CN109690356A - 基于p型电导率的悬浮区熔炼硅的电离辐射传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于将电离辐射转换成电信号的半导体装置。现有的电离辐射传感器具有n+‑i‑p+结构，使用平面工艺生产。所述传感器包含由具有p型电导率的高纯度悬浮区熔炼硅的高电阻基板形式的i区域，在其前侧具有n+‑区域(2，3)，SiO2层(4)，铝金属化(5)，以及钝化层。在基板的前侧(1)有通过离子注入形成n‑区域(2)；生成SiO2掩蔽层(层4)和沉积铝金属化(5)以及应用的钝化层(6)。至少一个或多个n+‑区域(2)位于基板前表面的中心部分，并占据表面区域的大部分以形成传感器的敏感区域，和至少两个n+‑区域和p+‑区域以环形元件(保护环)(3)的形式，沿着基板(1)的周边，同心地布置在非敏感区域中，以降低表面电流量并提供从装置的敏感区域到其周边电位的平滑降低。形成矩阵的n+‑区域(2)，即传感器的敏感区域，的数量等于2k，其中，k可以等于0‑一个区域。用于连接引线的端口(9)位于基板边缘的非敏感区域中。形成传感器敏感区域的n+‑区域(2)具有沿着边缘以一系列凹槽(12)形式的轮廓部分。
Description
技术领域
本发明涉及用于将电离辐射转换成电信号的半导体装置，其测量允许确定伽马、质子、电子和α辐射的辐射强度和接收剂量。特别地，本发明涉及半导体传感元件(传感器或检测器)，以用于各种辐射强度测量系统的二极管或n-i-p二极管矩阵为代表：剂量计，辐射背景超标指示器和辐射计，包括用于单独监测辐射暴露以及用于放射性危险警告。目前，基于p-i-n和n-i-p二极管的传感器随着微电子技术的创新进步而不断得到改进。
背景技术
基于p-i-n二极管的半导体传感器广泛用作粒子计数器和高分辨率粒子能量计(光谱仪)。它们的工作原理基于以下事实：当电离粒子通过传感器(敏感元件)时，引入计数器物质中的电荷被收集在电极上。
半导体计数器的一个重要特征是它们的尺寸小。这不仅在物理实验领域，而且在设备-在工艺控制装置和医学中显着扩大了使用这种传感器的可能性。
已知存在包含n-i-p结构的传感器。这种已知装置解决了光配准(lightregistration)的挑战，因为在元件中使用内部放大，其中非晶硅用作基板(i区)，而p和n区代表多晶硅。因此，这种已知装置是场TFT晶体管(US7514762)的矩阵。
因此，该装置不能将电离辐射转换成电信号，其测量允许确定伽马、质子、电子和α辐射的辐射强度和接收剂量。
现有技术具有使用平面技术制造的半导体p-i-n二极管硅低噪声检测器。它代表了使用平面技术制造检测器的方法，用于采用半导体p-n结检测辐射。然而，所描述的平面半导体二极管的设计具有不同的实施例(US 4442592)。
这种已知装置的缺点是灵敏度低和配准速度低。因此，为了确保整个伽马辐射光谱的有效灵敏度和高配准速度，有必要增加半导体的体积，以增加伽马量子在其中的撞击和散射的可能性，从而提高计算辐射通量粒子的速度。
最接近的是电离辐射的矩阵传感器，它是使用平面技术制成的p-i-n结构，包括由n型电导率的高纯度悬浮区熔炼(FZM)硅制成的高电阻基板，其前(工作)侧具有通过离子注入形成的p区；SiO2掩蔽层；铝涂层；钝化(保护)层。其中至少两个p区域位于基板的中心部分并占据大部分表面区域，形成传感器的敏感区域，并且至少两个p区域以环形元件(保护环)的形式制成，同心地位于基板周边的非敏感区域中，允许降低表面电流幅度并使电位从装置的敏感区域平滑地降低到其周边。SiO2层具有端口(holes)以确保金属(铝涂层)与p区域的接触；位于基板中心部分的P区域上的钝化层具有连接引线(leads)的端口(holes)。在与前表面相对的基板侧上，存在n区域和金属层。
