CN100594622C - 超薄硅基粒子探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄硅基粒子探测器及其制备方法。本发明探测器包括硅基片，硅基片上的探测窗口以及硅基片和探测窗口之外的介质层；所述探测窗口包括P区，N区以及夹在两者之间的硅层；所述P区周围设有保护环，保护环和P区不相接触；P区上方还设有基质层形成的缓冲台阶；N区优选通过TMAH腐蚀法形成，其外形呈倒圆台状，侧面和底面的夹角为54.74°；P区和N区表层均设有铝层。本发明还公开了所述探测器的制备方法。本发明探测器可很好地作为粒子鉴别的ΔE探测器应用于空间探测，核物理，医学检测和环境监测等领域。

Description

超薄硅基粒子探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种超薄硅基粒子探测器及其制备方法，更具体地说，本发明涉及一种具有超薄PIN硅基结构，能够探测粒子种类和能量的硅基粒子探测器，及其制备方法，属于高能物理和核物理领域。

背景技术

粒子探测器可以探测带电粒子、紫外光子、X光子、α粒子、β粒子等。因此，它在空间探测，核物理，医学和环境监测中有着极为广泛的应用。以空间探测为例，粒子探测器可以有效地探测太阳风、宇宙射线中的粒子，对于我们了解宇宙环境以及分析卫星中电子器件失效有着重要的意义。

半导体探测器是指用半导体材料制作出来的探测器。与早先的电离室探测方法相比，它们的工作原理类似。入射粒子在电离室中产生正离子和电子，把这些离子收集起来就得到一个电信号。入射粒子在半导体探测器中产生电子和空穴，把电子和空穴收集起来，就得到有关粒子数据。他们的主要差别在于：在半导体探测器中产生一个电子-空穴对只需要耗费3.5电子伏的能量；而电离室中产生一个离子需要30电子伏的能量。因此，半导体探测器有着能量分辨率高，线形响应好，脉冲上升时间短，探测效率高等特点。

半导体探测器根据材料不同可分为锗锂漂移探测器、高纯锗探测器、硅锂漂移探测器、硅探测器、化合物半导体探测器以及金刚石探测器等。其中，硅探测器以其低成本，高能量分辨率以及与集成电路工艺高度兼容性而有着广大的发展前景。

具有PIN结构的硅基粒子探测器目前有很大发展，它主要应用于ΔE-E望远镜。ΔE-E望远镜广泛用于测量粒子的种类和能量。它一般由一个厚探测器和一个薄探测器组成。当入射粒子进入ΔE-E望远镜中，首先与薄探测器发生作用，失去能量ΔE。然后与厚探测器作用，失去剩余能量(E-ΔE)。由于ΔE与粒子质量成正比，与E成反比。因此ΔE与E-ΔE的测量可以得到粒子的质量。当被探测粒子质量很大或者能量很低时，薄探测器需要非常薄来阻止粒子能量全部损耗在两个探测器中。在这种情况下，薄探测器非常易碎。同时，对于位置探测器来说，需要能够测量粒子的空间分布，因此需要探测器有较大面积。

然而，制造出具有超薄、大面积特性的硅基粒子探测器却有很多困难。其中，最主要的困难就是制造过程中探测器易碎。其次，为了提高探测器的分辨率，要求探测器有较小的漏电流和电容。而反向漏电流主要由表面漏电流决定，因此这就要求探测器表面比较平坦，峰-峰值达到几十埃。现有的探测器主要采用干法刻蚀的方法实现探测器的减薄，大面积减薄到100μm已非常困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种厚度较小，面积较大，且制造过程中不易碎裂的超薄硅基粒子探测器及其制备方法，可很好地应用于空间探测，核物理，医学检测和环境监测等，作为粒子鉴别的ΔE探测器。

本发明的发明目的通过下述技术方案实现：

一种超薄硅基粒子探测器，包括硅基片，所述硅基片上的探测窗口以及硅基片和探测窗口之外的介质层；

所述硅基片优选为100晶向的N型硅，电阻率大于1000欧姆厘米，厚度在300μm到550μm范围内；

所述探测窗口包括P区，N区以及夹在两者之间的硅层，该硅层的厚度优选为小于120μm，探测窗口的形状优选为圆形或矩形；

所述P区周围设有保护环，所述保护环和所述P区不相接触；所述P区上方设有基质层形成的缓冲台阶；

所述P区和所述N区表层均设有铝层；

所述N区优选呈倒圆台状，侧面和底面的夹角为54.74°。

本发明探测器通过下述方法制备，其步骤包括：

a)对硅基片作常规清洗，在硅基片的上下表面生成二氧化硅层，厚度优选为

到

为了尽可能去除二氧化硅层中的可动离子和固定离子，本发明在传统工艺基础上进行了下述改进：在二氧化硅层达到一定厚度后，在850℃到1150℃之间通入流量比为1∶25到1∶35之间的三氯乙烯和氧气混合气体，三氯乙烯中的氯离子可与硅片中的正离子结合，从而消除硅片中的大部分可动离子和固定离子；之后，继续生长二氧化硅层直至达到所需厚度；

