CN103515467A - 一种基于基片键合的δe-e核辐射探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器及其制备方法，属于半导体核辐射探测器技术领域。本发明的ΔE-E核辐射探测器包括薄型PIN探测器，厚型PIN探测器以及两者之间的金属键合层；所述薄型PIN探测器是在键合基片上形成的；所述薄型PIN探测器键合基片由器件层硅片、支撑层硅片以及两层硅片之间的二氧化硅层组成，支撑层硅片上通过TMAH腐蚀开窗口形成空腔结构，所述空腔为八边形结构，呈倒扣桶状，且空腔侧壁与底面的夹角为54.74°。本发明还公开了所述基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器的制造方法。本发明可用于空间探测，核物理，医学检测，和环境检测等多个领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器及其制备方法，属于半导体核辐射探测器技术领域
背景技术
ΔE-E望远镜广泛用于测量粒子的种类和能量，表现为：重离子的检测和跟踪、高γ射线辐射下的短程粒子检测、X射线检测等。ΔE-E望远镜一般由一个厚PIN探测器和一个薄PIN探测器组成。它的工作原理为：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)。利用ΔE与E-ΔE的测量可以测量粒子的能量和质量，进行粒子鉴别。
在制作探测器时，厚探测器需要制作得足够厚，从而阻止粒子完全停留在探测器中。而薄探测器需要制作得非常薄，以减少入射的高能粒子在ΔE探测器中损失的能量，获得较高的测量精度。
传统意义上的ΔE-E望远镜通常由两个分离的PIN探测器构成，由于薄探测器需要制作得非常薄，所以在实际使用过程中容易破碎，带来可靠性的问题。同时，分离的探测器也不符合小型化、集成化的发展趋势。
为了解决如上的问题，国际上通常采用将薄型的PIN探测器和厚型的PIN探测器集成到一起，组成一个整体单元，利用厚型的PIN探测器来支撑薄型的PIN探测器，从而解决机械可靠性的问题。这种集成结构也有利于减小死层厚度，从而提高探测灵敏度。
为了制造这种集成的探测器结构，一种方法是利用高能粒子注入，形成导电埋层作为厚型PIN探测器与薄型的PIN探测器的公共电极，再进行低能粒子注入掺杂，形成厚型PIN探测器与薄型的PIN探测器的另一个电极，其中，导电埋层采用另外一次注入掺杂引出电极。这种结构设计能得到超薄的薄型探测器，从而能够探测超低能量的粒子。整个探测器结构如G.Cardellab等人于1996年在《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A》上发表的名称为“A monolithic silicon detector telescope”的论文中所示；另外一种方法是首先利用扩散掺杂的方法制作厚型的PIN探测器，然后采取外延的方法制作出薄型的PIN探测器，导 电埋层采用金线引出。其探测器结构如Kim，C.等人于1982年在《IEEE Transactions on Nuclear Science》上发表的名称为“Epitaxial Integrated E-dE Position Sensitive Silicon Detectors”的论文中所示。还有一种方法是采用金属硅化物键合圆片的方式形成ΔE-E核辐射探测器，采用这种方式能得到低阻导电埋层。其探测器结构如 
等人于1997年在《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A》上发表的名称为“Fabrication of an integrated ΔE-E-silicon detector by wafer bonding using cobaltdisilicide”的论文中所示。
