CN102074611B - 基于碳化硅结型场效应管的β辐照探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅金属半导体场效应晶体管结构的β射线辐照探测器，主要解决现有β辐照探测器抗辐照性能不佳和能量转换效率低的问题。该探测器自下而上包括n型衬底(8)、p型缓冲层(7)、浓度为3.5～4×10¹⁷cm^-3的n型沟道(6)、n型缓冲层(5)和欧姆接触层(4)，欧姆接触层上淀积源漏极(2)，n型缓冲层上淀积半透明肖特基接触层(1)，肖特基接触层由高势垒肖特基金属Au/Ti/Pt构成，其埋入n型缓冲层(5)的深度为0.06～0.08μm，栅极和源漏极以外的表面区域覆盖一层SiO₂钝化层(3)。本发明具有抗辐照能力强、能量转换效率高、探测效率高的特点，可用于核能中对β射线的探测。

Description

基于碳化硅结型场效应管的β辐照探测器

技术领域

本发明属于微电子领域，尤其涉及到一种基于碳化硅结型场效应晶体管结构的β射线辐照探测器，可用于核能中β射线电离辐射探测领域。

技术背景

半导体辐射探测器是继气体探测器，闪烁体探测器之后发展起来的一种新型的先进的探测器。其基本原理是采用半导体工艺，如蒸发，扩散，离子注入等，在半导体基片上，通过在反向偏压的工作条件下制成较厚的耗尽层或扩散区，用来探测入射射线或带电粒子。现有的半导体辐射探测器都是基于Si，GaAs材料的二极管和PIN管等结构，主要用在探测α粒子、β射线和中子等。

半导体辐射探测器对材料有很高的要求，一般认为应该具有以下的特性：

(1)较大的禁带宽度，保证探测器工作时，具有较高的电阻率和较低的漏电流；

(2)良好的工艺性能，容易制得纯度高，完整性好的晶体，同时具有良好的机械性能和化学性能，便于进行机械加工，容易制作成势垒接触或欧姆接触；

(3)优异的物理性能，能耐较高的反向偏压，反向电流小，正向电流也小；同时材料中载流子的迁移率-寿命积要大，确保探测器具有良好的能量分辨率。传统的Si、GaAs结型场效应晶体管器件已不太适合核辐射探测等领域，是因为这些器件的热导率低、击穿电压较低、功率密度低、抗辐照性能不佳。为了满足在国防及医疗领域对高性能，高可靠性半导体辐射探测器的需求，需要开发基于新型半导体材料的辐射探测器。

半导体材料的SiC具有宽禁带宽度(2.6～3.2eV)、高饱和电子漂移速度(2.0×10⁷cm·s^-1)、高击穿电场(2.2MV·cm^-1)、高热导率(3.4～4.9W·cm^-1·K^-1)等性能，并且具有较低的介电常数，这些特性决定了其在高温、高频、大功率半导体器件、抗辐射、数字集成电路等方面都存在极大的应用潜力。具体地说，就是SiC材料的宽带隙决定了其器件能在相当高的温度下(500℃)工作，再加上它的原子临界位移能大，这使得SiC器件有着好的抗辐照能力，尤其是在高温和辐照并存的情况下，SiC器件成了唯一的选择。因此基于SiC材料的抗辐射半导体器件在辐射探测领域将会有更好的应用前景。

文献《JFET optical detectors in the charge storage mode》介绍的J.M.SHANNON，JAN LOHSTROH等人提出的Si结型场效应管结构的探测器。

文献“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 583(2007)157-161”《Silicon carbide for UV，alpha，beta and X-ray detectors：Results and perspectives》介绍了意大利的Francesco Moscatelli提出的SiC肖特基结构的β探测器，但是肖特基势垒结构的探测器的制作工艺不适合在单片上的集成，探测范围较小，无法满足低剂量射线探测的需求，进而提出了采用容易单片集成的场效应晶体管制作探测器的设想，来解决无法集成的问题。

