CN111525002B - 硅漂移探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本说明书提供一种硅漂移探测器的制备方法，包括沉积步骤；所述沉积步骤包括：以四氟化锗、高阶硅烷和掺杂剂硅烷作为反应气体，采用化学气相沉积工艺在具有钝化膜的硅衬底上沉积重掺杂锗薄膜，使重掺杂锗薄膜在硅衬底的对应区域形成功能区。因为高阶硅烷能够在较低温情况下被激活而与四氟化锗反应，所以在锗薄膜形成过程中可以采用低温工艺，而低温工艺可以避免扩散工艺和离散注入工艺中的高温对硅衬底的损伤，有利于获得较高的体寿命，提高硅漂移探测器的能量分辨率。
Description
技术领域
本说明书涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种硅漂移探测器的制备方法。
背景技术
漂移探测器是用于检测高能射线的半导体探测器(一般情况下的漂移探测器均为硅基探测器)。在漂移探测器工作时，其中的漂移环使得衬底处在完全耗尽状态，高能射线经过入射窗口在衬形成的多数载流子沿着器件表面的方向漂移至收集电极并被收集起来。
当前的硅漂移探测器的制备工艺中，其采用离子注入方式实现相应功能区域的掺杂。离子注入的方法虽然可以较为精确的控制掺杂剂的浓度和形成的掺杂深度，但是其也存在相应的缺点：(1)离子注入过程中，高能离子会造成硅衬底表面损伤；为了修复损伤，需要采用高温退火工艺进行修复，但是并不能完全修复；(2)硼离子注入后需要较高的温度进行激活，激活温度约为1000℃；但是高温激活工艺会造成硅衬底质量劣化；(3)离子注入形成的最小结深为40nm，大于目前需求的超浅结的深度工艺需求，这一深度造成超浅结的制备工艺难度较大；采用离子注入工艺加工形成的漂移探测器不利于低能量X射线的探测：(4)离子注入后的激活过程中，掺杂原子存在横向扩展的现象，使得硅漂移探测器漂移环的图像化尺寸增大。
发明内容
本说明书提供一种硅漂移探测器的制备方法，包括沉积步骤；
所述沉积步骤包括：以四氟化锗、高阶硅烷和掺杂剂化合物作为反应气体，采用化学气相沉积工艺在具有钝化膜的硅衬底上沉积重掺杂锗薄膜，使重掺杂锗薄膜在硅衬底的对应区域形成功能区。
可选地，所述对应区域包括位于硅衬底正面的集电电极和接地环；
所述制备方法包括：采用图形化工艺和刻蚀工艺在所述硅衬底的正面钝化膜上开设集电电极窗口和接地环窗口：
所述沉积步骤包括：采用四氟化锗、高阶硅烷和磷烷作为反应气体，在硅衬底表面沉积形成N重掺杂锗薄膜；
所述制备方法还包括：去除除所述集电电极窗口和所述接地环窗口区域之外的N重掺杂锗薄膜。
可选地，在去除除所述集电电极窗口和所述接地环窗口区域之外的N重掺杂锗薄膜后，所述制备方法还包括：采用图形化工艺和刻蚀工艺在所述硅衬底的正面钝化膜上开设漂移环窗口和保护环窗口，以及在所述硅衬底的入射面钝化膜上开设入射窗口和保护环窗口；
所述沉积步骤包括：采用四氟化锗、高阶硅烷和乙硼烷作为反应气体，在硅衬底表面沉积形成P重掺杂锗薄膜。
可选地，在沉积形成P重掺杂锗薄膜后，还包括：
采用图形化工艺形成对应所述集电电极窗口和最内侧所述漂移环窗口之间钝化膜的刻蚀窗口，以及对应所述保护环所在区域钝化膜的刻蚀窗口；
采用刻蚀工艺去除所述集电电极窗口和最内侧所述漂移环窗口之间钝化膜上的P重掺杂锗薄膜，以及所述保护环所在区域钝化膜上的P重掺杂锗薄膜。
可选地，在沉积形成所述P重掺杂锗薄膜后，还包括：
去除除集电电极窗口、接地环窗口、漂移环窗口、保护环窗口和入射窗口区域之外的P重掺杂锗薄膜；