以上集成探测器虽然各具优点，但是制作方法相当复杂，对于前两种集成式ΔE-E核辐射探测器而言，会带来相当大的信号串扰问题，而且，死层厚度对粒子探测的影响也显著增加。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器及其制备方法，获得的ΔE-E核辐射探测器具备成品率高，工艺简单，探测厚度确定，低成本等优点，同时，具有良好的探测灵敏度、探测效率和机械稳定性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种复合式ΔE-E核辐射探测器，包括薄型PIN探测器、厚型PIN探测器以及两者之间的金属键合层，所述薄型PIN探测器是在键合基片上形成的。所述厚型的PIN探测器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探测窗口。所述金属键合层将薄型PIN探测器与厚型PIN探测器机械固定到一起，并且具备电学连接特性。
上述技术方案中，所述薄型PIN探测器键合基片由器件层硅片、支撑层硅片以及两层硅片之间的二氧化硅层组成。
所述器件层硅片优选为(111)晶向的N型硅，电阻率大于4000欧姆厘米，厚度在100μm以下。
所述支撑层硅片优选为(100)晶向的N型硅，电阻率小于10欧姆厘米，厚度在300μm到600μm范围内。
器件层硅片正面有掺杂形成的N+区，所述N+区上面覆盖有薄铝层。
所述支撑层硅片上通过TMAH腐蚀开窗口形成空腔结构，所述空腔为八边形结构，呈倒扣桶状，且空腔侧壁与底面的夹角为54.74°。
所述的支撑层硅片以及所述的器件层硅片和支撑层硅片之间的二氧化硅层开有窗口，器件层硅片背面有掺杂形成的P+区，所述探测器背面覆盖有薄铝层，薄铝层通过所述的窗口覆盖于P+区表面。
上述技术方案中，所述厚型PIN探测器中高阻硅基片优选为(111)晶向的N型硅，电 阻率大于2000欧姆厘米，厚度在300μm到1000μm范围内
上述技术方案中，所述薄型PIN探测器与厚型PIN探测器之间的金属键合层优选为Al-Sn-Al结构，所述Al层厚度优选为300nm-600nm，所述Sn层厚度优选为600nm-1000nm。
本发明还公开了一种复合式ΔE-E核辐射探测器的制造方法，其包括下列步骤：
a)通过下列步骤制造薄型PIN探测器：
i.超薄探测器用的键合基片的制备；
对两片不同晶向、不同电阻率、不同厚度的硅片采用1100摄氏度高温键合的方法以及研磨减薄方法制备成硅基片。两片硅片分别作器件层用和支撑层用。器件层硅片优选(111)晶向的N型硅，电阻率大于1000欧姆厘米，厚度在300μm至600μm范围内，表面长有100nm到1000nm的二氧化硅。支撑层硅片优选(100)晶向的N型硅，电阻率小于10欧姆厘米，厚度在300μm到600μm范围内，表面为裸露的硅层。在高温下键合上述器件层硅片和支撑层硅片，然后通过研磨减薄器件层硅片至所需厚度，厚度在100μm以下；
ii.常规清洗，在硅基片的表面生长一层二氧化硅层，厚度优选为300nm到800nm；
iii.在背面氮化硅层上光刻背面探测窗口图形，干法刻蚀图形窗口内的厚度在80nm到200nm范围内的氮化硅层，再用氢氟酸缓冲溶液腐蚀图形窗口内厚度在300nm到800nm的范围内的二氧化硅层，暴露出支撑层硅的表面；
iv.腐蚀背面图形窗口内裸露出的支撑层硅；
v.用RIE刻蚀硅片上下表面厚度在80nm到200nm范围内的氮化硅，用缓冲氢氟酸腐蚀硅片表面以及背面空腔内的腐蚀阻挡用二氧化硅层；
vi.常规清洗，在硅基片的表面生长一层二氧化硅层，厚度优选为80nm到120nm；
vii.背面进行硼离子注入，形成P+区；
viii.正面光刻探测窗口；其中正面探测窗口图形优选为圆形，正面探测窗口与背面探测窗口的中心位置相对，且正面探测窗口小于背面窗口；
