CN111279493A - 电离辐射和电离粒子的集成传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种具有后侧偏置电极和后侧结的电离辐射和/或电离粒子的半导体传感器，用于将半导体衬底完全耗尽至载流子收集区，每个载流子收集区连接至衬底中通过电离产生的载流子的各个收集电极。与现有的传感器不同，本公开的传感器具有形成在衬底上的中间半导体层，该中间半导体层的掺杂剂浓度大于衬底的掺杂剂浓度，并且具有相同类型的掺杂。在该中间层中，形成彼此隔离的相反类型的掩埋掺杂区，用于屏蔽其中限定了读出电路的浅表区。

Description

电离辐射和电离粒子的集成传感器
技术领域
本公开涉及一种用于感测辐射和/或致电离粒子的装置。特别地，本公开涉及具有反向偏置的PIN二极管的完全耗尽的集成半导体传感器，该PIN二极管收集由辐射或致电离粒子的入射束产生的载流子。
背景技术
反向偏置的PIN二极管可收集由辐射或致电离粒子的入射束产生的载流子，并可用于检测此类辐射和粒子。对于以一维或二维阵列形式被布置在芯片上的PIN二极管，存在将它们连接至读出电路进行检测的不同方法。一种方法是将读出电路放在单独的集成电路上，然后将该芯片压焊到仅包含PIN二极管的传感器芯片上。另一个是将全部或至少大部分的读出电路与二极管集成在同一芯片上。
通常，PIN二极管的结是通过在其晶圆前侧扩散而形成的，读出电路形成在阱中，该阱的导电类型与衬底相同，并且非常靠近二极管的结。为了将场线从包含读出电路的阱转移至与收集载流子的PIN二极管相连的载流子收集电极，该阱需要高偏压以便收集入射辐射产生的大部分电荷。为了使该偏压保持在合理的范围内，收集电极被制成相对于阱相当大。这可能会导致芯片上面积的明显减小和(空间)分辨率的显著降低。
现有技术用于检测具有空间分辨率的电离辐射主要基于所谓的混合方法(用于读取的芯片+具有传感器的芯片)。对于成本和性能(低寄生电容，因电子噪声较小)而言，单片方法(整体方法)的出现更为便捷。
为了最大程度地收集通过电离辐射或电离粒子经整个半导体传感器而产生的载流子，将传感器设计为具有耗尽区，该耗尽区部分或完全覆盖从衬底到收集电极的传感器厚度。在整个耗尽区中，与在非耗尽区中相比，由辐射产生的载流子重组的可能性降低，因此传感器的灵敏度得以提高。
图1中示出了部分耗尽的传感器，其中在感测二极管周围的耗尽区被突出示出。由电离辐射或电离粒子(粒子)产生的载流子(在所示示例中为电子)在外延层中游移(wander)，直至达到耗尽区，然后将载流子迅速带到集电二极管。读出电路被集成在同一衬底中，示意性地表示为晶体管NMOS和PMOS，以形成在相反类型的掺杂阱中，为了防止由收集二极管收集的电荷再结合。
部分耗尽的传感器具有较小的寄生电容，因此产生较小的电子噪声。然而，通过扩散仅收集部分产生的载流子，因此收集该载流子相对缓慢且效率低下。此外，载流子的收集取决于入射的电离辐射或粒子相对于收集二极管的位置。
为了克服这些限制，已经提出了完全耗尽的传感器。这种单片集成传感器示出性地如图2所示。这些传感器包括与完全耗尽的同一半导体层上的收集二极管整体集成的其他电路。从传感器的前侧施加耗尽集成有收集二极管的层，用于耗尽该层所需的反向电压，因此耗尽区的厚度受到限制，因为不可能施加较大的反向电压而不影响在芯片同一侧上的其他前端集成电路的功能。