b)在正面光刻探测窗口和保护环的图形，腐蚀正面二氧化硅层至探测窗口和保护环图形下方的二氧化硅层至500到

的优选厚度；

其中探测器窗口图形可为多种形状，优选为圆形；保护环环绕探测窗口；

探测窗口外缘和保护环内缘之间的距离由探测器厚度、硅基片电阻率、正面探测窗口图形的大小决定；

保护环内外半径的差值由正面探测窗口和保护环之间的距离决定；

c)从正面注入B⁺离子，在探测器窗口和保护环图形下方的二氧化硅层下方形成B⁺掺杂区，即P区，和保护环；离子注入的能量优选在35到55kev，注入浓度优选在1×10¹⁴/cm²到5×10¹⁷/cm²；

离子注入之后分别进行温度为850℃到1050℃，持续20s到40s的快速退火和温度为550℃到750℃，持续3h到4h的炉退火；

d)常规清洗，双面淀积氮化硅层，厚度优选为500到

e)在背面光刻探测窗口的图形，背面探测窗口和正面探测窗口的位置互相对应，优选为中心重合，进一步优选为大小相同；

腐蚀氮化硅层和二氧化硅层直至该图形所在的硅基片背面裸露；

进一步腐蚀上述硅基片背面裸露部分直至获得所需的探测器厚度；

本发明优选采用TMAH湿法腐蚀方法腐蚀上述硅基片背面裸露部分，直至获得所需的探测器厚度，使用该法在理论上可以将其减薄到5μm；湿法腐蚀液的浓度为15到35wt％，温度为65-95℃；

f)在背面探测窗口内注入P-离子，形成N区；注入能量优选为80到160keV，注入浓度优选为5×10¹⁴/cm²到1×10¹⁷/cm²；

离子注入之后进行温度优选为850℃到1050℃，持续20分钟到40分钟的炉退火；

g)用RIE刻蚀正面氮化硅层；正面光刻正面探测窗口图形，腐蚀所述图形下方的二氧化硅层直至硅基片裸露，形成正面探测窗口；

h)正面溅射铝层，厚度优选为0.8到1.4μm；通过光刻和磷酸腐蚀在正面探测窗口上形成第一个铝层；

i)正面光刻薄铝层图形，溅射厚度优选为0.05μm到0.15μm的铝层，剥离图形外的铝层从而形成正面薄铝层，也即第二个铝层，剥离时采用最小功率，从而保证探测器不碎；

j)用纯硫酸在室温清洗，背面溅射铝层，厚度优选为0.3μm到0.8μm；

k)合金，形成良好的欧姆接触，温度优选为390℃到470℃，时间为40分钟到80分钟。

上述工艺流程的每一步都十分重要，其中以下几个方面最为关键：

1.二氧化硅层的质量对探测器的性能有决定性影响，尤其是漏电流，所以，应该严格控制氧化条件。而在二氧化硅层生长前和生长时，系统都要经过氯离子处理。这主要是因为氯离子主要分布在硅-二氧化硅界面附近，他能够较多的填补氧的空位，形成Si-Cl负离子中心，从而控制和减少二氧化硅层的固定正电荷和可动正电荷，减少界面态密度。氯离子还能明显地吸除晶体中有害杂质和缺陷，提高少子寿命和二氧化硅层质量，减少漏电流。

2.TMAH湿法腐蚀技术对制作超薄探测器尤为关键。TMAH湿法腐蚀为各向异性腐蚀，腐蚀后侧壁与器件平面角度为54.74°，而不是干法腐蚀后的90°。因此腐蚀后的结构有较好的机械性能。此外，由于TMAH湿法腐蚀速率受浓度和温度影响较大，因此要严格控制条件。本发明发明人经实验证实，在腐蚀液浓度为15wt％到35wt％，温度为65℃到95℃时，尤其是腐蚀液浓度为25wt％，温度为80℃时，可以使硅片得到最为平整的表面，峰-峰值大概在左右，远低于其他硅片刻蚀技术。因此，通过此方法减薄的探测器表面平整，表面漏电流较小。除此之外，TMAH湿法腐蚀技术为有机溶液，污染小，不产生可动电荷，因此能更好地减小漏电流。