形成传感器敏感区域的p区域的数量等于2n，其中n＝1÷8，其中p区域主要具有矩形形状，并在电流上不相关且面积相等。用于连接引线的端口的数量对应于这些p区域的数量。
用于连接引线的端口位于其不敏感区域中的基板边缘处。其中，构成传感器敏感区域的P区域具有沿着边缘以切口(notches)的形式的截面轮廓，从而确保形成以放置连接引线端口的无源区域。
为了确保金属(铝涂层)与p区接触，端口的总面积不超过传感器敏感区域的1％，以防止铝扩散到硅中。
该装置仅使用单晶硅。特别地，使用高纯度悬浮区熔炼硅的板作为基板(RU2551257原型)。
普通传感器的缺点是辐射背景测量的持续时间长，传感器的尺寸和质量大，灵敏度不足，配准的能量范围有限，并且不能配准各种类型的电离辐射。
发明内容
本发明的目的是开发一种高性能传感器(敏感元件)，用于在能量和通量的宽的范围内配准所有类型的带电粒子和伽马量子的电离辐射。在设计方面，传感器是具有电共用p区域的单个或多个n-i-p二极管。
解决目的、所要求发明集中的技术效果是，减少辐射背景测量时间，显着减小传感器的尺寸和质量，能量配准范围的扩大以及配准各种类型的电离辐射的能力，同时降低噪音并提高传感器的灵敏度。
本发明通过改变二极管极性解决了提高装置效率的目的。众所周知，p-i-n型传感器中的主要配准部件是端口部件；硅中空穴的迁移率小于电子迁移率的三倍。因此，电荷收集时间，或者换句话说，在粒子通过期间发生的电流脉冲的持续时间(如果所有其他条件相同：材料电阻率、施加电压、传感器厚度、外部条件)，对于所要求保护的n-i-p结构传感器比基于p-i-n结构的传感器的原型少三倍。另外，连续脉冲堆积的概率显着降低，因此，本发明解决了可能的计数速度显着(3倍)增加的挑战。该装置设计用于配准除中子辐射之外的任何电离辐射，特别是X射线和低能量伽马辐射以及所有类型的带电粒子(电子，正电子，质子，α粒子，离子等)。配准粒子的能量下限不超过1000eV，实际上由读出电子设备的噪声水平决定。能量配准范围没有上限；对于高能(相对的，能量超过2-2.5个静止质量)粒子，传感器中的能量释放实际上与能量无关，对于厚度为500微米传感器平均电离损耗为388eV/μm，或194keV。
本发明的实质在于电离辐射传感器包括n+-i-p+结构，包括由高电阻轻掺杂单晶基板形式的i区域，所述基板由p型电导率的高纯度悬浮区熔炼硅制成，在其前侧具有至少一个n+区域形式的敏感区，其外表面设有连续的掩蔽二氧化硅涂层，铝涂层和外部钝化层，以及所述基板的反面具有连续形成p+区的高掺杂硅层，和以形成n+-i-p+二极管的指示层的铝涂层，其中在敏感区域周围的基板前表面上的二氧化硅涂层下面至少有一对有间隙的p+和n+保护环；上述二氧化硅涂层制成带有用于使敏感的n+区与铝涂层接触的端口，以及外部钝化层制成带有用于连接引线的端口。
优选地，n+-i-p+二极管的敏感区具有矩阵的形式，其中电流不相关的n+区的数量等于2k，其中k是大于或等于零的整数。
优选地，n+区域是矩形。
优选地，n+区域的面积相等。
优选地，所述传感器的连接引线端口的数量等于n+区域的数量。
优选地，用于连接引线的端口位于与n+-i-p+二极管的敏感区分开的基板的无源区中。
优选地，n+-i-p+二极管的无源区和敏感区通过在基板中形成的凹槽彼此分开。
在特定实施例中，结构元件根据使用接触光刻的平面技术制成。
在特定实施例中，结构元件根据使用投影光刻的平面技术制成。
