CN109686812B - 基于隧穿氧化层的键合硅pin辐射响应探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器及其制备方法。该探测器包括键合在一起的探测层硅片和收集层硅片，以及二者之间的超薄二氧化硅层，其中：所述探测层硅片的正面有掺杂形成的P+区，所述P+区之外的硅表面覆盖有二氧化硅层，所述P+区上面覆盖有薄金属层，该薄金属层边缘具有场板结构；所述收集层硅片的背面全部为掺杂形成的N+区；所述N+区表面覆盖有厚金属层。本发明的辐射响应探测器可用于核辐射领域的超快响应测量，在辐射防护、空间监测等领域有着重要应用。
Description
技术领域
本发明涉及硅PIN辐射响应探测器，特别涉及一种基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器及其制备方法，可应用于核辐射探测领域的超快响应测量。
背景技术
随着核科学技术的发展，科学研究对脉冲辐射测量的需求不断增加，在辐射防护、航空航天、空间监测等领域有着重要的应用。与稳态、亚稳态辐射场相比，脉冲辐射场具有辐射强度大、辐射发生时间短、产生粒子种类多等特点。对于这种辐射发生时间很短的瞬态过程，难以再使用传统的脉冲计数方法来研究个体粒子的行为特征，而是需要通过电流型探测器测量其群体行为特征，获取被测辐射场的脉冲形状、辐射源强度等基本信息。
与其他辐射响应探测器相比，硅PIN辐射响应探测器具有体积小、结构简单、灵敏度高、响应时间快、抗辐照性能强、真空性能稳定等特点。它是通过收集辐射粒子射入探测器后产生的瞬间脉冲电流信号来对被测辐射场产生响应信息的，在脉冲辐射场的测量与诊断等核物理研究中有重要价值。
当辐射粒子入射到PIN辐射响应探测器中后，由于辐射能量大于探测器材料的禁带宽度，会在探测器的空间电荷区内产生大量非平衡载流子，这些电子空穴对在内建电场和外加反向偏压的作用下定向移动，在被分别收集到探测器两侧的过程中产生脉冲电流。若要提高探测器对辐射的响应速度，即减小输出脉冲电流的上升时间，一是可以减小PIN探测器中的本征区，减小载流子被收集时需要经过的距离，二是可以增大探测器上施加的反向偏压，使载流子达到更大的漂移速度，实现更快的被收集。
减薄PIN探测器的本征区最直接的办法是研磨硅片减薄至所需厚度，但由于这样的薄片在制造过程中极容易碎，导致无法正常制造出成品率高的探测器。为了增强探测器的机械性能，我们一般选择与衬底硅片键合后减薄的方法，但在这种方法中由于衬底层硅片和器件层硅片之间晶格的不连续性，当反向偏压达到一定程度使耗尽区边界接近键合界面处时，漏电流急剧增大。这样就造成了本征层越薄，能施加的反向偏压越小的矛盾。因此为了解决这一问题，制备出超快响应的辐射探测器，我们有必要开发出一种新的辐射响应探测器的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有半导体探测技术在快速辐射响应探测上的不足，提供一种响应速度较快，制备工艺简单的高性能辐射响应探测器及其制作方法，使得经此方法制备的辐射响应探测器具有漏电流小、响应速度快、成品率高、机械性能好等优点。这种基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器可应用于核辐射探测领域的超快响应测量。
本发明的目的可通过下述技术方案来实现：
一种基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器，包括键合在一起的探测层硅片和收集层硅片，以及二者之间的超薄二氧化硅层，其中：所述探测层硅片的正面有掺杂形成的P+区，所述P+区之外的硅表面覆盖有二氧化硅层，所述P+区上面覆盖有薄金属层，该薄金属层边缘具有场板结构；所述收集层硅片的背面全部为掺杂形成的N+区；所述N+区表面覆盖有厚金属层。
上述基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器是在键合基片上形成的，所述探测层硅片优选为N型硅，电阻率大于1欧姆·厘米，厚度在100微米以下；所述收集层硅片优选为N型硅，电阻率小于0.01欧姆·厘米，厚度在300微米到600微米范围内；二者之间的隧穿二氧化硅层厚度在20埃以下。
探测层硅片正面有掺杂形成的P+区，所述P+区之外的硅表面覆盖有二氧化硅层，所述P+区上面覆盖有薄金属层，该薄金属层具有场板结构，薄金属层与硅的接触面积优选小于P+区。所述薄金属层的厚度在500埃到2000埃范围内，其材料优选为铝。