3.工艺中的各步清洗对提高成品率，减小漏电流也起很大作用。由于进行TMAH腐蚀后，硅片很薄，若不注意清洗，便会造成碎片。因此，在清洗硅片时，采用注水方式，而不是喷淋方式，从而不造成碎片。其次，高阻材料的硅片很容易引入杂质污染，因此要对清洗液、器具、氧化气体和管道、离子注入和退火工艺、光刻以及金属化每道工艺严格操作，尽量简化工艺流程来严防杂质污染。

和现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

1.本发明粒子探测器具有厚度薄，面积大的特点，可以满足探测质量很大或者能量很低的粒子条件。因为采用了TMAH湿法腐蚀技术，探测器的厚度可以做到57μm，同时面积达到113mm²，厚度面积比达到0.5。厚度以及厚度面积比比采用于法腐蚀技术制作的薄探测器小一倍。

2.本发明粒子探测器能够较大的提高击穿电压。通过两次光刻，在B⁺扩散区上边形成二氧化硅保护环，并在其上覆盖两层铝层，使其在工作时，即施加负电压时，可以吸引正电荷到硅、二氧化硅界面。正电荷的存在使探测器窗口的边缘电场向两侧延伸，故电场强度大大下降，击穿电压也随之提高。当然，二氧化硅层的具体尺寸应由探测窗口的面积和形状决定。

3.本发明粒子探测器具有优秀的电学特性。工作时，反向漏电流达到nA数量级，比面垒工艺制备的探测器下降1-2个数量级。这得益于工艺流程中的严格控制和严格操作，如二氧化硅层中采取的氯离子处理，各步清洗以及TMAH湿法腐蚀带来的高平整度。

4.本发明粒子探测器具有优秀的探测特性。用能量为5.536MeV的α源进行测试，它的能量分辨率为0.48％-0.56％，噪声为20.08keV，可见这种探测器的能量分辨率是非常好的。

附图说明

图1为本发明实施例超薄硅基粒子探测器的结构示意图；

图2到14为本发明实施例探测器制造方法各阶段的结构示意图；

其中：

1-P区；             2-N区；

3-保护环；          4-缓冲台阶；       5-正面铝层；

6-正面薄铝层；      7-背面铝层；       8-正面探测窗口；

9-背面探测窗口；    10-二氧化硅层；    11-氮化硅层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明超薄硅基粒子探测器及其制造方法作进一步的说明。

本实施例硅基粒子探测器包括硅基片，硅基片上的探测窗口以及硅基片和探测窗口之外的介质层；

硅基片为100晶向的N型硅，电阻率大于1500欧姆厘米，厚度为320μm；

探测窗口呈圆形，包括P区1，N区2以及夹在两者之间的厚度小于120微米的硅层；

P区1周围设有保护环3，保护环3是圆形的，它和P区1相隔一定的距离；

P区1上方设有基质层形成的圆环状缓冲台阶4；

N区2呈倒置的水桶状，通过TMAH湿法腐蚀技术形成，因此其侧面和底面的夹角为54.74°；

P区1和N区2上方均设有铝层，其中P区1上方还有两层铝层，分别为正面铝层5和正面薄铝层6；N区2上方有背面铝层7；

就本实施例探测器的探测通道而言，探测窗口可分为正面探测窗口8和背面探测窗口9。

本实施例按照下列步骤制备超薄硅基粒子探测器：

a)准备硅基片：N型，(100)晶向，电阻率＞1500欧姆厘米，厚度为320μm，备片后对其进行常规清洗；

清洗后在硅基片两面生成

的高质量二氧化硅层10，尽可能去除二氧化硅层10中的可动离子和固定离子，具体过程如下表1所示，共分为10步进行；

该步骤之后的结构如图2所示；

表1

	步骤与目的	时间(分钟)	气体	流量(升/分钟)	温度(℃)
						a1	进舟	5	N<sub>2</sub>	6	850
a2	升温	40	N<sub>2</sub>	6	1000
						a3	干氧生长二氧化硅层	5	O<sub>2</sub>	6	1000
a4	去除可动离子和固定离子	20	O<sub>2</sub>/C<sub>2</sub>HCl<sub>3</sub>	6/0.2	1000
						a5	干氧，防止三氯乙烯爆炸	5	O<sub>2</sub>	6	1000
a6	湿氧生长二氧化硅层	205	H<sub>2</sub>/O<sub>2</sub>	9/6	1000
						a7	干氧	20	O<sub>2</sub>	6	1000
a8	退火	10	N<sub>2</sub>	6	1000
						a9	降温	40	N<sub>2</sub>	6	850
a10	出舟	5	N<sub>2</sub>	6	850