在US 8,901,690中公开了一种使用具有相对高的电阻率的厚衬底层的类似方法，该方法在图3中示出。其基本上包括形成在轻掺杂N-衬底102下方的重掺杂偏置层104。该重掺杂偏置层104被限定在该衬底102的后侧的上，以形成有助于完全耗尽的衬底102的P-N结。在该衬底102中，存在与载流子收集电极103耦合的P掺杂区103b和103c，以及用于从通过电离辐射和/或粒子电离而在衬底102中产生的载流子屏蔽其他电子电路106的掺杂保护环105b。通过在装置(108、109)的前侧施加反向电压，在衬底102中形成耗尽区。通过电离辐射或粒子形成的空穴穿过耗尽区110并迅速输送至载流子收集电极103。
在现有技术US5,465,002中公开了另一种电离辐射或粒子的传感器，并且在图4A和4B中示意性地示出了该传感器。当电离辐射或粒子被射入时，由此产生的大部分电荷被前侧收集电极18收集。为了收集最大可能的产生电荷量，该装置具有为了形成后侧结而与重掺杂偏置层接触的后侧电极(金属层22)。该耗尽层从衬底的后侧开始，并随着偏压的增加而向上延伸到块体(bulk)中。在耗尽层内部的所有流线30应终止于收集电极18，而不是包含读出电路的阱20上。为此，对阱20施加偏压，以排斥流向前侧表面的载流子，从而将其转移到收集电极18。
具有后侧结的优点在于，可以具有完全耗尽的衬底，而不必在前侧，更确切地说在阱20和收集电极18之间施加太大的反向电压，因此可以使用低压电子电路。然而，需要具有相对较大的反电压以便完全耗尽的衬底，并且同时需要通过在后侧电极22和的阱20之间的穿通效应(punch-through effect)来防止电流流动，以屏蔽前端的电子电路。后者需求与前者需求形成对比，因为用深亚微米技术实现的电子电路无法承受较大的反向电压。
申请人对图4B所示类型的传感器进行的仿真突显了这一缺点，其厚度和掺杂剂浓度如图5所示。已经考虑了具有厚度为300μm的硅晶圆，其中n型衬底掺杂有浓度为2.5·1012cm-3的磷。图6A，6B以及6C示出了该传感器中电势分布的模拟结果，这些模拟结果是通过形成的前侧电子电路的表面p掺杂区PWELL保持在0V处，是通过对定义于n型收集区NWELL的收集电极施加正电压，以及是通过扫描(sweeping)后侧电压至-120V而获得模拟结果。如图6A至图6C所示，从后侧的耗尽区到达前侧表面并且与前侧表面掺杂区PWELL和NWELL的耗尽区合并，当没有正电施加在该载流子收集区NWELL时，也产生穿通效应。
为了在不引起穿通效应的情况下完全耗尽衬底直到载流子收集区NWELL，必须在该载流子收集区NWELL上施加正电压。如图7的曲线图所示，当该区NWELL处的电压增加(保持区PWELL处的电压为零)时，对于后侧偏置电压(耗尽电压)，达到了直到区NWELL的衬底的完全耗尽。该后侧偏置电压的绝对值小于穿通效应开始时的后侧电压(穿通电压)。从图7可以推断出，仅当区NWELL的偏置电压足以在耗尽电压和穿通电压之间(即NWELL区和PWELL区之间的偏置电压差约为10V)引起几十伏的差值时，才可以使用图5所示的现有传感器。在考虑将载流子收集区NWELL与在p掺杂区PWELL中形成的低压前端电子电路直接连接的装置中，该偏压差太大。
发明内容
已发现一种具有后侧偏置电极和后侧结的电离辐射和/或电离粒子的半导体传感器，用于将半导体衬底完全耗尽至载流子收集区，每个载流子收集区连接至衬底中通过电离产生的载流子的相应收集电极。
与现有的传感器不同，本公开的传感器具有形成在衬底上的中间半导体层，所述中间半导体层的掺杂剂浓度大于衬底的掺杂剂浓度，并且两者具有相同类型的掺杂。在该中间层中，形成与中间层相反类型的彼此隔离的掩埋掺杂区，用于屏蔽其中限定了读出电路的浅表区。
半导体传感器在所附权利要求中限定。
提交的权利要求是本说明书的组成部分，并且通过引用结合在此。
附图说明
图1示出了现有技术的电离辐射或粒子的传感器，其具有围绕载流子收集结的部分耗尽的衬底区(表示为白色空腔)。
图2示出了具有完全耗尽的衬底的电离辐射或粒子的现有传感器，该衬底包括与载流子收集结单片集成的其他电路。