在所述漂移环窗口之间的钝化膜上制备分压器。
可选地，所述N重掺杂锗薄膜的厚度为10～30nm，掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3；所述P重掺杂锗薄膜的厚度为10～50nm，掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3。
可选地，所述高阶硅烷为SinH2n+2，2<n<6。
可选地，所述钝化膜采用下述步骤形成：
将硅衬底浸泡在HF后，采用硝酸氧化形成隧穿氧化硅薄膜；
采用原子层沉积工艺在隧穿氧化硅薄膜上生长氧化铝薄膜；
采用CVD工艺在氧化铝薄膜的表面生长氧化硅薄膜；
所述隧穿氧化硅薄膜、所述氧化铝薄膜和所述氧化硅薄膜组成所述钝化膜。
可选地，所述隧穿氧化物薄层厚度小于1.5nm，所述的氧化铝薄膜厚度为2.0～8.0nm；所述氧化硅薄膜厚度在400～600nm。
可选地，所述钝化膜采用下属步骤形成：
采用CVD工艺在硅衬底的表面生长本征非晶硅薄膜；
采用原子层沉积工艺在本征非晶硅薄膜上生长氧化铝薄膜；
采用CVD工艺在氧化铝薄膜的表面生长氧化硅薄膜；
所述本征非晶硅薄膜、所述氧化铝薄膜和所述氧化硅薄膜组成所述钝化膜。
因为高阶硅烷能够在较低温情况下被激活而与四氟化锗反应，所以再锗薄膜形成过程中可以采用低温工艺，而低温工艺可以避免扩散工艺和离散注入工艺中的高温对硅衬底的损伤，有利于获得较高的体寿命，提高硅漂移探测器的能量分辨率。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1是本实施例方法加工形成的硅漂移探测器的截面示意图；
图2是实施例提供的硅漂移探测器的制备方法流程图；
其中：11-硅衬底，12-钝化膜，13-集电电极，14-漂移环，15-保护环，16-接地环，17-入射窗口电极。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
图1是实施例提供的硅漂移探测器的结截面示意图。如图1所示，本实施例中提供的硅漂移探测器包括N型掺杂的硅衬底11、设置在硅衬底11两个表面的钝化膜12和功能区域。
功能区包括设置在硅漂移探测器一面上的N型重掺杂集电电极13、P型重掺杂漂移环14、P型重掺杂的保护环15、N型重掺杂的接地环16以及设置在相邻漂移环14之间的分压器，功能区还包括设置在硅漂移探测器另一面上的P型重掺杂入射窗口电极17、P型重掺杂保护环15。
硅漂移探测器使用时，由靠近阳极的漂移环14到远离阳极的漂移环14，各个漂移环14的电压逐渐地减小，入射窗口也连通正电压，使得硅漂移探测器的漂移区域形成漂移电场。经由入射窗口进入到衬底中X射线照射电子而使得硅衬底11形成电子空穴对，电子空穴对中的空穴被经由漂移环14传递的电子快速的消耗，电子在电场作用下向集电集电极区域移动，并被集电电极13收集。
本说明书实施例提供一种硅漂移探测器的制备方法，为了避免出现如背景技术中提及的离子注入工艺造成的硅衬底11性能恶化等问题，本实施例中各种功能区的重掺杂部分均采用沉积步骤实现。
沉积步骤包括：以四氟化锗、高阶硅烷和掺杂剂化合物作为反应气体，采用化学气相沉积工艺在具有钝化膜12的衬底上沉积重掺杂锗薄膜，以使得重掺杂锗薄膜在硅衬底11对应的区域形成功能区。
