(méi)有被完全鈍化。JPL的δ摻雜工藝不需要?dú)錃忖g化來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的暗電流。δ摻雜的局限性和對(duì)新技術(shù)的需要圖I和圖2根據(jù)計(jì)算出的近表面電場(chǎng)和電勢(shì)比較δ摻雜與其他表面摻雜技術(shù)。通過(guò)擴(kuò)散和離子注入產(chǎn)生的緩慢變化的摻雜劑分布產(chǎn)生了微弱的、緩慢變化的電場(chǎng)和電勢(shì)，這提供了表面與主體的較差的隔離，且導(dǎo)致了響應(yīng)中的不穩(wěn)定性(如在來(lái)自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的WFC3探測(cè)器性能數(shù)據(jù)中看到的)。在比較中，圖示出δ摻雜產(chǎn)生了現(xiàn)有技術(shù)中的任何表面鈍化技術(shù)的最強(qiáng)的電場(chǎng)和最高的能量勢(shì)壘。這與表明鈍化層S摻雜提供得多么有效的量子效率和穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果一致。然而，近期的測(cè)量結(jié)果暗示移動(dòng)空穴的表面密度比S摻雜層中的摻雜劑原子的表面密度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該差異比較明顯，不僅對(duì)于器件性能的 結(jié)果，而且對(duì)于其暗示改進(jìn)的表面鈍化技術(shù)是必要的。如下文所述的，本發(fā)明的技術(shù)解決 了這個(gè)需要。 圖I是示出計(jì)算出的電場(chǎng)的圖，其將δ摻雜表面與現(xiàn)有技術(shù)中的其他表面摻雜方法相比較。圖2是示出計(jì)算出的電勢(shì)的圖，其將δ摻雜表面與現(xiàn)有技術(shù)中的其他表面摻雜方法相比較?，F(xiàn)有技術(shù)中的最新水平的鈍化技術(shù)這兩幅圖提供了將δ摻雜與現(xiàn)有技術(shù)中的其他表面摻雜技術(shù)相比較而做出的計(jì)算結(jié)果。圖中示出S摻雜產(chǎn)生了任何現(xiàn)有技術(shù)的最強(qiáng)的電場(chǎng)和最高的能量勢(shì)壘。實(shí)現(xiàn)此的關(guān)鍵是通過(guò)MBE產(chǎn)生陡峭的摻雜劑分布。雖然通過(guò)這些模型說(shuō)明的原理是正確的，但近期的結(jié)果表明化學(xué)和/或物理機(jī)制的存在，這些機(jī)制使實(shí)際的S摻雜表面的行為與模型偏離。通過(guò)量子排斥進(jìn)行的表面鈍化多層摻雜介紹和一般描述表面鈍化技術(shù)的各種方法在日期上先于特別為背照式探測(cè)器(及太陽(yáng)能電池，其具有與探測(cè)器非常類(lèi)似的要求)開(kāi)發(fā)的技術(shù)的技術(shù)中是公知的。這些公知的技術(shù)包括熱氧化層的生長(zhǎng)、在氫氣中的退火、及高性能的絕緣物(例如，作為半導(dǎo)體技術(shù)中的大量文獻(xiàn)的主題的高k氧化物)的生長(zhǎng)或沉積。這些技術(shù)的目的在于消除或減輕電活性缺陷的影響，與使表面帶電以產(chǎn)生有利的電場(chǎng)和電勢(shì)相反。除了 S摻雜以外，在前面章節(jié)中描述的所有表面帶電方法也依賴(lài)于這樣的方法一尤其是氫氣鈍化一以幫助提高表面鈍化的穩(wěn)定性和效率。對(duì)低缺陷密度的這個(gè)依賴(lài)提出了穩(wěn)定性的問(wèn)題，因?yàn)殡x子化輻射一包括暴露到高能光子(例如，深紫外光、遠(yuǎn)紫外光和超紫外光，所有這些在技術(shù)和科學(xué)上都很重要)。本發(fā)明的技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是穩(wěn)定性的提高，而不考慮表面缺陷。穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要的性能量度，因?yàn)楸砻婧徒缑娴膸щ姾头烹娍赡軞钠骷?。如通過(guò)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)器發(fā)展的歷史示出的，背照式光學(xué)探測(cè)器需要表面鈍化以便實(shí)現(xiàn)高的量子效率、低的暗電流和穩(wěn)定的響應(yīng)。鈍化需要產(chǎn)生足夠薄以對(duì)所有探測(cè)的波長(zhǎng)都透明的鈍化層的工藝。為了達(dá)到最佳的效率，鈍化層必須在探測(cè)器表面附近的硅中產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)以便阻止少數(shù)載流子在表面處重組或被捕獲。為了抑制表面生成的暗電流，鈍化工藝必須消除表面狀態(tài)或禁止熱生成的電荷從表面注入到體硅中。為了減輕量子效率滯后，由鈍化層產(chǎn)生的場(chǎng)必須是穩(wěn)定的，抵抗可由表面處的電子和空穴的捕獲和釋放引起的表面電勢(shì)的擾動(dòng)。