结型场效应管由于是多子器件，本身具有极强的抗辐射性能，且和双极晶体管及MOS工艺兼容，有利于集成。文献《Design and Process Issues of Junction andFerroelectric-Field Effect Transistor in Silicon Carbide》中Sang-Mo Koo介绍了SiC的结型场效应管及其制造工艺，如图2所示，其结构是半绝缘的N+衬底上是P+外延层，P+外延层上是N+沟道层，在N+沟道层的中间区域是P+栅区，在两侧区域是源漏区，在源、漏和栅区上分别是欧姆接触的电极。其工艺步骤是在半绝缘的N+衬底上外延一层P+外延层，然后在P+外延层上外延N+沟道，接着通过离子注入P杂质形成重掺杂的P+栅区，然后分别在源、漏及栅区制作欧姆接触的电极。但是这种结构由于没有涉及缓冲层，因而在核射线照射下，入射的射线会造成表面陷阱效应，吸收沟道中的载流子数目，减小沟道电流，削弱器件的探测能力，因而不适合制作辐照探测器。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了基于一种包含了双缓冲层的碳化硅结型场效应管的β辐照探测器及其制作方法，利用SiC材料在辐照方面的独特优势，通过设置缓冲层，减少核辐照射线对器件的表面陷阱效应的影响，减少对沟道中载流子数目的影响，增强探测器的探测能力。

为了实现上述目的，本发明的β辐照探测器，从上到下包括：高掺杂的P+型栅区、N+型SiC源漏层、N型掺杂的缓冲层、N型沟道层、P型掺杂的缓冲层以及4H-SiC半绝缘衬底，在P+栅区上和N+源漏区上引出由重掺杂形成的欧姆接触，整个欧姆接触层外边缘矩形区域均有SiO₂钝化层，其特征在于：N+型SiC源漏层与N型沟道层之间设有N型掺杂缓冲层；在N型沟道层和4H-SiC半绝缘衬底之间设有P型掺杂缓冲层，形成双层缓冲层结构。

为实现上述目的，本发明制作β辐照探测器的方法，包括如下步骤：

1.用N型4H-SiC基片作为衬底，在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长掺杂浓度为1.0×10¹⁵cm^-3～5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm～0.2μm的P型缓冲层；

2.在P型缓冲层上外延掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，厚度为0.4μm的N型沟道；

3.在N型沟道上部外延掺杂浓度为1.0×10¹⁵cm^-3～5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm～0.2μm的N型缓冲层；

4.在N型缓冲层上先外延N型层，再在N型层上进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.6μm的离子注入，形成N+型SiC源漏层，再在Ar气氛围的1600℃高温下快速退火10分钟；

5.在1100±50℃温度下，对步骤中退火后的基片进行干氧氧化，形成SiO₂钝化层；

6.在SiO₂钝化层的中间区域，选用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀出场效应晶体管的栅极区域；

7.对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.4μm的离子注入，形成重掺杂的P+栅区，通过对该P+栅区的干氧氧化，形成起保护作用的SiO₂钝化层；

8.选用浓度为5％的缓冲HF酸对步骤7处理后的基片进行腐蚀，在SiO₂钝化层上刻蚀出N+型SiC源漏层，同时去除P+栅区上的钝化层，在源漏区及栅区制作欧姆接触电极；

9.在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0.02μm，再通过超声波剥离形成键合层。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明由于增加了两层缓冲层，可以使得有效导电沟道远离表面，从而削弱或者消除表面陷阱对器件的电学性能的影响及表面陷阱效应，提高了器件性能；

2)本发明由于利用了碳化硅材料抗辐照能力强的特点，可以保证在核辐射和宇宙射线的辐射下，探测器设备仍可以正常工作，对于探测β射线是非常有利的；

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是常规的场效应管的结构示意图；

图3是本发明制作方法的主要流程示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的β辐照探测器从下到上包括：掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.4μm的N型4H-SiC衬底8，衬底的上面是一层掺杂浓度为1.0×10¹⁵cm^-3～5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm～0.2μm的P型缓冲层7，P型缓冲层7上是掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，厚度为0.4μm的N型沟道6，N型沟道6上是一层掺杂浓度为1.0×10¹⁵cm^-3～5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm～0.2μm的N型缓冲层5，N型缓冲层5上是掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3，厚度为0.6μm的N+型源漏层4，N+型源漏层4上的中间区域是掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3，厚度为0.4μm的P+栅区1，在栅区1和源漏层4上都有欧姆接触电极2，在栅源极、栅漏极之间的区域均有SiO₂钝化层3作为保护层。