优选地，在二氧化硅涂层中制成的端口的总面积不超过敏感区的1％，并且选自防止铝扩散到硅中的条件。
优选地，传感器由总数等于4个的p+和n+保护环制成，其中具体的保护环彼此相距一定距离，其在接近基板周边时增加，并且钝化层由磷酸盐-石英玻璃制成。
附图简要说明
通过附图说明本发明，其中：
图1示出了所要求保护的装置的示意图-平面图，具有两个敏感n+区域形成敏感区域的传感器的实施例；图2和3分别表示图1的A-A和B-B剖视图；图4表示图1的C部分放大图。图5表示图4的D-D剖视图。图6示出了传感器的一个实施例，其中其敏感区由8个n区域形成，为平面图；图7示出了图6的E-E剖视图。
图中的位置表示以下对象：1-i区域-具有低掺杂浓度的p型电导率的高电阻硅基板；2-n+区域位于基板的中心部分，形成传感器的敏感区域；3-交替的p+和n+区域，它们是保护环；4-SiO2层(涂层)；5-铝涂层，形成传感器电极之一；6-钝化(保护)磷酸盐-硅酸盐玻璃层(SiO2+Р2О5)；7-用于使金属(铝涂层)与n+区域接触的形成在SiO2层中的端口；8-用于在测试过程中与n+-p区域接触的端口，位于每个矩阵元件的中心部分的n+区域上方的钝化层中；9-用于连接引线的端口；10-位于基板背侧的p+区域；11-基板背侧的铝涂层，形成传感器的第二电极；12-以切口(notches)形式的侧面的n个区域，提供了用于容纳连接引线的端口9的无源区的形成，其中一个被称为阳极(A)，而背侧-阴极(C)。
所述n+-i-p+传感器结构，其基极是双极二极管，基于以下原理：在电子n+电导率的区域2和端口p+电导率的区域10之间存在基板1-具有端口p(正)电导率的未掺杂半导体(i区域)。
具体实施方式
要求保护的电离辐射的矩阵传感器(敏感元件)是使用平面技术制造的n+-i-p+结构(i区域是轻掺杂的受体硅(acceptor silicon))。该传感器包括p型(正)电导率的高纯度悬浮区熔炼(FZM)硅的高电阻基板，在其前(工作)侧有n+区2、3，SiO2层4(涂层)，铝涂层5，磷硅酸盐玻璃(SiO2+P2O5)的钝化(保护)层6。根据其制造技术确定层的厚度，并且通常不大于0.5+-1.1μm。
在基板1的前侧上，有：
·通过离子注入形成的n区域2；
·掩蔽SiO2层(层4)；
·铝涂层5；
·钝化(保护)层6。
其中，至少一个或多个n+区域2位于基板中心部分的前侧，并占据大部分表面区域，形成传感器的敏感区域，以及以环形元件(保护环)3的形式制成的至少两个n+区域和两个p+区域，沿基板1周边同心地位于不敏感区域中，以降低表面电流幅度并使电位从敏感区域平滑地下降到装置周边。
SiO2层4具有端口7，以确保金属(铝涂层)与n区域的接触；位于基板的中心部分的在n区域上的钝化层具有在测试过程中与每个n+-р-区域接触的端口8，和与引线连接的端口9。在与前表面相对的基板1侧上，存在高度掺杂到每立方厘米1020个受体杂质的p+区域厚度为2÷4μm的层10，以及厚度为0.9÷1.1微米的铝涂层11。
用于使金属(铝涂层)与p区域接触的端口7的总面积不超过检测器敏感区的1％，以防止铝扩散到硅中。
形成矩阵(传感器的敏感区域)的n+区域2的数量等于2k，其中，k可以等于0-一个区域，并且上限值由传感器的挑战(challenge)和尺寸确定，并仅受技术工艺能力的限制。其中，n+区域2主要具有矩形形状，与电流无关且面积相等。用于连接引线的端口9的数量对应于p n+区域2的数量。