具体的，前述沉积步骤在低温区域实现(温度在300-400℃)。因为高阶硅烷相比于硅烷和乙硅烷具有更强的还原性，因此其与四氟化锗反应时需要的反应物温度相比于其他气体需要的反应温度更低；在沉积过程中，只需要提供维持氧化还原反应正常进行的温度，即可以实现锗薄膜的外延生长。
如前所述，因为形成锗薄膜的温度相比于离子注入后的退火温度很低，所以采用此工艺形成锗薄膜过程中不会使硅衬底11暴露在高温环境(诸如1000℃)，因此硅衬底11性能不会出现严重退化的问题。此外，本实施中锗薄膜的厚度可以通过反应时间和反应速率控制，所以可以形成超浅结，继而更利于低能量X射线的探测。
图2是实施例提供的硅漂移探测器的制备方法流程图。以下结合体图2，就如何结合其他工艺和前述的沉积工艺制备硅漂移探测器做介绍。如图2所示，本实施例提供的制备方法包括步骤S101-S109。
S101：在硅衬底11上形成钝化膜12。
本实施例中，形成钝化膜12的工艺可以采用常规的热氧化工艺，也可以采用其他各种工艺；考虑到在加工过程中尽可能地减小施加在衬底上的温度，本实施例提供如下两种形成钝化膜12的工艺。
第一种形成钝化膜的工艺
第一种形成钝化膜12的工艺包括步骤S1011-S1013。
S1011：将硅衬底11浸泡在HF后，采用硝酸氧化形成隧穿氧化硅薄膜。
具体实施中，隧穿氧化硅薄膜的厚度可以小于1.5nm。
S1012：采用原子层沉积工艺在隧穿氧化硅薄膜上生长氧化铝薄膜。
步骤S1012形成的氧化铝薄膜的厚度可以在2.0～8.0nm。氧化铝薄膜中具有固定的负电荷。
S1013：在氧化铝薄膜的表面生长氧化硅薄膜。
步骤S1013中，可以采用PECVD工艺生长氧化硅薄膜。氧化硅薄膜的厚度可以为400～600nm。
第二种形成钝化膜的工艺
第二种形成钝化膜12的工艺包括步骤S1014-S1016。
S1014：在硅衬底11表面生长本征非晶硅薄膜。
步骤S1014中，可以采用CVD工艺生成本征非晶硅薄膜。本征非晶硅薄膜的厚度可以控制在1.0～20.0nm。
S1015：采用原子层沉积工艺在隧穿氧化硅薄膜上生长氧化铝薄膜。
步骤S1015形成的氧化铝薄膜的厚度可以在2.0～8.0nm。氧化铝薄膜中具有固定的负电荷。
S1016：在氧化铝薄膜的表面生长氧化硅薄膜。
步骤S1016中，可以采用CVD工艺生长氧化硅薄膜。氧化硅薄膜的厚度可以为400～600nm。
通过前述的两种工艺分析可知，两种工艺均可以采用较低的工艺温度形成钝化膜12，避免诸如热氧化工艺中的高温使得硅衬底11性能退化。
应当注意的是，在形成钝化膜12步骤前，还应当对硅衬底11进行清洗，以保证洁净度。本实施例中，采用标准的RCA清洗步骤对硅衬底11进行清洗。
S102：采用图形化工艺和刻蚀工艺在硅衬底11的正面钝化膜12上开设集电电极13窗口和接地环窗口。
步骤S102中，在硅衬底11的正面涂布光刻胶并采用合适的模板进行光刻和去除光刻胶工艺，以在光刻胶上开出窗口；随后，采用刻蚀工艺对硅衬底11进行刻蚀，去除对应区域的钝化膜12，直至硅衬底11显露；如此，集电极窗口和接地环窗口形成。
在形成集电极窗口和接地环窗口后，去除硅衬底11正面的光刻胶。
S103：采用四氟化锗、高阶硅烷和磷烷作为反应气体，采用化学气相沉积工艺在硅衬底11表面沉积N重掺杂锗薄膜。
步骤S 103执行中，四氟化锗和高阶硅烷发生氧化还原反应，在硅衬底11上沉积形成锗薄膜；在形成锗薄膜的过程中，磷烷分解而在锗薄膜上沉积磷。
S104：去除除集电电极13窗口和接地环窗口区域之外的N重掺杂锗薄膜。
步骤S103至少在硅衬底11的正面形成了N重掺杂锗薄膜；而实际应用中仅需要保留集电电极13窗口和接地环窗口的N重掺杂锗薄膜，因此需要去除其他区域的锗薄膜。
