אופטימיזיציה של חיישן CMOS עם משטח אחורי מדולל

דלדול המשטח האחורי של חיישני CCD הוא תהליך נפוץ למען השגת יעילות קוונטית גבוהה; מזה זמן רב משמשים חיישנים אלו ביישומי חלל ומדע בעלי ביצועים גבוהים. לחיישני CMOS יש יתרונות על פני חיישני CCD, ודלדול המשטח האחורי של התקני CMOS אמור לגרום להשגת ביצועים דומים. שתי תוכניות שניהלה חברת e2v לאחרונה בחיישני CMOS עם משטח אחורי מדולדל הניבו ערכים מצוינים של נצילות קוונטית.

מניעת הפסדים במבנה האלקטרודה מאפשר השגת יעילות קוונטית גבוהה בטווח הספקטרלי השמיש של הסיליקון, באורכי גל מקרני X עד אינפרה–אדום קרוב. היתרונות של חיישני CMOS לעומת CCD, כוללים שילוב של חלק גדול יותר ממערכת התמונה בשבב יחיד ויציאות ספרתיות ונראה שאפשר ליישם בהם אותה טכנולוגיה של הארה אחורית. מאמר זה מתאר לראשונה את העקרונות הבסיסיים, ובהמשך מדווח על תוצאות יצירתם של חיישנים כאלה.