ix.在正面进行磷离子注入，形成N+区；
x.快速退火，退火温度优选为850度到1050度，退火时间优选为30s到60s；
xi.常规清洗，漂自然氧化层，正反两面溅射一层薄铝；
xii.合金，形成良好的欧姆接触；
xiii.利用氩离子去除正面铝电极上的自然氧化层，原位淀积锡层；
b)通过下列步骤制造厚型PIN探测器：
i.在高阻硅基片上下表面生长足够厚的二氧化硅层；
ii.背面面光刻探测窗口图形，腐蚀正面以及背面探测窗口上方二氧化硅层至70nm厚度；
iii.在正面进行磷离子注入，形成N+区，快速热退火；
iv.背面进行硼离子注入，形成P+区；
v.去除探测器正面和背面的二氧化硅层，双面溅射薄铝层；
vi.合金，形成良好的欧姆接触；
vii.利用氩离子去除正面铝电极上的自然氧化层，原位淀积锡层；
c)通过下列步骤组装复合式ΔE-E核辐射探测器：
i.将薄型PIN探测器与厚型PIN探测器N+区重合对准在一起，移至键合装置；
ii.低温键合；键合温度为280摄氏度，键合压强为0.5MPa，键合时间为3分钟，氮气保护进行低温键合，即可得到复合式ΔE-E核辐射探测器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明首先分别制造出厚型PIN探测器和薄型的PIN探测器，通过金属键合层将薄型PIN探测器与厚型PIN探测器集成到一起，工艺简单可行，提高了成品率，同时有效的避免了电信号的串扰、损耗问题；
2)本发明所采用的超薄PIN高能粒子探测器具有厚度薄，面积大、机械性能好，探测器厚度确定的优点，应用此种结构可大批量生产同样厚度的超薄探测器，并且探测器厚度可控。采用两片不同晶向、不同电阻率的硅片进行高温键合制得硅基片，用于制造超薄探测器。这种新型的特殊结构硅基片用于制造超薄探测器可带来以下有益效果：高阻(111)晶向的器件层硅片的应用有利于降低漏电流且进行粒子探测时可得到较大的探测信号；低阻(100)晶向的支撑层硅片适用于TMAH溶液中进行腐蚀，有利于腐蚀工艺的完成，并且采用低阻硅可以降低制造成本。
附图说明
图1是本发明实施例复合式ΔE-E核辐射探测器结构示意图；
图2是本发明实施例薄型PIN探测器制造流程示意图；
图3是本发明实施例厚型PIN探测器制造流程示意图；
图4是本发明实施例复合式ΔE-E核辐射探测器的组装流程示意图；
其中：
A-薄型PIN探测器；B-厚型PIN探测器；
1-器件层硅；2-支撑层硅；3-腐蚀阻挡用二氧化硅层；41，42-热生长二氧化硅层；51，52-氮化硅层；61，62-N+注入区；71，72-P+注入区；81，82-背面铝层；91，92- 正面铝层；100，101-正面锡层；11-高阻硅基片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
在本实施例中，复合式ΔE-E核辐射探测器由薄型PIN探测器与厚型PIN探测器通过金属低温键合的方式组装而成的。
对于薄型PIN探测器而言：
器件层硅片1为N型111晶向，电阻率大于1000欧姆厘米，厚度为300μm，键合后，经研磨减薄，器件层硅达到所需厚度100μm；；
支撑层硅片2为N型100晶向，电阻率为2-4欧姆厘米，厚度为400μm；
腐蚀阻挡层3厚度为500nm，背面探测窗口图形直径为12mm；
N+注入区61上方设有正面铝层91和正面锡层100，P+注入区71上方有背面铝层81；
对于厚型PIN探测器而言：
采用111晶向的N型硅，电阻率大于4000欧姆厘米，厚度为420μm；
探测窗口包括P+注入区72，N+注入区62，其尺寸大小与薄型PIN探测器探测窗口一致；
N+注入区62上方设有正面铝层92和正面锡层101，P+注入区72上方有背面铝层82；
最终制备的传感器的结构如图1所示，整个传感器由薄型PIN探测器A和厚型PIN探测器B构成。