这种n+区域2的数量可以在1到1024之间变化。敏感独立区域2的具体数量可以更大。仅由降低噪声的合理需要确定该数量，因此增加了读出通道的数量。显然，读出通道数量的增加导致放射量计-辐射计整体的能量消耗增加。因此，在家用电器的情况下，将用作矩阵元件(4或8)的区域2限定为少的数量是合理的；在需要高测量精度的具有大传感器总面积的专业或固定装置的情况下，可以显着增加通道的数量。现代电子市场提供多达128个通道的单晶放大器。
用于连接引线的端口9位于其不敏感区域中的基板边缘处。其中，形成传感器敏感区域的n+区域2具有沿着边缘一排切口(notch)12形式的截面轮廓，从而确保形成用于放置引线连接端口的无源区域。
使金属(铝涂层)与n+区域2接触的端口9的总面积不超过检测器敏感区的1％，以防止铝扩散到硅中。
使用具有3÷12kOhm/cm的比电阻和250÷1000μm的厚度的高纯度悬浮区熔炼(FZM)硅板作为硅基板。选择环形元件(保护环)3的数量等于4(两个n+和两个p+)，彼此相距一定距离，距离在接近基板周边时增加。考虑工艺流程的特性确定来保护环3的数量和配置。保护环系统应确保电位从传感器的有源区域平滑下降到其边缘。以环形元件形式制成的保护环3的至少两个n+区域和两个p+区域沿着基板1周边，位于n+区域2周围的不敏感区域中，并且提供表面电流的减小和电位从装置的敏感区域到其周边的平滑下降。
在传感器的一个实施例中，选择环形元件3的宽度等于25μm，其中选择第一和第二元件3之间的距离等于40μm，第二和第三元件之间的距离为50μm，第三和第四元件之间的距离为70μm，其中第一元件3与敏感p区10的边界隔开40μm的距离。其中，这些参数可以在很宽的范围内变化。在制造传感器时，具体尺寸的精度由制造光刻掩模的精度决定，并且为±0.1μm。
工作表面的尺寸根据板1的尺寸确定，例如，对于直径为150mm的板，可高达102x102mm2，其中有源区域表面的总尺寸为100x100mm2，传感器厚度为250÷1000μm(根据板1的厚度确定)，环形元件3所占区域沿基板1周长不超过1mm。该传感器设计确保实现以下电气特性：40÷200V的反向偏压，实现完全耗尽模式，取决于传感器比电阻和厚度；操作模式的特征在于完全耗尽时的反向偏置；根据完全耗尽电压(VCD)的值确定操作电压：Voper＝VCD+20V；击穿电压，至少-2-VCD；操作电压下的暗电流，不大于-200nA/cm；其中，这些参数是在20±2℃的温度下测量的。
所要求保护的传感器使用平面技术制造，平面技术是一组工艺操作，平面半导体传感器的结构仅在板的一侧上形成，从直径最大为150mm的硅单晶切割。特别地，可以根据接近Kemmer的出版物(Kemmer J.“通过平面工艺制造低噪声硅辐射探测器”(Fabricationof low noise silicon radiation detectors by the planar process)//核仪器和方法)-1980.-V.169.-第499–502页)中所呈现的技术来实施本发明。
平面技术基于不同类型电导率或近壁层中相同类型的不同杂质浓度的区域的基板，这些区域一起形成传感器的结构。通过将杂质局部穿过光刻形成的掩模(通常由SiO2膜制成)引入基板(通过气相扩散或通过离子注入)产生结构区域。通过始终如一地进行氧化(产生SiO2膜)、光刻和引入杂质的过程，我们可以产生任何所需构型的掺杂区域，以及不同导电类型(或不同杂质浓度)的区域。平面技术使得可以在单个板上和在单独工艺过程中同时产生大量(高达数百甚至数千)相同的离散的半导体装置(例如，传感器)或集成电路。批量处理以相对低的产品成本提供了良好的装置参数再现性和高性能。
电离辐射传感器操作如下。