也通過(guò)魯棒性、或減小或延遲探測(cè)器在惡劣環(huán)境下的性能的降低的能力(例如，減輕或阻止對(duì)探測(cè)器性能的永久性變化，其可伴隨由于污染物和/或離子化輻射引起的對(duì)表面的化學(xué)或物理?yè)p壞)來(lái)區(qū)分表面鈍化技術(shù)。來(lái)自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡上的寬場(chǎng)攝像機(jī)3儀器的近期數(shù)據(jù)及對(duì)DUV、FUV和EUV探測(cè)器的改善的壽命的需要表明需要具有提高的穩(wěn)定性和魯棒性的表面鈍化技術(shù)。本發(fā)明的技術(shù)通過(guò)使用多層摻雜在薄的鈍化層中實(shí)現(xiàn)摻雜劑的異常高的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有技術(shù)相比提高的穩(wěn)定性和魯棒性，因此將探測(cè)器與表面隔離而不考慮表面缺陷的密度。本發(fā)明的技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)需要對(duì)半導(dǎo)體組成的納米級(jí)控制。在這個(gè)長(zhǎng)度標(biāo)度上，電子和空穴與表面的相互作用通過(guò)量子力學(xué)控制，且表面與主體的隔離通過(guò)電子和空穴的量子行為的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)——因此術(shù)語(yǔ)為“通過(guò)量子排斥進(jìn)行的表面鈍化”。與現(xiàn)有技術(shù)相比，多層摻雜技術(shù)在以下方面提高了固態(tài)探測(cè)器的性能 它提供了隧穿勢(shì)壘，該隧穿勢(shì)壘抑制少數(shù)載流子的生成并抑制少數(shù)載流子從表面?zhèn)鬏數(shù)街黧w(由此通過(guò)減小對(duì)表面狀態(tài)的敏感度來(lái)提高穩(wěn)定性并提高信噪比性能)。它提供了隧穿勢(shì)壘，該隧穿勢(shì)壘抑制低能(“熱(thermal)”)少數(shù)載流子從體硅傳輸?shù)奖砻妫p小了這樣的載流子與表面處的陷阱相互作用的概率(實(shí)現(xiàn)高量子效率并提高了穩(wěn)定性)。它最小化高能(“熱(hot)”)少數(shù)載流子在表面處或在鈍化層內(nèi)被捕獲或重組的概率，且(相反地)促進(jìn)了這樣的載流子遠(yuǎn)離表面?zhèn)鬏敳⑦M(jìn)入體硅中(實(shí)現(xiàn)高量子效率并提高了穩(wěn)定性和魯棒性)。它提供了高的表面導(dǎo)電性以便便于過(guò)量多數(shù)載流子的橫向傳輸，因此減輕多數(shù)載流子的局部累積并幫助在所有照明條件下將探測(cè)器表面保持在恒定電勢(shì)(通過(guò)減輕表面狀態(tài)的動(dòng)態(tài)帶電提高了穩(wěn)定性)。它隔離體硅中的場(chǎng)和電勢(shì)，從而免受表面電勢(shì)的暫時(shí)或永久性變化的影響，因此減輕了由對(duì)表面和氧化物/抗反射涂層的化學(xué)和物理變化導(dǎo)致的對(duì)探測(cè)器性能的任何影響(例如，由于輻射損壞、熱載流子注入、或環(huán)境的其他損壞性效應(yīng))。使用多層摻雜通過(guò)量子排斥來(lái)實(shí)現(xiàn)表面鈍化的原理、方法和結(jié)構(gòu)在下文被描述。多層摻雜在表面和硅探測(cè)器之間插入了薄晶體，該薄晶體對(duì)高能(“熱(hot)”)載流子透明且對(duì)低能(熱(thermal))載流子不透明。實(shí)際上，多層摻雜產(chǎn)生了與物理表面隔離且獨(dú)立于物理表面的電子表面。層本身根據(jù)量子力學(xué)的原理被設(shè)計(jì)成將表面狀態(tài)/缺陷與探測(cè)器(半導(dǎo)體“主體”)中的少數(shù)載流子狀態(tài)隔離和去耦，同時(shí)減小熱載流子將在層內(nèi)或表面處被俘獲的概率。如上所述，由于對(duì)阻止環(huán)境條件(對(duì)表面涂層的化學(xué)或物理變化、吸附或化學(xué)吸附的分子及外部場(chǎng))影響成像探測(cè)器的性能(尤其是敏感度、穩(wěn)定性和噪聲)的要求，電子表面和物理表面的量子力學(xué)去耦(量子排斥)在成像探測(cè)器中極其重要。雖然本發(fā)明的背景是成像探測(cè)器領(lǐng)域，但實(shí)質(zhì)上所有的半導(dǎo)體器件都受到表面和界面中的缺陷的影響。規(guī)定通過(guò)量子排斥進(jìn)行表面鈍化的概念在方法和應(yīng)用中更通用；產(chǎn)生鈍化所要求的需要的近表面電勢(shì)的其他方法可以基于這些概念來(lái)發(fā)展；且通過(guò)量子排斥進(jìn)行的鈍化可在除了上述的太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器和背照式固態(tài)成像器件的實(shí)例以外的較大類(lèi)別的半導(dǎo)體器件和應(yīng)用中得到有用的應(yīng)用。