所述的收集层硅片背面掺杂形成N+区，该N+区形状优选与收集层硅片形状相同。在N+区表面覆盖有厚金属层。该厚金属层的厚度在0.5微米到1微米范围内，其材料优选为铝。
上述基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器可以通过下述方法制备：
1)将一背表面长有超薄二氧化硅层的硅片作为探测层，将一表面为裸露硅表面的硅片作为收集层硅片，将两硅片键合在一起，其中所述超薄二氧化硅层夹在两硅片之间，制得键合基片，研磨减薄探测层硅片至所需厚度；
2)在键合基片上下表面热生长一层薄二氧化硅层，在键合基片的正面光刻定义探测器窗口P+区图形；
3)在键合基片正面以光刻胶作为掩膜进行离子注入，在探测层硅片正面形成P+区；在键合基片背面进行离子注入，在收集层硅片背面形成N+区，去光刻胶，退火；
4)在键合基片上表面淀积一层二氧化硅；
5)在键合基片正面的二氧化硅层上光刻金属/硅接触窗口图形，该金属/硅接触窗口图形与正面探测窗口P+区的中心位置相对；去除正面金属/硅接触窗口内的二氧化硅。
6)在键合基片正面溅射一薄层金属，然后光刻和刻蚀形成覆盖P+区并具有场板结构的薄金属层；在键合基片背面溅射厚金属层。
7)合金处理，使金属和硅形成欧姆接触。
本发明的辐射响应探测器用键合基片来制备。在上述步骤1)对两片不同电阻率的硅片采用高温键合(1100℃)的方法制备成硅基片，两片硅片分别作探测层和收集层用。键合前，探测层硅片优选N型硅，电阻率大于1欧姆·厘米，厚度小于100微米，表面长有20埃以内的高质量二氧化硅。收集层硅片优选为N型硅，电阻率小于0.01欧姆·厘米，厚度在300微米到600微米范围内，表面为裸露的硅层。在高温下键合上述探测层硅片和收集层硅片，然后通过研磨减薄探测层硅片至所需厚度，厚度在20微米以下。
步骤2)在对键合形成的硅基片作常规清洗之后，在硅基片上下表面热氧化一层二氧化硅，在正面光刻探测窗口图形，图形居于硅片中央，并腐蚀窗口内的二氧化硅。
步骤3)优选在硅基片正面进行硼离子注入，形成P+区，采用耐高温光刻胶作注入掩膜，离子注入剂量优选为1e14/cm2到1e16/cm2，注入能量优选为30kev到50kev；优选在硅基片背面进行磷离子注入，形成N+区，注入区域优选为整个硅片背表面，离子注入剂量优选为1e15/cm2到1e16/cm2，注入能量优选为80kev到120kev；离子注入后去除光刻胶，然后快速退火，退火温度优选为850℃到1050℃，退火时间优选为30秒到60秒。
步骤4)常规清洗后在硅基片的上表面淀积一层二氧化硅层，厚度优选为3000埃到8000埃。
步骤5)在硅基片正面二氧化硅层光刻金属/硅接触窗口图形；其中金属/硅接触窗口图形与探测窗口的中心位置相对，面积优选为小于P+区注入窗口(即正面探测窗口)图形；优选采用氢氟酸缓冲溶液腐蚀背面以及正面金属/硅接触窗口内的二氧化硅。
步骤6)常规清洗，漂除自然氧化层，在硅基片正面溅射一薄层金属(优选为铝)，厚度优选为500埃到2000埃；光刻、腐蚀正面金属，得到正面金属图形；在基片背面溅射一厚金属层(优选为铝)，厚度优选为0.5微米到1微米。
步骤7)合金在氮气、氢气的气氛下进行，合金温度在400℃到500℃范围内，合金时间在30分钟到60分钟之间。
上述工艺流程中，以下几个工艺步骤尤为关键：
1.初始硅片决定了探测器的厚度、上下表面的平整性、机械性能以及隧穿氧化层的质量，影响了探测器的漏电流大小，所以键合基片的制备对探测器的各项性能都有着直接的影响。本发明优选采用表面生长有高质量二氧化硅层的低掺杂N型探测层硅片和高掺杂N型收集层硅片进行高温键合得到初始硅基片。探测层硅片掺杂浓度较低容易实现全耗尽，同时电阻较高使外加偏压可以几乎全部降落在耗尽区，提高漂移电场，增加载流子的收集速度，有利于实现快速响应，而高掺杂的收集层能与超薄氧化层结合实现对电子的选择性收集，并且低阻硅不会对收集电流造成明显的损失，同时采用低阻硅可以有效降低制造成本。
2.探测层硅片与收集层硅片之间的超薄二氧化硅层是本发明辐射响应探测器制造工艺中的关键。由于本发明中的辐射响应探测器是工作在反向偏置下的，在一定程度上反向偏压越大，响应速度也越快，但由于探测层硅片掺杂浓度较低，在较小的反向偏压下就会实现全耗尽，使耗尽区边界处在探测层硅片和收集层硅片的交界处，出现较大的漏电流。因此在探测层硅片和收集层硅片之间加入超薄氧化层不仅可以实现对两个硅片边界的钝化，填充表面态，减小漏电流，也在一定程度上实现了对载流子的选择，使电子通过隧穿效应更容易被收集层硅片收集，阻止空穴通过，减小载流子之间的复合效应，使探测效率提高。