I、薄型PIN探测器A的工艺流程如图2所示，包括：
1、制备超薄探测器用键合硅基片；
采用(111)晶向的高阻硅作器件层硅片1和(100)晶向的低阻硅作支撑层硅片2。器件层硅片1为N型，电阻率大于1000欧姆厘米，厚度为300μm，表面长有500nm的二氧化硅用作腐蚀阻挡层3；支撑层硅片2为N型，电阻率为2-4欧姆厘米，厚度为400μm。然后1100摄氏度高温键合成硅基片，后研磨减薄键合的硅片器件层硅至所需厚度100μm。制备的超薄探测器用键合硅基片结构如图2(a)所示；
2、备片后，对基片进行常规清洗，清洗后在硅基片上下表面热生长一层高质量的二氧化硅层41，厚度为500nm；
3、常规清洗，LPCVD双面淀积厚度为100nm的氮化硅层51，如图2(b)所示；
4、光刻背面探测窗口图形，然后用RIE刻蚀背面探测窗口图形下的氮化硅层51，接着用缓冲氢氟酸腐蚀背面探测窗口图形下的二氧化硅层41，如图2(c)所示；
5、采用水浴加热的方式，用20wt％浓度的TMAH腐蚀液湿法腐蚀背面探测窗口下的支 撑层硅，直至裸露腐蚀阻挡用二氧化硅层3，如图2(d)所示；
6、RIE刻蚀硅片上下表面的氮化硅层51，如图2(e)所示；
7、用缓冲氢氟酸腐蚀背面探测窗口裸露出的腐蚀阻挡用二氧化硅层3和硅片正背面的二氧化硅层41，如图2(f)所示；
8、热生长厚度为80nm二氧化硅薄层41，如图2(g)所示；
9、在背面探测窗口进行硼离子注入形成P+区71，离子注入剂量为5e15/cm2，注入能量为45Kev，如图2(h)所示；
10、磷离子正面注入形成N+注入区61，离子注入剂量为1e16/cm2，注入能量为120Kev。之后对硅片进行950度，40秒的快速退火，如图2(i)所示；
11、用氢氟酸缓冲溶液腐蚀正面和背面的二氧化硅层41，如图2(j)所示；
12、漂自然氧化层，双面溅射厚度为500nm的薄铝层，如图2(k)所示；
13、合金，形成良好的欧姆接触，温度为430度，时间为30min；
14、利用氩离子去除探测器正面铝电极上的自然氧化层，原位淀积500nm的锡层100，如图2(l)所示；
II、厚型PIN探测器A的工艺流程如图3所示，包括：
1、准备n型111双面抛光硅片12，其电阻率大于4000欧姆厘米，厚度为420μm，常规清洗；
2、在硅基片两面生长300nm的高质量二氧化硅层42，如图3(a)所示；
3、光刻背面有源区窗口图形，腐蚀背面以及正面有源区下的二氧化硅层到70-100nm厚度，如图3(b)所示；
4、正面注入磷离子，形成N+注入区62，注入能量为120kev，注入浓度为1×1016/cm2，离子注入后进行快速热退火；
5、背面注入硼离子，形成P+区72，注入能量为45kev，注入浓度为5×1015/cm2，离子注入后进行快速热退火，如图3(c)所示；
7、去除探测器正反面的二氧化硅层，双面溅射500nm的铝层，如图3(d)所示；
8、合金，形成良好的欧姆接触，温度为430度，时间为30min；
9、利用Ar+粒子去除正面铝电极上的自然氧化层，原位淀积500nm的锡层101，如图3(e)所示；
III、复合式ΔE-E核辐射探测器的组装流程如图4所示，包括
1、将薄型PIN探测器与厚型PIN探测器N+区重合对准在一起，移至键合装置；
2、键合温度为280摄氏度，键合压强为0.5MPa，键合时间为3分钟，氮气保护进行低温键合，如图4所示；
以上通过详细实例描述了本发明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
Claims (7)
1.一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器，包括薄型PIN探测器、厚型PIN探测器以及两者之间的金属键合层，
其特征在于，