雖然優(yōu)選實(shí)現(xiàn)是使用摻雜硅層的MBE生長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行硅表面的鈍化，但進(jìn)一步規(guī)定各種工程材料可被設(shè)計(jì)和制造成在各種材料系統(tǒng)中通過(guò)量子排斥實(shí)現(xiàn)表面鈍化，所述各種材料系統(tǒng)包括硅、含有硅鍺的合金和各種III-V和II-VI半導(dǎo)體材料，所有這些材料都能使用分子束外延方法以納米級(jí)精度來(lái)生長(zhǎng)和摻雜。其他材料系統(tǒng)和制造技術(shù)(例如有機(jī)半導(dǎo)體)也可服從本文應(yīng)用的方法和概念。這里提出的思想和方法可被一般化以囊括更多的器件結(jié)構(gòu)和技術(shù)。外延生長(zhǎng)技術(shù)與通過(guò)量子排斥進(jìn)行表面鈍化的理論和概念可容易擴(kuò)展到更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能，尤其是關(guān)于二維和三維圖案化結(jié)構(gòu)。以接近原子級(jí)精度制造半導(dǎo)體摻雜劑分布的能力實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)狀態(tài)的操縱及電子和空穴的量子傳輸。這些技術(shù)因此可應(yīng)用在許多可想象到的器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、修改和開(kāi)發(fā)中，尋求現(xiàn)有器件的最佳性能或減小的尺寸(例如用作集成電路的構(gòu)造塊的晶體管)或開(kāi)發(fā)對(duì)于實(shí)際實(shí)現(xiàn)需要改善的表面的新器件和結(jié)構(gòu)。本公開(kāi)的其余內(nèi)容集中于硅的多層鈍化，其是通過(guò)量子排斥進(jìn)行表面鈍化的示出·了本發(fā)明技術(shù)的原理、方法和優(yōu)勢(shì)的一個(gè)具體實(shí)例。如JPL所教導(dǎo)的δ摻雜的本質(zhì)為了介紹硅的多層鈍化并提供與現(xiàn)有技術(shù)比較的基礎(chǔ)，我們開(kāi)始描述如JPL所教導(dǎo)的通過(guò)S摻雜進(jìn)行的表面鈍化的本質(zhì)及對(duì)該技術(shù)近期發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。如應(yīng)用于光學(xué)探測(cè)器的，δ摻雜的基本原理是用超薄ρ+層替代前照式探測(cè)器的厚的ρ+襯底，所述超薄ρ+層(本質(zhì)上)再產(chǎn)生通過(guò)原始襯底/外延層界面的P+P結(jié)形成的電場(chǎng)和勢(shì)壘。因?yàn)槌ˇ膿诫s層是基本上透明的(在一定意義上)，背照式δ摻雜探測(cè)器在硅可達(dá)到的整個(gè)電磁頻譜(從軟X射線到近紅外)上表現(xiàn)出極其高的量子效率。背照明問(wèn)題的本質(zhì)在于表面鈍化和穩(wěn)定性的問(wèn)題；特別是，對(duì)鈍化表面的化學(xué)和物理變化不影響探測(cè)器性能是必須的。如上文所述的，JPL的δ摻雜技術(shù)是任何現(xiàn)有技術(shù)中最好的表面鈍化技術(shù)。JPL的專(zhuān)利和公開(kāi)物教導(dǎo)δ摻雜層應(yīng)位于離Si-SiO2界面約l-2nm處以便實(shí)現(xiàn)背照式硅探測(cè)器的最好性能。即使由JPL教導(dǎo)的δ摻雜層僅有2. 5nm厚(等于硅晶體中的約10個(gè)原子單層)，在JPL的δ摻雜層中的摻雜劑原子的片密度是近似2X1014cm_2。這么高的摻雜劑密度將產(chǎn)生高度導(dǎo)電的表面，因?yàn)閾诫s劑的片密度比通常出現(xiàn)在硅的自然氧化層中的表面電荷密度幾乎大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。δ摻雜表面中的空穴的低片密度在JPL的δ摻雜表面的表面片密度的近期測(cè)量結(jié)果(導(dǎo)電性的測(cè)量)表明近表面δ摻雜層表現(xiàn)出比預(yù)期的低兩個(gè)數(shù)量級(jí)的片密度，而深δ摻雜層的片密度在預(yù)期的范圍內(nèi)(見(jiàn)表I)。表面分布通過(guò)次級(jí)離子質(zhì)譜(SMS)指示δ摻雜表面含有接近設(shè)計(jì)值2Χ IO14CnT2的摻雜劑原子的片密度。這由于至少兩個(gè)原因而提出問(wèn)題首先，因?yàn)閷?dǎo)電性是襯底的基本功能，其應(yīng)該由表面鈍化層再產(chǎn)生；以及其次，低的表面導(dǎo)電性指示δ摻雜比先前認(rèn)為的魯棒性要差。S摻雜表面的低片密度因此展示對(duì)改進(jìn)的表面鈍化技術(shù)的需要并提供了用于評(píng)估本發(fā)明的技術(shù)的基礎(chǔ)。表I提供了 δ摻雜表面與多層摻雜表面的基于片數(shù)量(表面導(dǎo)電性的測(cè)量)的比較。這代表了來(lái)自超高純度硅襯底上的MBE生長(zhǎng)層的數(shù)據(jù)，以便確保導(dǎo)電性測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確地反映通過(guò)在表面鈍化層中摻雜產(chǎn)生的移動(dòng)電荷。