图3示出了具有厚度的衬底层的电离辐射或粒子的现有传感器，该衬底层也具有较大的电阻率，其被完全耗尽以更好地检测由电离产生的载流子。
图4A示出了具有后侧金属电极的电离辐射或粒子的现有传感器。
图4B示意性地示出了图4A的现有传感器中载流子的漂移路径。
图5为构成图4B的半导体传感器的区/层的厚度和掺杂剂浓度的示例性示图。
图6A至图6C示出了当反向偏置电压分别为-40V，-80V以及-120V时图5的传感器中的静电势的分布。
图7为偏置电压的组合的曲线图，在该电压下衬底和中间层完全耗尽直到收集结，并且在衬底和中间层之间达到穿通开始。
图8A和8B示意性地示出了根据本公开的两个电离辐射或粒子的半导体传感器。
图9为在不同掺杂剂浓度和中间层的不同厚度下图8A的传感器中的穿通电压和耗尽电压的图。
图10示意性地示出了图8A的半导体传感器，其中，读出的电子电路被配置为以单个可读像素(singularly readable pixels)的阵列的行和列的形式，并与外围电子电路集成在同一衬底上。
具体实施方式
在现有的传感器中，衬底的耗尽区达到载流子收集区的后侧电压(耗尽电压)与含有读出电子电路或其他外围电子电路的掺杂浅表区开始的穿通效应的后侧电压(穿通电压)之间存在很小的差异。为了增加这种差异，在现有的传感器中，包含电子电路的掺杂的浅表区被偏置以将载流子转向载流子收集区。这不能在相对较小的传感器(在该传感器中，只有当偏置电压约为1V时，载流子收集区才能直接连接至读出的电子电路)中安全地完成。此外，衬底的电阻率相对较大，因此在其中形成外围电子电路的掺杂区的边界处的势垒相对较低，并且载流子可从中流过。
在图8A和8B中示出了根据本公开的电离辐射或粒子的两个半导体传感器，分别具有N型衬底1和P型衬底1。所示出的结构是另一种的双重形式，出于清楚的原因而按比例表示，并且可以根据需要在半导体晶圆上复制多次，以实现多个载流子收集电极。
本公开的传感器具有半导体衬底1,该半导体衬底1典型地具有轻(浅)掺杂，其中通过电离辐射或撞击在衬底1上的粒子而产生载流子。在衬底1的后侧上，形成高掺杂的偏置半导体层2。在该偏置层2的表面(与衬底1的界面相反)上形成有未在图8A和8B中示出的后侧偏置电极。该偏置层2比衬底1相比,更薄并且掺杂更重(高/多)，从而节省空间并且以相对小的反向偏置电压来耗尽衬底1。
根据本公开的一方面，在衬底1的前侧上限定了与衬底1相同类型并且具有比衬底1更多(高)的掺杂的中间半导体掺杂层3。在该中间掺杂层3中，其功能在随后的描述中将更加清晰，被限定为彼此隔离的相反类型的掩埋区4，其中限定了具有读出电子电路(例如，如在图中示意性指示的CMOS读出电路)的p型5p和n型5n的掺杂表面(浅表)区。在分隔两个掩埋区4的中间掺杂层3的表面部分中，形成掺杂收集区6，以使其与p型5p和n型5n的掺杂表面区相距一定间距。收集区6连接至未在图8A和8B中示出的各个收集电极。
通过在后侧偏压电极和收集电极之间施加适当的反向电压，该偏置层2从后侧耗尽衬底1，并且载流子收集区6从前侧耗尽中间层3在掩埋区4和衬底1之间的部分。因此，形成了从衬底1至载流子收集区6的完全耗尽的区。
即使在载流子收集区6与掺杂区4以及5p，5n之间的电压差约为1V，本公开的装置也能够提供优异的性能。
在图8A和8B所示的优选实施例中，载流子收集区6在中间层3中沿中间层3的深度延伸,并且该延伸的深度小于掺杂掩埋区4的深度，该掺杂掩埋区4从装置的前侧获得更大的深度。中间半导体层3比衬底1更重(多)掺杂，并且与掩埋掺杂区4具有相反的掺杂类型。假设在载流子收集区6和掩埋掺杂区4之间存在相对较小的电压差，则在与中间半导体层3的界面处的掺杂区4和5p、5n周围的势垒保持足够高以防止即使在完全耗尽的条件下(即当载流子收集区6与衬底1的底部之间的半导体部分被完全耗尽时)载流子从其流经。随着载流子收集区6与衬底1之间的反向偏置电压的进一步增加超过达到完全耗尽条件的值，将开始产生穿通效应，但是该进一步的电压增量相对较大。