参照图3，本发明的制作方法通过下面实施例说明。

实施例1

第1步.用掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.4μm的N型4H-SiC基片作为衬底8，在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长掺杂浓度为1.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm的P型缓冲层7，如图3a，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第2步.在P型缓冲层上外延N型沟道6，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，厚度为0.4μm，如图3b，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第3步.在N型沟道6上部外延掺杂浓度为1.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm的N型缓冲层5，如图3c，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第4步.在N型缓冲层5上先外延N型层，再在N型层上进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.6μm的离子注入，形成N+型SiC源漏层4，再在Ar气氛围的1600℃高温下快速退火10分钟，如图3d，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第5步.在1100±50℃温度下，对步骤4中退火后的基片进行2小时的干氧氧化，形成SiO₂钝化层，如图3e。

第6步.在SiO₂钝化层的中间区域，选用浓度为5％的缓冲HF酸，腐蚀出场效应管的栅极区域，如图3f。

第7步.对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.4μm的离子注入，从而形成重掺杂的P+栅区1；接着对P+栅区1在1100±50℃温度下，进行2小时的干氧氧化，形成起保护作用的SiO₂钝化层，如图3g和图3h，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第8步.选用浓度为5％的缓冲HF酸对步骤7处理后的基片进行腐蚀，从而在SiO₂钝化层上刻蚀出源漏区的有效区域，使露出N+型SiC源漏层4，同时也把P+栅区1的钝化层去除；清洗后，在源漏区及栅区采用电子束蒸发Ni作为欧姆接触的金属，在Ar+1％H₂氛围和950℃的温度下退火5分钟，形成良好形貌的欧姆接触金属源漏极和栅极，接着电镀一层Ti/W引出作为电极，如图3i和图3j。

第9步.在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0.02μm，再通过超声波剥离形成键合层。

实施例2

第一步用掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.4μm的N型4H-SiC基片作为衬底8，在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长掺杂浓度为2.5×10¹⁵cm^-3，厚度为0.15μm的P型缓冲层7，外延的工艺条件是温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体，如图3a；

第二步在P型缓冲层上外延掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，厚度为0.4μm的N型沟道6，如图3b，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第三步在N型沟道6上部外延掺杂浓度为2.5×10¹⁵cm^-3，厚度为0.15μm的N型缓冲层5，如图3c，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第四步在N型缓冲层5上先外延N型层；再在N型层上进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.6μm的离子注入，形成N+型SiC源漏层4；接着在Ar气氛围的1600℃高温下快速退火10分钟，如图3d，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第五步在1100±50℃温度下，对步骤4中退火后的基片进行2小时的干氧氧化，形成SiO₂钝化层，如图3e；

第六步在SiO₂钝化层的中间区域，选用浓度为5％的缓冲HF酸，腐蚀出场效应管的栅极区域，如图3f。

第七步对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.4μm的离子注入，从而形成重掺杂的P+栅区1，接着对P+栅区1在1100±50℃温度下，进行2个小时的干氧氧化，形成起保护作用SiO₂钝化层，如图3g和3h，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第八步选用浓度为5％的缓冲HF酸对步骤7处理后的基片进行腐蚀，从而在SiO₂钝化层上刻蚀出源漏区的有效区域，使露出N+型SiC源漏层4，同时也把P+栅区1的钝化层去除。清洗后，在源漏区及栅区采用电子束蒸发Ni作为欧姆接触的金属，在Ar+1％H₂氛围和950℃的温度下退火5分钟，形成良好形貌的欧姆接触金属源漏极和栅极，接着电镀一层Ti/W引出作为电极，如图3i和图3j。

第九步在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0.02μm，再通过超声波剥离形成键合层。

实施例3

第A步用掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3，厚度为0.4μm的N型4H-SiC基片作为衬底8，在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长掺杂浓度为5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.2μm的P型缓冲层7，外延的工艺条件是温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体，如图3a。

第B步在P型缓冲层上外延N型沟道6，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，厚度为0.4μm，如图3b，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第C步在N型沟道6上部外延掺杂浓度为5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.2μm的N型缓冲层5，如图3c，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第D步在N型缓冲层5上先外延N型层，再在N型层上进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.6μm的离子注入，形成N+型SiC源漏层4，再在Ar气氛围的1600℃高温下快速退火10分钟，如图3d，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第E步在1100±50℃温度下，对步骤4中退火后的基片进行2小时的干氧氧化，形成SiO₂钝化层，如图3e。

