CN112071873A - 一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片，包括：衬底；耗尽层，形成于所述衬底上；深p型沟道，横向设置于所述耗尽层内；n型硅体，横向设置于所述耗尽层内且位置所述深p型沟道上方；间隔排列在所述n型硅体上方且位置耗尽层内的第一n型重掺杂区、p型重掺杂区、第二n型重掺杂区；p型掺杂区，设置于所述耗尽层内且与所述第二n型重掺杂区间隔设置；第三n型重掺杂区，设置于所述耗尽层内且与所述p型掺杂区间隔设置；阴极环，设置于耗尽层内，与第三n型重掺杂区间隔设置。本发明将超大面积硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成在一个芯片上，大大减少封装的难度，以及芯片集成时所占的面积，且便于探测器与场效应管的参数调节。
Description
技术领域
本发明属于芯片结构领域，具体涉及一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片及制作方法。
背景技术
硅漂移探测器(SDD)在宇宙探索，航天航空，高能物理实验等各方面有着广泛的应用。将太空中的脉冲星探测作为一个例子，它的周期性X射线为软X射线，能量范围为0～15KeV，发展大面积硅漂移探测器阵列势不可挡，从几平方米至十几平方米不等。尽管在有些高能物理试验中已经使用所谓的“大面积硅漂移探测器”，但事实上其探测器单元面积仍然是在几十平方毫米的数量级上，要想发展平方米级的探测器阵列，单元面积达到几百或者几千平方毫米都是必要的。现有硅漂移探测器，比如德国KETEK公司，仍然将用于SDD第一级放大读出的结型场效应管与SDD芯片分开设计制作，然后与制冷器一起封装，这样会使得封装有一定的难度，且探测器芯片与场效应管芯片在集成时具有连接的难度，尤其时两个芯片面积大小不一致时。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片，用于解决现有技术的缺陷。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片，包括：
第一p型重掺杂区12；
耗尽层1，形成于所述第一p型重掺杂区上；
深p型沟道，横向设置于所述耗尽层内；
n型硅体10，横向设置于所述耗尽层内且位置所述深p型沟道上方；
间隔排列在所述n型硅体上方且位于耗尽层内的第一n型重掺杂区2、p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4；
p型掺杂区5，设置于所述耗尽层内且与所述第二n型重掺杂区间隔设置；
第三n型重掺杂区6，设置于所述耗尽层内且与所述p型掺杂区间隔设置；
阴极环，设置于耗尽层内，与第三n型重掺杂区间隔设置。
可选地，还包括：二氧化硅层9，设置于所述耗尽层的上表面。
可选地，所述深p型沟道通过在所述耗尽层内注入p型杂质形成。
可选地，所述n型硅体通过在所述耗尽层内注入n型杂质形成。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片的制作方法，包括：
在耗尽层1上依次形成第一p型重掺杂区12、深p型沟道11、n型硅体10、第一n型重掺杂区2、第二p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4、p型掺杂区5、第三n型重掺杂区6、阴极环；其中，第一p型重掺杂区12、深p型沟道11、n型硅体10、第一n型重掺杂区2、第二p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4、p型掺杂区5、第三n型重掺杂区6、阴极环的形成都是通过光刻、化学刻蚀、离子注入掺杂三个步骤形成；
所述第一p型重掺杂区位于所述耗尽层的下表面。
可选地，所述深p型沟道11，横向设置于所述耗尽层内；
所述n型硅体10，横向设置于所述耗尽层内且位置所述深p型沟道上方；
所述所述第一n型重掺杂区2、p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4间隔排列在所述n型硅体10上方；
所述p型掺杂区5，设置于所述耗尽层内且与所述第二n型重掺杂区间隔设置；
所述第三n型重掺杂区6，设置于所述耗尽层内且与所述p型掺杂区间隔设置；
所述阴极环，设置于耗尽层内，与第三n型重掺杂区间隔设置。
可选地，所述阴极环包括第一级阴极环、第二级阴极环。
可选地，所述深p型沟道通过在所述耗尽层内注入p型杂质形成。
可选地，所述n型硅体通过在所述耗尽层内注入n型杂质形成。
如上所述，本发明的一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片，具有以下有益效果：