作为图中未示出的次优选的替代实施例，载流子收集区6可以在中间层3中作为掺杂的掩埋区4沿其深度上延伸。最终的传感器仍将工作，尽管它具有更大的电容，也会受到增强的电子噪声的影响。
对于各种掺杂剂浓度和中间层3从衬底1到衬底1的自由的前表面的整个厚度，图9示出了达到完全耗尽条件的后侧偏置电压DEP和开始穿通效应的后侧偏置电压PT的曲线图。该图指的是其中中间层3外延生长在衬底2上的优选实施例，但是如果通过扩散或通过衬底1的前侧注入实现中间层3，则可以获得类似的图。所示出的箭头表示在达到完全耗尽条件时的所述后侧反向电压值和开始的穿通效应的反向电压值之间的差值。外延层的掺杂越大，耗尽电压DEP和穿通电压PT之间的间隔越大。
在其操作期间，传感器可被偏置在电压DEP和PT之间的任何电压下(即在箭头标记的区中)。如果该工作电压间隔足够大，则可以容许衬底掺杂和厚度的局部变化。例如，如果由于掺杂的不均匀性，到外延层边缘的衬底的完全耗尽变化了20V，但是允许的工作区间隔为40V，那么仍然可以找到适合整个装置的偏置电压。
如果中间层3的总厚度大于7μm，则仅在偏置层2的反向后侧电压超过50V(达到完全耗尽条件下)时，在中间层3中具有1014cm-3的掺杂剂浓度就足以使穿通效应开始。因此，在掺杂有合理值的掺杂剂浓度的相对较薄的中间层3的情况下，可以针对参与的任何功能条件对所公开的传感器进行偏置。
图10示出了对应于图8A的实施例的本公开的传感器，其中在掺杂的浅表区5p、5n(以单个可读像素的阵列中的行和列的形式被布置)中形成读出电子电路。外围电子电路集成在同一晶圆上，并形成在p型9p和n型9n的相应的掺杂浅表区中，该p型表面9p和n型9n形成在掩埋掺杂区8上，该掩埋掺杂区8被限定在中间半导体层3的深度中。后侧金属电极7“投射地”(projectively)位于像素阵列下方，以便不干扰区9p，9n中的外围电子电路。为了使外围电子电路免受载流到收集区6的载流子的影响，至少有一个前侧保护环10和/或后侧保护环，该前侧保护环10由中间层3中的浅表扩散10构成和与收集区6的掺杂类型相同，该后侧保护环包括后侧掺杂的浅表区11和相应的保护电极12。
后侧层/区和电极可以在完成前侧电子装置之后通过后侧处理来实现，从而尽可能地限制了适用的温度。可以通过由激光器执行的快速热退火工艺来激活注入的掺杂剂。
下表总结了图8A中所示的传感器厚度和掺杂剂浓度的示例值：
Figure BDA0002469897200000061
Figure BDA0002469897200000071
所公开的传感器可以通过包括要在半导体晶圆的两个面上进行的步骤的工艺来制造。对于光学、紫外线以及X射线传感应用，可以优化传感器后侧的特性。此外，可以例如通过在传感器的前侧部分或传感器的后侧部分或传感器的前侧和后侧部分中添加层来实现滤波器，以提高参与光谱区的传输效率。

Claims (8)

1.一种电离辐射和/或粒子的半导体传感器，其特征在于，包括：
衬底(1)，所述衬底(1)具有第一掺杂的半导体材料；
偏置层(2)，所述偏置层(2)形成在所述衬底(1)的后侧上，具有与所述第一掺杂类型相反的第二掺杂类型；
后侧偏置电极(7)，所述后侧偏置电极(7)形成在所述偏置层(2)的自由表面上，所述自由表面为与所述衬底(1)接触的所述偏置层(2)的表面相对的表面；
中间层(3)，所述中间层(3)形成在所述衬底(1)的前侧上，所述中间层(3)具有比所述第一掺杂大的第三掺杂，并且两者为相同类型；