步骤S104中，可以采用图形化工艺在集电极窗口和接地环窗口形成保护用的光刻胶层，而暴露其他区域的N重掺杂锗薄膜，随后采用刻蚀工艺去除暴露的N重掺杂锗薄膜，直至显露氧化硅薄膜。
在去除暴露的N重掺杂锗薄膜后，去除用于保护集电电极13和接地环中N重掺杂锗薄膜的光刻胶。
S105：采用图形化工艺和刻蚀工艺在硅衬底11的正面钝化膜12上开设漂移环窗口和保护环窗口，在硅衬底11的入射面钝化膜12上开设入射窗口和保护环窗口。
步骤S105与步骤S102工艺相同，仅是开设窗口为漂移环窗口、保护环15窗口、入射窗口，相应的工艺可以参见步骤S102描述。
步骤S105中，在钝化膜12上开设相应的窗口后，去除硅衬底11表面的光刻胶。
S106：采用四氟化锗、高阶硅烷和乙硼烷作为反应气体，采用化学气相沉积在硅衬底11表面沉积形成P重掺杂锗薄膜。
步骤S106中，四氟化锗和高阶硅烷发生氧化还原反应，在硅衬底11上沉积形成锗薄膜；在形成锗薄膜的过程中，乙硼烷分解而在锗薄膜上沉积硼，而形成P重掺杂锗薄膜。
步骤S106执行完成后，硅衬底11的两个表面均沉积了P型重掺杂锗薄膜，随后的步骤是去除相应区域的锗薄膜，并保留相关功能区域的P重掺杂锗薄膜。
S107：采用图形化工艺形成对应集电电极13窗口和最内侧漂移环窗口之间钝化膜12的刻蚀窗口，对应保护环15所在区域钝化膜12的刻蚀窗口。
S108：采用刻蚀工艺去除集电电极13窗口和最内侧漂移环窗口之间的钝化膜12上的P重掺杂锗薄膜，以及保护环15所在区域钝化膜12上的P重型掺杂锗薄膜。
采用步骤S107和步骤S108后，硅衬底11正面的集电电极13、漂移环、保护环15、接地环以及漂移环之间的钝化膜12表面均留有P重型掺杂锗薄膜；其中，集电电极13和接地环的P重型掺杂锗薄膜和前期沉积的N重型掺杂锗薄膜形成隧穿层，能够使得载流子直接通过；漂移环之间的钝化膜12表民的P重型掺杂锗薄膜形成分压器。
当然，在其他实施例中，也可以不保留漂移环之间的钝化膜12上的P重型掺杂锗薄膜，而是在步骤S107-S108中刻蚀去除，并在后期再行通过其他加工方法形成分压器。
实际应用中，前述形成的N重掺杂锗薄膜的厚度可以在10～30nm，掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3；所述P重掺杂锗薄膜的厚度为10～50nm，掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3。
前述步骤中，采用的高阶硅烷的化学式为SinH2n+2，其中2<n<6。
S109：在集电电极、漂移环、接地环、入射窗口的锗薄膜上制备金属电极。
前述加工工艺过程中，高阶硅烷能够在较低温情况下被激活而与四氟化锗反应，形成锗薄膜的生长。因为锗薄膜形成过程中采用了低温工艺，可以避免扩散工艺和离散注入工艺中的高温对硅衬底11的损伤，有利于获得较高的体寿命，提高硅漂移探测器的能量分辨率。
利用本实施例沉积工艺可以在硅衬底11表面形成超浅结，因此可以有效地提高硅漂移探测器对低能X射线的探测效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硅漂移探测器的制备方法，其特征在于，包括沉积步骤；
所述沉积步骤包括：以四氟化锗、高阶硅烷和掺杂剂化合物作为反应气体，采用化学气相沉积工艺在具有钝化膜的硅衬底上沉积重掺杂锗薄膜，使重掺杂锗薄膜在硅衬底的对应区域形成功能区；其中，锗薄膜厚度通过反应时间和反应速率控制形成超浅结；