表I
權(quán)利要求
1.一種娃器件，包括 硅晶片，其以第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面為界，所述硅晶片具有在所述第一表面和所述第二表面中的一個(gè)上制造的器件； 所述硅晶片具有位于與所述第一表面和所述第二表面中的至少一個(gè)相鄰的摻雜分布，所述摻雜分布具有數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層；所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層中的每個(gè)具有小于10埃的厚度和至少I(mǎi)O14CnT2的摻雜劑片密度，其中M為大于I的整數(shù)；所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層由M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層彼此間隔開(kāi)，所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的至少一個(gè)具有在10埃到30埃的范圍內(nèi)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個(gè)被電子地鈍化，而不考慮存在于所述第一表面和所述第二表面中的所述相應(yīng)的一個(gè)上的缺陷的密度。
2.如權(quán)利要求I所述的硅器件，其中M至少為3，且所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層被M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層隔開(kāi)，所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的至少兩個(gè)具有實(shí)質(zhì)上相等的厚度。
3.如權(quán)利要求I所述的硅器件，其中M至少為3，且所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層被M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層隔開(kāi)，所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的至少兩個(gè)具有不相等的厚度。
4.如權(quán)利要求I所述的硅器件，其中所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的至少一個(gè)具有小于IO13CnT2的摻雜劑片密度。
5.如權(quán)利要求I所述的硅器件，其中每納米至少十進(jìn)倍的摻雜劑梯度存在于所述數(shù)量為M的摻雜層中的一個(gè)摻雜層和所述M-I個(gè)交錯(cuò)的硅層中的相鄰的一個(gè)硅層之間。
6.—種娃器件,包括 硅晶片，其以第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面為界，所述硅晶片具有在所述第一表面和所述第二表面中的一個(gè)上制造的器件； 所述硅晶片具有位于與所述第一表面和所述第二表面中的至少一個(gè)相鄰的摻雜分布，所述摻雜分布具有數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層；所述數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層中的每個(gè)具有小于40埃的厚度、至少I(mǎi)O14CnT2的摻雜劑片密度和每納米至少十進(jìn)倍的摻雜劑梯度，其中M為大于I的整數(shù)； 所述硅晶片的所述第一表面和所述第二表面中的至少一個(gè)被電子地鈍化，而不考慮存在于所述第一表面和所述第二表面中的所述相應(yīng)的一個(gè)上的缺陷的密度。
全文摘要
半導(dǎo)體器件具有多層摻雜以通過(guò)量子排斥提供改善的鈍化。多層摻雜包括數(shù)量為M的多個(gè)摻雜層，其中M是大于1的整數(shù)。M個(gè)摻雜層中的摻雜劑片密度不需要相同，但在原理上可被選取為具有相同的片密度或不同的片密度。設(shè)置在M個(gè)摻雜層之間的M-1個(gè)交錯(cuò)層沒(méi)有被特意摻雜(也稱(chēng)為“未摻雜層”)。具有M=2、M=3和M=4的結(jié)構(gòu)已被展示并表現(xiàn)出改善的鈍化。
文檔編號(hào)H01L27/144GK102939654SQ201180029702
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月15日
發(fā)明者邁克爾·E·霍恩克 申請(qǐng)人:加州理工學(xué)院