עקרונות בסיסיים
כשאור חד–צבעי פוגע בפיסת סיליקון בשטף של F פוטונים לסמ”ר לשנייה, אם מתעלמים מהחזרות אפשריות, קצב יצירת נושאי המטען בעומק x נתון בנוסחה:
G(x) = (F/L)exp(–x/L)
אלקטרונים לסמ”ק לשנייה
כאשר L הוא עומק הבליעה. לחלופין, 1/L = α, כש–α הוא מקדם הבליעה.
מעיון במשוואה, נראה שלכל ערך של L לקצב היצירה יש ערך מרבי של F/L בקרבת פני השטח, וכן שהקצב יורד ביחס למרחק x באופן מעריכי, ומגיע ל–37% בערך, כאשר x = L, עד 14% כאשר x = 2L וכך הלאה.
L הוא תלוי אורך גל ויש לו ערך מזערי 10 ננו–מטר בערך באורכי גל של אולטרה–סגול, והוא גדל ל–1–10 מיקרו–מטר באור הנראה, ולמאות מיקרונים באינפרה–אדום הקרוב. מכאן שהיצירה באולטרה–סגול קרובה לפני השטח, באור הנראה היא מתפשטת לעומק של כ–20 מיקרו–מטר ובאינפרה–אדום הקרוב היא יכול להתפשט למאות רבות של מיקרונים. אפשר להשתמש בפיזור זה להסבר התגובה הספקטראלית שנמצאת בחיישני CCD ו–CMOS המופעלים בהארה קדמית.
נצילות קוונטית בהארה קדמית
חתך רוחב והתגובה הספקטרלית של CCD אופייני מוצגים באיורים 1 ו–2 בהתאמה.
עובי האלקטרודות הוא 0.5 מיקרו–מטר, וכסיליקון (בתצורה רב גבישית, פולי–קריסטלינית) הן בולעות את כל הפוטונים באורכי גל קצרים מ–400 ננו–מטר בערך, כך שלא נשארים פוטונים שייכנסו לסיליקון הפעיל וייצרו מטעני אות. הנצילות הקוונטית, QE, שהיא החלק היחסי של פוטונים פוגעים המפיקים אות, תהיה לכן אפס. עומק הבליעה גדל באורכי גל ארוכים יותר כך שהפוטונים מגיעים לסיליקון הפעיל ויוצרים אות. עם זאת, יש החזרה מסוימת מהאלקטרודות והפסדים נוספים מריבוי החזרות ומהפרעות, לכן הנצילות הקוונטית מגיעה לכ–40%–50% בלבד ב–700 ננו–מטר בערך. בהתקנים המיוצרים עם מצע באילוח אחיד בטווח עובי של 600 מיקרו–מטר, התגובה נשמרת עד אורכי גל של 1 מיקרו–מטר בערך, ולאחר מכן נופלת, מאחר ש–L גדל מאוד ביחס לעובי ההתקן. האילוח המזערי בסיליקון הקיים בשוק עומד בערך על 1014 אטומים לסמ”ק ועומק הדלדול הנגזר אינו יותר מ–10–20 מיקרו–מטר בערך. המטען הנוצר בעומק יכול לפעפע (לעבור דיפוזיה) לרוחב בסיליקון שבבסיס ללא שדה ולגרום לרזולוציה מרחבית גרועה. הפתרון שנבחר מתבסס על שכבת הסיליקון האפיטקסית הפעילה של סיליקון רגיל שנשארת בפני השטח של פרוסות סיליקון, כפי שנראה באיור 1b (הפרוסות מיוצרות כשבאזורים הפנימיים יש אילוח רב להקטנת עומק הפעפוע של נושאי מטען המיעוט). עובי השכבה נבחר לפשרה הטובה ביותר בין תגובה לרזולוציה. יתרון נוסף של המבנה שנמצא בתקופת השימוש הראשונה (בשנות השמונים) היה שיפור משמעותי בביצועי זרם החושך, עם ירידה בשכיחות פגמי כתמים לבנים (white spot). נמצא שהשיפורים נבעו ממנגנון פנימי שסילק זיהומים מהאזור הפעיל אל האזורים הבלתי פעילים שמתחתיו. אפשר לציין שהצלחתה של תכונה זו הובילה להיווצרותם של סוגים אחרים של מוליכים למחצה, תוך כדי שימוש בסיליקון אפיטקסי, לדוגמה התקני זיכרון ב–CMOS וב–MOS.
לעקומת הנצילות הקוונטית של חיישני CMOS יש צורה שונה. חתך רוחב בהתקן מוצג באיור 3. יש לציין שקטעים מפני השטח מכוסים בעקבות מתכתיים שאינם רגישים להארה כלל. הטרנזיסטורים אוספים מטענים שנוצרים ישירות באזור “בור” p שלהם, אם כי לא בהכרח אלו שנוצרים בסיליקון שמתחתיו. בשטח שנותר בדיודת הפוטו יש ציפוי של תחמוצת וייתכן גם של חנקה (ניטריד), ולכן ייתכן שיהיה לו נצילות קוונטית שניתן למדוד אותה מתחת ל–400 ננו–מטר (בניגוד ל–CCD עם ההפסדים באלקטרודות). הפרמטר הקריטי בקביעת הנצילות הקוונטית של גלאי CMOS באורכי גל קצרים יותר יהיה, על כן, יחס השטח הפתוח (או “גורם המילוי”), ופרמטר זה משתנה באופן משמעותי בתלות במספר המסלולים והטרנזיסטורים המשמשים ובגודל הפיקסל. עקומת היענות ספקטרלית של התקן עם יחס שטח פתוח של 55% מוצגת בהמשך באיור 11. בחיישני פיקסלים גדולים יש בדרך כלל יחס גדול של שטח פתוח, היתרונות של הארה אחורית אינם גדולים (למרות שכך מתאפשרת הוספת ציפוי נגד החזרה–AR), בעוד שעבור פיקסלים קטנים עם מבנים מורכבים, ההארה האחורית הולכת והופכת לחיונית. זהו מצב הפוך לזה של חיישני CCD, אשר בהם הנצילות הקוונטית אינה משתנה באופן משמעותי עם גודל הפיקסל. יש לשים לב שחיישני CMOS אלו מיוצרים בדרך כלל בסיליקון אפיטקסי (כמוצג באיור 3) עם שכבה דקה יותר מזו אשר משמשת בדרך כלל עבור חיישני CCD, והתוצאה היא שהנצילות הקוונטית יורדת במהירות בכיוון האינפרה–אדום.

שיפור התגובה באדום
לאחרונה, ניתן למצוא בשוק, יותר מאשר בעבר, סיליקון בצובר עם ריכוז אילוח נמוך בהרבה, ולתהליכי ייצור חיישני CCD יש איכות גבוהה בהרבה, כך שההעברה הפנימית (intrinsic gettering) לקבלת תפוקת ייצור גבוהה אינה עוד חיונית. בעיית ההפסדים ברזולוציה מרחבית מקבלת מענה על ידי הפעלת ממתח אחורי למצע, כדי ליצור דלדול בכל העובי של הסיליקון, עד 300 מיקרו–מטר, ולהבטיח שהמטען נסחף אל נקודת האיסוף עם פיזור צד מזערי. גישה חדשה זו נקראת על ידי חברת e2v בשם Hi–rho.
יידרשו ניסויים נוספים על מנת לקבוע אם אפשר ליישם טכנולוגייה כזו על חיישני CMOS.

