具有导热层的电子成像检测器制造技术

本发明专利技术描述了用于由电子束背照的固态有源像素图像传感器。所述图像传感器包含用于除热的导热层。所述图像传感器还可以包含在其上形成外延层的减薄的硅衬底。也可以在施加所述导热层之前或之后完全去除所述衬底。所述导热层可以包含金属、金属化合物、硅、金刚石或石墨。墨。墨。

【技术实现步骤摘要】
具有导热层的电子成像检测器

技术介绍

[0001]基于减薄透射硅(thinned transmission silicon)有源像素传感器的电子成像检测器已经彻底改变了低温电子显微镜技术。这些器件使科学家能够以从前未达到的水平研究大型生物大分子的结构。因为这些是透射器件，所以与检测层相互作用的电子理想地离开传感器而不散射回到检测层中。使用硅作为传感器衬底，使得传感器内的电子回到检测层中的散射最小化。有源传感器通过放大电子信号来最大化用于检测单个入射电子的位置的信噪比。
[0002]如图1所示，有源像素传感器10由三层组成：衬底(SUB)层12、外延生长检测(EPI)层14和后段制程(back
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end
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of
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line，后道工艺，BEOL)层16。SUB层12从检测电子的观点看是惰性的，并且用作形成检测层的基础。EPI层14包括响应入射电子显微镜电子产生传感器电子的材料。这些传感器电子被收集。BEOL层16设置在EPI层14上方，并包含金属互连和氧化物绝缘，用于读取传感器。
[0003]在一些已知的电子成像检测器中，SUB层12足够厚，使得没有电子完全穿过它。在图1中示出了两个示例电子路径。电子路径A和B被衬底散射回到EPI检测层14中，并在位置20,22被第二次检测到，这与背散射的电子进入EPI层14中的实际进入点不太相关。这种额外的检测降低了成像质量。如图2所示，由背面减薄的SUB层12可以减少背散射和二次检测，其中电子A不会背散射到检测层14中。
[0004]在图2中使用相同电子路径的示例图像中，穿透衬底层至更大深度的电子A不再被散射回到检测层。在较浅深度处散射的电子B仍返回到检测层。在此前照式配置中，可以通过最小化衬底的量来最小化背散射。
[0005]使衬底减薄，减少了可用于移除来自器件的热量的材料。随着工艺技术的进步，每给定面积的像素数量增加，除热成为一个越来越大的问题。
附图说明
[0006]图1是现有技术的硅成像检测器的横截面；
[0007]图2是另一种现有技术的硅成像检测器的横截面；
[0008]图3是根据本文描述的实施方案的一种示例性硅成像检测器的横截面；
[0009]图4A是示出理想的、前照式和背照式成像传感器的检测量子效率(DQE)的图；
[0010]图4B是将前照式vs.背照式成像传感器的DQE与图4A中的理想传感器DQE曲线进行比较的图；
[0011]图5A
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C是根据本文描述的实施方案的一种示例性硅成像检测器的处理阶段的横截面；及
[0012]图6A
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C是根据本文描述的实施方案的一种示例性硅成像检测器的处理阶段的横截面。
具体实施方式
[0013]本领域技术人员将认识到可以采用本专利技术的教导来开发的其他详细设计和方法。这里提供的实施例是说明性的，并不限制本专利技术的范围，本专利技术的范围由所附权利要求限定。下面的详细说明参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
[0014]根据本文所描述的实施方案，如图3所示，有源像素硅成像检测器300包括SUB层310、EPI层312、BEOL层314和导热层(“TCL”)316。在制造BEOL层之后将TCL 316施加到BEOL层314上。与本文所述的实施方案一致，检测器300暴露于最初从衬底侧310入射的电子，即该传感器是“背照式的”。由于BEOL中也发生一些散射，因此该传感器是背照式的，而BEOL在前照式配置中位于检测EPI层的前面。由BEOL引起的检测前散射对每个入射电子的检测次数几乎没有或没有影响，但是该散射可能会降低进入点和检测点之间的空间相关性，因此可能会限制检测器的最终分辨率。BEOL无法被去除，因为它执行检测器的必要读出功能。但是背照式将BEOL放置在EPI检测层之后，并消除了由BEOL引起的检测前散射。