第一掺杂掩埋区(4),多个所述第一掺杂掩埋区(4)在所述中间层(3)沿其深度形成，通过所述中间层(3)的间隔部分将多个第一掺杂掩埋区(4)彼此间隔，所述掺杂掩埋区(4)具有第四掺杂，所述第四掺杂的类型与所述第一掺杂的类型相反；
载流子收集区(6)，所述载流子收集区(6)形成在中间层(3)的所述间隔部分的前侧中，由所述中间层(3)完全围绕并且与所述掺杂掩埋区(4)相距一定间距，所述收集区(6)具有比所述第三掺杂更大的第五掺杂，并且两者为相同类型；并且所述收集区(6)在所述中间层(3)中沿其深度延伸但不超过所述掺杂掩埋区(4)；
收集电极，每个所述收集电极形成在所述载流子收集区(6)的相应区的前侧上；
第一掺杂浅表层区(5p、5n)，所述第一掺杂浅表层区(5p，5n)在所述第一掺杂掩埋区(4)上形成并直至所述中间层(3)的前侧；
读出电子电路，所述读出电子电路被限定在所述第一掺杂浅表区(5p、5n)的前侧，所述读出电子电路具有与所述收集电极功能性连接的电端子，以检测通过电离辐射和/或粒子电离至所述衬底(1)而产生由所述收集区(6)收集的载流子。
2.根据权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于，所述载流子收集区(6)在所述中间层(3)中沿其深度延伸，但不超过所述掺杂掩埋区(4)。
3.根据权利要求2所述的半导体传感器，其特征在于：
所述中间层(3)在所述衬底(1)上延伸至所述第一掺杂掩埋区(4)，所述第一掺杂掩埋区(4)的厚度范围在1μm至6μm之间，并且在所述衬底(1)上延伸至所述载流子收集区(6)，所述载流子收集区(6)的厚度范围在1μm至8μm之间；
所述衬底(1)的厚度范围在50μm至500μm之间；
所述第一掺杂的掺杂剂浓度范围在1011和1013之间，所述第三掺杂的掺杂剂浓度范围在5·1013和1016之间。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的半导体传感器，其特征在于，所述读出电子电路被组织为单个可读像素的阵列的行和列。
5.根据权利要求4所述的半导体传感器，其特征在于，包括：
前侧掺杂保护环(10)，所述前侧掺杂保护环(10)形成在中间层(3)的前侧中，以包围所有所述单个可读像素阵列；
第二掺杂掩埋区(8)，所述第二掺杂掩埋区(8)在所述掺杂保护环(10)之外的所述中间层(3)中沿其深度形成；
第二掺杂浅表层区(9p，9n)，所述第二掺杂浅表层区(9p、9n)形成在所述第二掺杂掩埋区(8)上直至所述中间层(3)的前侧；
外围电子电路，所述外围电子电路被限定在所述第二掺杂浅表层区区(9p、9n)的前侧，所述第二掺杂浅表层区(9p，9n)与所述单个可读像素阵列的电端子功能性连接。
6.根据权利要求5所述的半导体传感器，其特征在于，包括：
后侧掺杂的保护环(11)，所述后侧掺杂的保护环(11)形成在衬底(1)的后侧，以投射地包围所有所述的单个可读像素阵列。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体传感器，其特征在于，所述偏置层(2)在所述衬底(1)的下方延伸；所述衬底(1)的厚度范围为50μm～500μm；第二掺杂的掺杂剂浓度范围为5·1017～1020。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体传感器，其特征在于，所述中间层(3)为在所述衬底(1)上生长的掺杂的外延层或者为在所述衬底(1)上限定的掺杂的阱。
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