所述钝化膜采用下述步骤形成：
采用CVD工艺在硅衬底的表面生长本征非晶硅薄膜；
采用原子层沉积工艺在本征非晶硅薄膜上生长氧化铝薄膜；其中，氧化铝薄膜中具有固定的负电荷；
采用CVD工艺在氧化铝薄膜的表面生长氧化硅薄膜；
所述本征非晶硅薄膜、所述氧化铝薄膜和所述氧化硅薄膜组成所述钝化膜；
所述对应区域包括位于硅衬底正面的集电电极和接地环；
所述制备方法包括：采用图形化工艺和刻蚀工艺在所述硅衬底的正面钝化膜上开设集电电极窗口和接地环窗口：
所述沉积步骤包括：采用四氟化锗、高阶硅烷和磷烷作为反应气体，在硅衬底表面沉积形成N重掺杂锗薄膜；
所述制备方法还包括：去除除所述集电电极窗口和所述接地环窗口区域之外的N重掺杂锗薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
在去除除所述集电电极窗口和所述接地环窗口区域之外的N重掺杂锗薄膜后，所述制备方法还包括：采用图形化工艺和刻蚀工艺在所述硅衬底的正面钝化膜上开设漂移环窗口和保护环窗口，以及在所述硅衬底的入射面钝化膜上开设入射窗口和保护环窗口；
所述沉积步骤包括：采用四氟化锗、高阶硅烷和乙硼烷作为反应气体，在硅衬底表面沉积形成P重掺杂锗薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在沉积形成P重掺杂锗薄膜后，还包括：
采用图形化工艺形成对应所述集电电极窗口和最内侧所述漂移环窗口之间钝化膜的刻蚀窗口，以及对应保护环所在区域钝化膜的刻蚀窗口；
采用刻蚀工艺去除所述集电电极窗口和最内侧所述漂移环窗口之间钝化膜上的P重掺杂锗薄膜，以及所述保护环所在区域钝化膜上的P重掺杂锗薄膜。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在沉积形成所述P重掺杂锗薄膜后，还包括：
去除除集电电极窗口、接地环窗口、漂移环窗口、保护环窗口和入射窗口区域之外的P重掺杂锗薄膜；
在所述漂移环窗口之间的钝化膜上制备分压器。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述N重掺杂锗薄膜的厚度为10～30nm，掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3；所述P重掺杂锗薄膜的厚度为10～50nm，掺杂浓度在1×1019cm-3～1×1021cm-3。
6.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，
所述高阶硅烷为SinH2n+2，2<n<6。
7.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钝化膜采用下述步骤形成：
将硅衬底浸泡在HF后，采用硝酸氧化形成隧穿氧化硅薄膜；
采用原子层沉积工艺在隧穿氧化硅薄膜上生长氧化铝薄膜；
采用CVD工艺在氧化铝薄膜的表面生长氧化硅薄膜；
所述隧穿氧化硅薄膜、所述氧化铝薄膜和所述氧化硅薄膜组成所述钝化膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
所述隧穿氧化硅薄膜厚度小于1.5nm，所述的氧化铝薄膜厚度为2.0～8.0nm；所述氧化硅薄膜厚度在400～600nm。
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