和现有技术相比，本发明的探测器在保持机械性能优异的基础上还具有下列有益效果：
1.本发明的基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器具有漏电流小、响应速度快、成品率高、机械性能好、探测器厚度确定等优点，应用此种结构可较方便的实现任意厚度的辐射响应探测器，从根本上消除了TMAH湿法腐蚀或干法腐蚀硅带来的探测器表面的不平整性，这对于降低探测器漏电流具有重要作用。
2.本发明采用两片不同电阻率的硅片进行高温键合制得硅基片。这种新型的特殊结构硅基片用于制造辐射响应探测器可带来以下有益效果：高阻探测层硅片的应用有利于使反向偏压全部降落在耗尽区，提高漂移电场，增加载流子的收集速度，有利于实现快速响应；低阻的收集层硅片与探测层背面的超薄氧化层一起实现了对载流子电子的选择性，通过隧穿效应使载流子的收集效率提高，响应度好，同时采用低阻硅可以降低制造成本。
3.本发明的辐射响应探测器的制备方法中采用了耐高温光刻胶作正面P+区的离子注入掩膜，只需三次光刻就可以完成制备工艺。正面薄铝图形形成薄窗结构，薄窗结构可减小探测器死层厚度，提高探测器分辨率，工艺技术简单，不仅可以降低成本，而且也提高了探测器的成品率。
4.本发明的辐射响应探测器的制备方法中没有单独定义背电极的图形，将收集层硅片的背面全部作为磷的离子注入区和金属电极区，这样既可以简化工艺步骤，同时增大了载流子的收集面积，防止载流子聚集增大复合几率，提高了探测器的线性响应度，方便进行电学连接。
附图说明
图1为本发明中制备的隧穿氧化层PIN辐射响应探测器的结构示意图。
图2(a)到图2(h)为本发明实施例辐射响应探测器具体制备方法流程结构示意图。
其中：
1-探测层硅片 2-隧穿氧化层 3-收集层硅片
4，4’-二氧化硅层 5-P+区 6-N+区
7-正面薄铝层 8-背面厚铝层 9-场板
具体实施方式
以下结合附图所示的最佳实例对本发明的隧穿氧化层键合硅PIN辐射响应探测器及其制备方法作进一步详述。
如图1所示，基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器结构包括：探测层硅片1、隧穿氧化层2和收集层硅片3组成的键合硅基片，其中探测层硅片1为N型硅，电阻率为8欧姆·厘米，厚度为10微米；隧穿氧化层2厚度为10埃；收集层硅片3为N型硅，电阻率为0.001欧姆·厘米，厚度为300微米。
探测层硅片1正面有硼掺杂形成的P+区6，以形成PN结，其上有薄铝层8覆盖，薄铝层8具有场板结构10，以提高击穿电压；正面探测窗口以外区域用二氧化硅层4作钝化层。基片背面有磷掺杂形成的N+区7；N+区上用厚铝层9全部覆盖形成欧姆接触。
上述基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器的具体制备方法包括下述步骤：
a.制备辐射响应探测器用的键合硅基片包括低掺杂的探测层硅片1和高掺杂的收集层硅片3。其中探测层硅片1为N型，电阻率为8欧姆·厘米，厚度为100微米，背表面长有10埃厚的高质量二氧化硅作隧穿氧化层2；如图2(a)所示。
b.高掺杂的收集层硅片3为N型，电阻率为0.001欧姆·厘米，厚度为300微米，表面抛光。将两硅片在1100℃高温条件下键合成硅基片，然后研磨减薄探测层硅片至所需厚度10微米；如图2(b)所示。
c.备片后，常规清洗，在基片上下表面热氧化一层二氧化硅4，厚度2000埃；光刻正面探测窗口图形，用氢氟酸缓冲溶液除去探测窗口图形内的二氧化硅和基片背面的二氧化硅，该步骤之后的结构如图2(c)所示。
d.用耐高温光刻胶作注入掩膜进行硼离子注入形成P+注入区5，离子注入剂量为1e15/cm2，注入能量为40Kev；在基片背面进行磷离子注入形成N+区6，离子注入剂量为1e16/cm2，注入能量为100Kev；去除光刻胶之后对硅片进行950℃，40秒的快速退火。该步骤之后的结构如图2(d)所示。
e.在基片上表面淀积一层二氧化硅层4’，厚度为5000埃。该步骤之后的结构如图2(e)所示。
f.在正面二氧化硅层上光刻铝/硅接触窗口图形，用氢氟酸缓冲溶液腐蚀铝/硅接触窗口内的二氧化硅层4’，该步骤之后的结构如图2(f)所示。