传感器操作基于以下原理：当施加反向偏置电压时，i区域被载流子完全耗尽，并且二极管停止通过电流(被锁定)。基本上，在反向偏压的情况下，由于没有自由电荷载流子，i区域是绝缘体，并且流动电流的幅度变得可以忽略不计。
当通过i区域时，电离辐射(量子)沿其轨迹产生电离云，从而形成电子-空穴对。进入电场后，电荷载流子开始移动到高掺杂的p+和n+区域10和2，产生可以通过外部电路检测的电流脉冲。双二极管(bipolar diode)的电导率取决于入射辐射的波长、强度和调制频率。
进入传感器材料的X射线和低能伽马辐射的量子与它相互作用，这导致光电子、康普顿电子或电子-正电子对的诞生(取决于入射量子能量)。该过程的概率为1÷3％，但考虑到检测带电粒子(电子、正电子、质子、α粒子等)的概率为1的事实，即使在1÷2分钟的测量中精度至少为20％的背景水平下，也足以确保电离伽马辐射的充分配准(registration)。带电粒子穿透传感器的敏感区域，在其中产生电子-空穴对。在施加到半导体传感器的电场的作用下，电荷载流子(电子)被“分解”并移动到电极。结果，在半导体检测器的外部电路中发生电脉冲，该电脉冲由电荷敏感前置放大器配准，在其输出端转换成电压降，然后传输到信号处理单元(未示出)。
为了测试传感器性能，创建了具有2、4和8个矩阵元件(区域2)的原型，其中半导体传感器(检测器)是采用平面技术在高纯度FZM硅基板上制成的单侧结构形式的高压n+-i-p+二极管，比电阻率为：3÷4kOhm/cm，尺寸为12×12mm，厚度为450μm。平坦信号n+-р-结是离子注入具有高浓度的磷原子的n+区域。围绕占据大部分基板(有源区尺寸为10×10mm，其中每个p区的尺寸分别为50、25和12.5mm2)的平坦信号n+-р-结，存在与位于基板中心部分的平坦信号n+-р-结的相似方式制成的保护环р+-р-和n+-р-结。保护环占据的区域沿周长不超过1毫米。金属电极由铝制成。与前表面相对的基板侧上，存在厚度为2÷4μm的高度掺杂层р+-10(每cm3受体杂质原子至1020个)和厚度为0.9÷1.1μm的铝涂层11的层。
当使用平面技术制造传感器时，使用一组5个接触光刻掩模，第一个是用于形成n+区域的光掩模；第二个-用于形成保护高掺杂同心p+区域；第三个-用于沿着板的前侧的周边形成与二极管的n+区域和保护环的接触；第四个-用于A1金属涂层，第五个-用于形成与金属涂层的接触。基型(pattern)按其在过程中的使用顺序列出。其中，在第一和第二光掩模中，周边环的最小宽度为25μm；在用于沿着板前侧的周边形成与n+二极管和保护环接触的第三个光掩模中，最小接触尺寸为：-25x25μm2；沿着周边至保护环-10x40和40x10μm2；在用于A1金属涂层的第四光掩模中，沿二极管周边的环的最小宽度为20μm；用于形成与中心金属涂层区域的接触的第五光掩模的尺寸并不重要。
制造的装置具有以下电气特性：
操作模式-完全耗尽时的反向偏置。
操作电压根据完全耗尽电压VCD的值确定：Voper＝VCD+20V；
击穿电压不低于2-VCD；
操作电压下的暗电流不大于200nA/cm2；
所有测量均在20±2℃的温度下进行。在板上，有测试结构通过四点法确定p区的比电阻。没有设想连接保护环-它们的主要任务是防止出现表面电流由于感应电位而从n+区域到传感器边缘。
从所述示例可以看出，本发明的实施方式减少了辐射背景测量时间，显着减小了传感器的尺寸和质量，扩大了配准能量的范围，并且配准各种类型的电离辐射的能力，同时降低噪声并增加传感器的灵敏度。