שיפור התגובה
באולטרה–סגול
ברור שללא קשר לתכונות המצע, לחיישן CCD בסיסי עם הארה קדמית לא יכולה להיות היענות טובה לאור אולטרה–סגול. הפתרון הראשוני הוא להשתמש במבנה של “אלקטרודה פתוחה” עם שטחים של פיקסלים שאינם מכוסים בסיליקון רב גבישי. קיימת פשרה בין השטח הפתוח לבין קיבולת “הבורות” המלאה, ולכן אפשר להשיג בקלות נצילות קוונטית של 25%. אפשר להשיג תוצאות דומות עם חיישן CMOS שבו יש יחס גבוה של שטח פתוח. הבעיה בשני המקרים היא, שברוב הפיקסלים לא תהיה תגובה, ולכן גישה זו אינה מתאימה לפתרון של פרטי תמונה עדינים. הפתרון להשגת היענות לאולטרה–סגול וגם נצילות קוונטית גבוהה בטווח ספקטרלי רחב שהתקבל בסופו של דבר על דעת כולם הוא להאיר את ההתקן במשטח האחורי על מנת להימנע מההפסדים הכרוכים בשימוש במבני המשטח הקדמי.
יצרנים שונים פיתחו טכנולוגיות ייצור של התקנים בהארה אחורית. להלן תיאור של הטכנולוגיה שפותחה על ידי e2v technologies עבור חיישני CCD, שמעתה מיושמת בייצור חיישני CMOS.
התהליך פותח בימים שבהם בסיליקון היה ריכוז אילוח שסיפק עומק דלדול באזור של 10–20 מיקרו–מטר. במצב זה, הארה אחורית של התקן בעובי 600 מיקרו–מטר אינו מספיק, מאחר שהמטען המתפזר מיצירת אורך הגל הקצר יותר בסמוך למשטח האחורי מביא לידי הפסד רזולוציה שאינו סביר. הפתרון הוא להפוך את הסיליקון לדק יותר על ידי איכול (etching) כך שהעובי הופך להיות דומה לעומק הדלדול. ואולם סיליקון בעובי כזה יהיה גמיש למדי ותהיה נחוצה לו תמיכה מכנית. משטח עם איכול אחורי נוטה אף הוא לריכוז גבוה של מרכזי יצירה והתאחות (recombination) או מלכודות שלהם שעלולים לגרום לכל מטען שנוצר מפגיעת אור להתאחות מיד. לכן נדרשת שכבת “אידוש” (passivation). בעיה נוספת היא שלפני השטח של הסיליקון יש יכולת החזרה גבוהה וציפוי נוגד החזרה (AR) נחוץ על מנת להשיג נצילות קוונטית גבוהה (ציפוי כזה אינו נחוץ, עם זאת, להתקנים המיועדים לשימוש ביישומים של קרני X “רכות”). בהמשך מפורטים האמצעים להשגת מטרות אלו.
רצף הייצור מוצג באיור 4.
א.פרוסת הסיליקון עם ההתקן המוכן מודבקת או מחוברת באופן מולקולרי כשפניה כלפי מטה, אל פרוסת סיליקון ריקה שתשמש לתמיכה.
ב.הסיליקון של הפרוסה עם ההתקן עובר איכול עד לעובי הרצוי. פעולה זו נעשית באמצעות סיליקון אפיטקסי, מאחר שריכוז האיכול יכול להיות ריכוז שיואט בנקודת השינוי של אילוח המצע, ותהיה לו בכך נטייה ליצור עובי אחיד יותר. בדרך כלל מושגת סטייה של ±0.5 מיקרו–מטר.
ג.מבצעים את תהליך האידוש והציפוי בחומר נוגד החזרה (AR). בהמשך מפורטים פרטים נוספים.
ד.הסיליקון שמעל לרפידות החיבור המתכתיות מאוכל ומוסר.
ה.מנסרים את הפרוסה כדי לשחרר את השבבים הבדידים והם עוברים חיבור למארז באותו אופן כמו שבבים המשמשים בהארה קדמית (אם כי חיבורי המוליכים מתבצעים למעשה בצד ההפוך של רפידות המתכת).
*בחלק הבא נפרט את הטיפולים שיש לבצע במשטח האחורי – אידוש וציפוי נגד האחזרה, נדון בתוצאות המעשיות המושגות עם חיישני CCD ובתוצאות המעשיות המושגות עם חיישני CMOS.
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת אלקטרונדארט בע”מ, נציגתה הבלעדית של  חברת e2v בישראל.