所述薄型PIN探测器是在键合基片上形成的。所述厚型的PIN探测器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探测窗口，薄型PIN探测器与厚型PIN探测器通过金属键合层固定到一起，并且形成电学互连。
2.如权利要求书1所述的一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器，其特征在于，所述薄型PIN探测器键合基片由器件层硅片、支撑层硅片以及两层硅片之间的二氧化硅层组成；所述器件层硅片正面有掺杂形成的N+区；所述N+区上面覆盖有薄铝层和锡层，所述的支撑层硅片背面开有窗口，所暴露的背面区域有掺杂形成的P+区；所述探测器背面覆盖有薄铝层，薄铝层通过所述的支撑层硅片背面的窗口覆盖于P+区表面。
3.如权利要求书1和2所述的复合式ΔE-E核辐射探测器，其特征在于，所述键合基片由器件层硅片和支撑层硅片通过高温键合以及研磨减薄制成，所述器件层硅片为(111)晶向的硅片，电阻率大于1000欧姆厘米，厚度在100μm以下；所述支撑层硅片为(100)晶向的硅片，电阻率小于10欧姆厘米。
4.如权利要求书1所述的复合式ΔE-E核辐射探测器，其特征在于，所述厚型PIN探测器高阻硅基片为(111)晶向的N型硅，电阻率大于2000欧姆厘米，厚度在300μm到1000μm范围内。
5.如权利要求书1所述的复合式ΔE-E核辐射探测器，其特征在于，所述薄型PIN探测器与厚型PIN探测器之间的金属键合层为Al-Sn-Al结构；所述Al层厚度为200nm-500nm；所述Sn层厚度为600nm-1000nm。
6.一种基于基片键合的ΔE-E核辐射探测器制备方法，其包括下列步骤：
a)通过下列步骤制造薄型PIN探测器；
i.对如权利要求书3所述的支撑层硅片和器件层硅片进行高温键合和研磨减薄，制得键合基片；
ii.常规清洗，在硅基片的表面生长一层二氧化硅层，厚度优选为300nm到800nm；
iii.在背面氮化硅层上光刻背面探测窗口图形，干法刻蚀图形窗口内的厚度在80nm到200nm范围内的氮化硅层，再用氢氟酸缓冲溶液腐蚀图形窗口内厚度在300nm到800nm的范围内的二氧化硅层；
iv.腐蚀背面图形窗口内裸露出的支撑层硅；
v.用RIE刻蚀硅片上下表面厚度在80nm到200nm范围内的氮化硅，用缓冲氢氟酸腐蚀硅片表面以及背面空腔内的腐蚀阻挡用二氧化硅层；
vi.常规清洗，在硅基片的表面生长一层二氧化硅层，厚度优选为80nm到120nm；
vii.背面进行硼离子注入，形成P+区；
viii.在正面进行磷离子注入，形成N+区；
ix.快速退火，退火温度优选为850度到1050度，退火时间优选为30s到60s；
x.常规清洗，漂自然氧化层，正反两面溅射一层薄铝；
xi.合金，形成良好的欧姆接触；
xii.利用氩离子去除正面铝电极上的自然氧化层，原位淀积锡层；
b)通过下列步骤制造厚型PIN探测器：
i.在高阻硅基片上下表面生长足够厚的二氧化硅层；
ii.背面光刻探测窗口图形，腐蚀背面探测窗口以及正面高阻硅片上方二氧化硅层至70-100nm厚度；
iii.正面注入磷离子，快速热退火；
iv.背面注入硼离子，快速热退火；
v.去除探测器正反面的二氧化硅层，双面溅射铝层；
vi.合金，形成良好的欧姆接触；
vii.利用氩离子去除正面铝电极上的自然氧化层，原位淀积锡层；
c)通过下列步骤组装复合式ΔE-E核辐射探测器：
i.将薄型PIN探测器与厚型PIN探测器N+区重合对准在一起，移至键合装置；
ii.低温键合。
7.如权利要求书6所述的一种复合式ΔE-E核辐射探测器的制造方法，其特征在于，所述低温键合温度为280摄氏度，键合压强为0.5MPa，键合时间为3min。
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