[0015]如图3所示，电子A和B在EPI层312中被检测到，然后穿过BEOL层314。导热层316的厚度和材料组成均被设计为具有高热导率，但是具有低的将电子反射回EPI检测层312中的倾向。现有技术的衬底厚度已经在10μm至40μm的范围内，对于200kV和300kV的电子，产生的背散射分数从小于2％到大于10％。有利的是，通过导热衬底的减小的Z(原子数)或通过减小厚度来减少该背散射分数，减小厚度通过较高的热导率是可能的。实际上，材料通过这些参数同时发生变化。如图3所示，电子A从TCL层316出来，没有被反射回到传感器中。电子B被TCL层反射并在检测层312中被第二次检测到。TCL层的厚度及其组成决定了电子通过TCL层或反射回到传感器300中的可能性。
[0016]图4A示出了针对三种配置的模拟线性检测量子效率(DQE)：实线是仅理想化的外延层(“仅EPI”)，中间曲线(大虚线)是具有BEOL和外延层的背照式器件，其中外延层直接暴露于电子，而下曲线(短虚线)是具有BEOL和外延层(即，通过BEOL照明)的前照式器件。图4B示出了与图4A的仅理想化的外延层传感器曲线相比，具有BEOL的图4A的两个传感器的DQE的模拟比率。
[0017]两图(图4A，4B)均显示了通过线性DQE vs.空间频率进行量化的性能。每图左侧的原点处的零空间频率对应于检测器整体发挥的性能。每图右侧的Nyquist频率的一倍的空间频率显示出每隔一个像素变高和变低的图像信号调制性能。这是像素化检测器在没有混叠误差的情况下可以获取的最高的空间调制频率。
[0018]图4A和4B显示，虽然检测器的入射面和出射面的材料都在升高水平的空间频率下增加了散射，但是在检测后发生的来自安装在出射面上的材料的散射(两图中均为大虚线曲线)对高分辨率信号质量的损害较少。模拟结果还暗示，应当使EPI检测层前面的任何材料最小化。如图3所示，从背面暴露传感器，将衬底留在外延层的前面。图4A和4B的结论是，在EPI检测层前面的任何东西降低DQE，这意味着应当除去现在位于入射面的全部或大部分的衬底(留下不超过5微米)。到目前为止，这是不切实际的，原因在于衬底在为传感器提供机械支撑和导热方面所起的作用。与本文中的实施方案一致，导热层可以从BEOL层侧(即在背照式配置中的出射侧)支撑EPI和BEOL层。使用在BEOL层旁边的一层来支撑器件，可以完全去除原始衬底层。这进而允许直接暴露EPI层，而这迄今为止是不可能的。
[0019]因为导热层不是原始传感器制造的一部分(即不是外延层生长或BEOL层沉积的一
部分)，所以为此目的有机会找到比硅(包括现有技术器件中的原始衬底和大部分除热)更好的导热层材料。导热层材料可以在两个方面优于原始硅衬底。它可以具有更好的热导率，并且可以具有更低的电子散射趋势。组合效应的好处与热导率κ成正比，与原子数Z的平方成反比。出于电子透射导热层的目的，可以将探索性品质因数(heuristic quality factor)定义为Q＝κ/Z2。下表汇总了一些代表性材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于直接背照式暴露于电子束的固态有源像素图像传感器，其包含：外延层；在所述外延层上形成的后段制程层；及在所述后段制程层上粘附或形成的导热层，其中所述外延层形成在包含硅的衬底上，并且在形成所述外延层之后所述包含硅的衬底被减薄或去除。2.根据权利要求1所述的固态有源像素图像传感器，其中通过抛光、化学机械抛光、离子铣削或激光烧蚀来进行所述减薄或去除。3.根据权利要求1或2所述的固态有源像素图像传感器，其中在所述减薄或去除之后，所述衬底的厚度为0至5微米。4.根据权利要求1、2或3所述的固态有源像素图像传感器，其中所述导热层包含金属、金属化合物、硅、氮化硼、金刚石或石墨。5.根据权利要求1或2所述的固态有源像素图像传感器，其中所述导热层通过溅射、接触结合、静电结合、作为在溶剂稀释的粘合剂中的粉末通过浆料或沉降或旋涂，施加到所述后段制程层。6.根据前述权利要求之一所述的固态有源像素图像传感器，其中所述导热层在施加之后通过抛光、化学机械抛光、离子铣削或激光烧蚀进行减薄。7.用于生产包含导热层的固态有源像素图像传感器的方法，其包括：在硅衬底上形成外延图像感测层；在所述外延图像感测层的顶部上形成包含互连的后段制程层；及向所述后段制程层施加导热层。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述导热层包含金属、金属化合...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：加坦公司，
类型：发明
国别省市：