传感器对所有类型的电离辐射都很敏感，但中子除外；检测到的粒子的能量下限不超过1000eV，并且实际上根据读出电子设备的噪声水平确定。能量配准范围没有上限；对于高能(相对的，能量超过2-2.5个静止质量)单电荷粒子，传感器中的能量释放实际上与能量无关，平均电离损耗为388eV/μm，或194keV-对于厚度为500μm传感器。多电荷离子释放的能量与电荷的平方成正比。对这一级别的信号进行配准对于现代电子设备来说并不困难。
使用平面技术制造电离辐射传感器的方法包括制造一组5个接触(或投影)光刻掩模，第一个是用于形成n+区域的光掩模，第二个用于形成p+保护元件，第三-用于沿着板的前侧的周边形成与二极管的n+区域和保护环的接触，第四-用于A1金属涂层，第五-用于形成与金属涂层的接触。
根据本发明制造的传感器可用于各种便携式自主装置，其设计用于配准和/或测量电离辐射。其中，传感器尺寸小，工作温度范围宽，计数速度和灵敏度高，抗辐射能力强，测量范围广，无需定期维护，低功耗，低压电源和低噪声性能。
Claims (12)
1.一种电离辐射传感器，包括n+-i-p+结构，其特征在于，包括由高电阻轻掺杂单晶基板形式的i区域，所述基板由p型电导率的高纯度悬浮区熔炼硅制成，其前侧具有至少一个n+区域形式的敏感区，其外表面设有连续的掩蔽二氧化硅涂层、铝涂层和外部钝化层，以及所述基板的反面具有连续的形成p+区的高掺杂硅层，和用来形成n+-i-p+指示层的铝涂层，其中在敏感区域周围的基板前表面上的二氧化硅涂层下面至少有一对有间隙的p+和n+保护环；所述的二氧化硅涂层制成带有端口，用于使敏感的n+区与铝涂层接触，外部钝化层制成带有端口，用于连接引线。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，n+-i-p+二极管的敏感区具有矩阵的形式，其中电流不相关的n+区的数量等于2k，其中k是大于或等于零的整数。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述n+区域是矩形的。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的传感器，其特征在于，其中n+区域的面积相等。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有与n+区的数量相等的连接引线端口的数量。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其特征在于，用于连接引线的端口位于与n+-i-p+二极管的敏感区隔开的基板的无源区中。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述n+-i-p+二极管的所述无源区和所述敏感区通过在基板中形成的凹槽彼此分开。
8.根据权利要求1-3、7中任一项所述的传感器，其特征在于，根据使用接触光刻的平面技术制成结构元件。
9.根据权利要求1-3、7中任一项所述的传感器，其特征在于，根据使用投影光刻的平面技术制成结构元件。
10.根据权利要求1-3、7中任一项所述的传感器，其特征在于，在二氧化硅涂层中制造的端口的总面积不超过敏感区的1％，并且从防止铝扩散到硅中的条件中选择。
11.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有总数等于4的p+和n+保护环，其中所述指定的保护环彼此相距一定距离，所述保护环在接近所述基板周边时增加。
12.根据权利要求1-3、7、11中任一项的传感器，其特征在于，所述钝化层由磷酸盐-石英玻璃制成。
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