第F步在SiO₂钝化层的中间区域，选用浓度为5％的缓冲HF酸，腐蚀出场效应晶体管的栅极区域，如图3f。

第G步对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.4μm的离子注入，从而形成重掺杂的P+栅区1，接着对P+栅区1在1100±50℃温度下，进行2个小时的干氧氧化，形成起保护作用SiO₂钝化层，如图3g和图3h，该外延的工艺条件是：温度为1570℃，压力为100Mbar，生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂，其中H₂为携带气体。

第H步选用浓度为5％的缓冲HF酸对步骤7处理后的基片进行腐蚀，从而在SiO₂钝化层上刻蚀出源漏区的有效区域，使露出N+型SiC源漏层4，同时也把P+栅区1的钝化层去除。清洗后，在源漏区及栅区采用电子束蒸发Ni作为欧姆接触的金属，在Ar+1％H₂氛围和950℃的温度下退火5分钟，形成良好形貌的欧姆接触金属源漏极和栅极，接着电镀一层Ti/W引出作为电极，如图3i和图3j。

第I步在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0.02μm，再通过超声波剥离形成键合层。

Claims (3)

1.一种碳化硅结型场效应晶体管β辐照探测器，从上到下包括：高掺杂的P+型栅区(1)、N+型SiC源漏层(4)、N型掺杂的缓冲层(5)、N型沟道层(6)、P型掺杂的缓冲层(7)以及4H-SiC半绝缘衬底(8)，在P+栅区(1)上和N+源漏区(4)上引出由重掺杂形成的欧姆接触(2)，整个欧姆接触层外边缘矩形区域均有SiO₂钝化层(3)，其特征在于：N+型SiC源漏层(4)与N型沟道层(6)之间设有N型掺杂缓冲层(5)；在N型沟道层(6)和4H-SiC半绝缘衬底(8)之间设有P型掺杂缓冲层(7)，形成双层缓冲层结构；

所述的N型掺杂缓冲层(5)的掺杂浓度为1.0×10¹⁵cm^-3～5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm～0.2μm；

所述的P型缓冲层(7)的掺杂浓度N_A为1.0×10¹⁵cm^-3～5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm～0.2μm。

2.一种基于4H-SiC结型场效应晶体管的β辐照探测器的制作方法，包括如下步骤：

(1)用N型4H-SiC基片作为衬底(8)，在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长掺杂浓度为1.0×10¹⁵m^-3～5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm～0.2μm的P型缓冲层(7)；

(2)在P型缓冲层上外延掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，厚度为0.4μm的N型沟道(6)；

(3)在N型沟道(6)上部外延掺杂浓度为1.0×10¹⁵cm^-3～5.0×10¹⁵cm^-3，厚度为0.1μm～0.2μm的N型缓冲层(5)；

(4)在N型缓冲层(5)上先外延N型层，再在N型层上进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.6μm的离子注入，形成N+型SiC源漏层(4)，再在Ar气氛围的1600℃高温下快速退火10分钟；

(5)在1100±50℃温度下，对步骤(4)中退火后的基片进行干氧氧化，形成SiO₂钝化层；

(6)在SiO₂钝化层的中间区域，选用浓度为5％的缓冲HF酸腐蚀出场效应晶体管的栅极区域； 

(7)对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2×10¹⁹cm^-3，深度为0.4μm的离子注入，形成重掺杂的P+栅区(1)，通过对该P+栅区(1)的干氧氧化，形成起保护作用的SiO₂钝化层(3)；

(8)选用浓度为5％的缓冲HF酸对步骤(7)处理后的基片进行腐蚀，在SiO₂钝化层(3)上刻蚀出N+型SiC源漏层(4)，同时去除P+栅区(1)上的钝化层；清洗后，在源漏区及栅区采用电子束蒸发Ni作为欧姆接触的金属，在Ar+1％H₂氛围和950℃的温度下退火5分钟，形成良好形貌的欧姆接触金属源漏极和栅极；接着电镀一层Ti/W引出作为姆接触电极(2)；

(9)在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0.02μm，再通过超声波剥离形成键合层;

所述步骤(1)、(2)、(3)、(4)和(7)中所涉及的外延，均采用如下工艺条件：

温度为1570℃，

压力为100Mbar，

生长气体为C₃H₈、SiH₄和H₂。

3.根据权利要求2所述的β辐照探测器的制作方法，其中H₂为携带气体。 

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