b)光刻探测窗口和保护环3的图形，其中探测窗口为圆形，直径为12毫米；探测窗口中心距保护环3环体中心的距离为600μm，保护环3内外半径差值为100μm；

腐蚀探测窗口和保护环3的图形下的二氧化硅层10到

该步骤之后的结构如图3所示；

c)在探测器探测窗口正面注入B⁺离子，形成P区1和保护环3：注入能量为45kev，注入浓度为5×10¹⁵/cm²-1×10¹⁶/cm²；

离子注入之后分别进行950℃，40s的快速退火和650℃，3.5h的炉退火；

该步骤之后的结构如图4所示；

d)常规清洗，双面淀积

的氮化硅层11；温度为780℃，气压为250亳托，时间为48分钟。

该步骤之后的结构如图5所示；

e)在背面光刻探测窗口图形，然后分别用RIE和酸去除背面探测窗口图形下的氮化硅层11和二氧化硅层10直至硅基片裸露；

该步骤之后的结构如图6所示；

f)进一步采用TMAH湿法腐蚀，减薄探测器厚度，最后减薄到57μm，形成背面探测窗口9；湿法腐蚀的浓度为25wt％，温度为80℃，在水浴中进行；

该步骤之后的结构如图7所示；

g)在背面探测窗口9注入P^-，形成N区2，注入能量为120keV，注入浓度为5×10¹⁵/cm²到1×10¹⁶/cm²；

离子注入之后进行950℃，30分钟的炉退火；

该步骤之后的结构如图8所示；

h)用RIE刻蚀正面氮化硅层11，该步骤之后的结构如图9所示；

正面光刻正面探测窗口8图形，并去掉该图形下的二氧化硅层，形成正面探测窗口8；

该步骤之后的结构如图10所示；

i)正面溅射厚度为1到1.2μm的铝层，该步骤之后的结构如图11所示；

通过光刻和磷酸腐蚀光刻图形外的铝，再用发烟硝酸去除图形内的光刻胶，从而得到正面铝层5；

该步骤之后的结构如图12所示；

j)正面光刻出正面薄铝层6图形，然后通过溅射得到厚度为0.1μm的薄铝层，最后用超声剥离光刻图形外的铝和光刻胶形成正面薄铝层6。剥离时采用最小功率，从而保证探测器不碎。该步骤之后的结构图如图13所示；

k)用纯硫酸在室温清洗2分钟后，背面溅射厚度为0.5μm的铝层，形成背面铝层7。该步骤之后的结构图如图14所示；

l)合金，形成良好的欧姆接触，温度为430℃，时间为1小时。

Claims (1)

1.一种超薄硅基粒子探测器的制造方法，包括下列步骤：

a)对硅基片作常规清洗；双面生成到的二氧化硅层，在二氧化硅层的生成过程中，在850℃到1150℃之间通入流量比为1∶25到1∶35之间的三氯乙烯和氧气的混合气体；

b)在正面二氧化硅层光刻探测窗口图形和保护环图形，腐蚀所述图形下方的二氧化硅层形成二氧化硅层表面的

到

的凹陷；

c)正面注入B⁺离子，形成P区和保护环，注入能量为35kev到55kev，注入浓度为1×10¹⁴/cm²到5×10¹⁷/cm²；在850℃到1050℃快速退火20秒到40秒，在550℃到750℃炉退火3小时到4小时；

d)常规清洗；双面淀积

到的氮化硅层；

e)在背面氮化硅层光刻探测窗口图形，依次腐蚀所述图形下方的氮化硅层和二氧化硅层直至硅基片裸露；进一步采用TMAH湿法腐蚀方法腐蚀上述硅基片裸露部分，获得背面探测窗口，腐蚀液的浓度为15到35wt％，温度为65-95℃；

f)在背面探测窗口注入P^-离子，形成N区，注入能量为80kev到160kev，注入浓度为5×10¹⁴/cm²到1×10¹⁷/cm²；在850℃到1050℃炉退火20分钟到40分钟；

g)腐蚀去除正面氮化硅层；在正面二氧化硅层光刻正面探测窗口图形，腐蚀所述图形下方的二氧化硅层直至硅基片裸露，形成正面探测窗口；

h)正面溅射铝层并通过光刻，腐蚀，在正面探测窗口表面形成0.8μm到1.4μm的铝层；

i)通过光刻，溅射，超声剥离在所述铝层上再形成0.05μm到0.15μm的薄铝层；

j)用纯硫酸在室温清洗2分钟后，背面溅射0.3μm到0.8μm的铝层；

k)在390℃到470℃合金40分钟到80分钟。

Images