g.去光刻胶，漂除自然氧化层，在正面溅射一厚度为1000埃的薄铝层，形成正面薄铝层7。在背面溅射一厚度为0.8微米的厚铝层覆盖背面，形成背面厚铝层8。该步骤之后的结构如图2(g)所示。
h.光刻正面薄铝图形，用磷酸腐蚀出具有场板结构9的正面铝层图形；之后进行430℃，30分钟的铝合金，以形成良好的欧姆接触。该步骤之后的结构如图2(h)所示。
Claims (10)
1.一种基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器，包括键合在一起的探测层硅片和收集层硅片，以及二者之间的超薄二氧化硅层，探测层硅片用于键合的表面为探测层硅片的背面，其中：所述探测层硅片的正面有掺杂形成的P+区，在所述探测层硅片的正面除P+区之外的硅表面覆盖有二氧化硅层，所述P+区上面覆盖有薄金属层；所述收集层硅片的背面区域为掺杂形成的N+区，所述N+区表面覆盖有厚金属层。
2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述探测层硅片为N型硅，电阻率大于1欧姆·厘米，厚度在100微米以下；所述收集层硅片为N型硅，电阻率小于0.01欧姆·厘米，厚度在300微米到600微米范围内；二者之间的二氧化硅层厚度在20埃以下。
3.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述P+区上面覆盖有薄金属层，该薄金属层边缘具有场板结构；所述N+区表面覆盖有厚金属层，所述薄金属层的厚度在500埃到2000埃范围内，所述厚金属层的厚度在0.5微米到1微米范围内。
4.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述薄金属层与硅的接触面积小于P+区，所述N+区和厚金属层的形状与收集层硅片形状一致。
5.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，工作模式为在探测层硅片表面的薄金属层上施加反向偏置电压，即在P+有源区上施加负偏压。
6.如权利要求1所述一种基于隧穿氧化层的键合硅PIN辐射响应探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)将一背表面长有超薄二氧化硅层的硅片作为探测层，将一表面为裸露硅表面的硅片作为收集层硅片，将两硅片键合在一起，其中所述超薄二氧化硅层夹在两硅片之间，制得键合基片，研磨减薄探测层硅片至所需厚度；
2)在键合基片上下表面热生长一层薄二氧化硅层，在键合基片的正面光刻定义探测器窗口P+区图形，并腐蚀去除窗口内的二氧化硅；
3)在键合基片正面以光刻胶作为掩膜进行离子注入，在探测层硅片正面形成P+区；在键合基片背面进行离子注入，在收集层硅片背面形成N+区，去光刻胶，退火；
4)在键合基片上表面淀积一层二氧化硅；
5)在键合基片正面的二氧化硅层上光刻金属/硅接触窗口图形，该金属/硅接触窗口图形与正面探测窗口P+区的中心位置相对；腐蚀去除背面以及正面金属/硅接触窗口内的二氧化硅；
6)在键合基片正面溅射一薄层金属，然后光刻和腐蚀形成覆盖P+区并具有场板结构的薄金属层；在键合基片背面溅射厚金属层；
7)合金处理，使金属和硅形成欧姆接触。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中作为探测层的硅片为N型硅，电阻率大于1欧姆·厘米；作为收集层的硅片也为N型硅，电阻率小于0.01欧姆·厘米，厚度在300微米到600微米范围内；二者之间的二氧化硅层厚度小于20埃且质量良好无针孔；两硅片键合后通过研磨将探测层硅片减薄至所需厚度。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)在硅基片正面光刻探测窗口图形；步骤3)以光刻胶为掩膜进行硼离子注入，形成P+区；在硅基片背面进行磷离子注入，形成N+区。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤4)在所述基片表面淀积的二氧化硅层的厚度为3000埃～8000埃。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述金属/硅接触窗口图形与正面探测窗口P+区的中心位置相对且面积小于P+区；以光刻胶为掩膜利用氢氟酸缓冲液去除正面金属/硅接触窗口内的二氧化硅。
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