本发明将超大面积硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成在一个芯片上，大大减少封装的难度，以及芯片集成时所占的面积，且便于探测器与场效应管的参数调节。本发明探测器本身即放大器，这样探测器的噪声大大减少，有利于优化探测器与电子读出电路的设计。
附图说明
图1为一实施例提供的一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片，包括：
第一p型重掺杂区12；
耗尽层1，形成于所述第一p型重掺杂区上；其中，耗尽层为n型硅体，第一p型重掺杂区，和硅体1可以形成一个pn型的二极管结构；
深p型沟道11，横向设置于所述耗尽层内；
n型硅体10，横向设置于所述耗尽层内且位置所述深p型沟道上方，其中n型硅体10为掺杂的n型硅体，为深n注入沟道；
间隔排列在所述n型硅体10上方且位于耗尽层内的第一n型重掺杂区2、p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4；
p型掺杂区5，设置于所述耗尽层内且与所述第二n型重掺杂区间隔设置；
第三n型重掺杂区6，设置于所述耗尽层内且与所述p型掺杂区间隔设置；
阴极环，设置于耗尽层内，与第三n型重掺杂区间隔设置。
本发明将超大面积硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成在一个芯片上，大大减少封装的难度，以及芯片集成时所占的面积，且便于探测器与场效应管的参数调节。
其中，阴极环包括第一级阴极环7、第二级阴极环8；后续的阴极环将不一一在此截面图中展示。该芯片由一个p型掺杂区(保护区)5将探测器与结型场效应晶体管分割开来。第一n型重掺杂区2为漏级；p型重掺杂区3为栅极；第二n型重掺杂区4为源极；第三n型重掺杂区6为探测器的阳极。
在一实施例中，还包括：二氧化硅层9，设置于所述耗尽层的上表面，其中，二氧化硅层可以作为绝缘层。
在一实施例中，所述深p型沟道通过在所述耗尽层内注入p型杂质形成。
在一实施例中，所述n型硅体通过在所述耗尽层内注入n型杂质形成。
本发明将电子电路的级放大器结型场效应晶体管集成在全耗尽且高阻的硅上，使用反偏结将其与探测器在电学上隔离开，达到集成的目标。当然，本发明可以用于一般的硅漂移探测器上，但只适用于探测器的第一级放大。
该芯片通过侧向耗尽的原理来进行全耗尽，使其达到工作状态，具体方法为给第三n型重区(探测器的阳极)施加一个小电压，可用导电的非耗尽体区分开两个电荷空间区，当电压足够高时，两个空间电荷区彼此碰撞，且导电的体区向n型重掺杂电极附近缩回，这样一来便有可能得到电子的电势低谷，入射粒子或者光子激发硅体产生的载流子、热激发产生的载流子等产生的电子聚集在该谷中，通过扩散运动到达n型重掺杂电极(阳极/收集电极)，而空穴迅速在电场中向p型重掺杂电极(阴极环)漂移。
一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片的制作方法，包括：
步骤S1，在耗尽层1上依次形成第一p型重掺杂区12、深p型沟道11、n型硅体10、第一n型重掺杂区2、第二p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4、p型掺杂区5、第三n型重掺杂区6、阴极环；其中，第一p型重掺杂区12、深p型沟道11、n型硅体10、第一n型重掺杂区2、第二p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4、p型掺杂区5、第三n型重掺杂区6、阴极环的形成都是通过光刻、化学刻蚀、离子注入掺杂三个步骤形成，其中，离子注入浓度不同。
所述第一p型重掺杂区位于所述耗尽层的下表面；深p型沟道11，横向设置于所述耗尽层内；n型硅体10，横向设置于所述耗尽层内且位置所述深p型沟道上方，其中n型硅体10为掺杂的n型硅体，为深n注入沟道；间隔排列在所述n型硅体10上方且位于耗尽层内的第一n型重掺杂区2、p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4；p型掺杂区5，设置于所述耗尽层内且与所述第二n型重掺杂区间隔设置；第三n型重掺杂区6，设置于所述耗尽层内且与所述p型掺杂区间隔设置；阴极环，设置于耗尽层内，与第三n型重掺杂区间隔设置。
步骤S2，在通过光刻、化学刻蚀、离子注入掺杂步骤形成第一p型重掺杂区12、深p型沟道11、n型硅体10、第一n型重掺杂区2、第二p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4、p型掺杂区5、第三n型重掺杂区6、阴极环；其中，第一p型重掺杂区12、深p型沟道11、n型硅体10、第一n型重掺杂区2、第二p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4、p型掺杂区5、第三n型重掺杂区6后，用气体与探测器之间的化学反应来沉积绝缘层或者导电层(二氧化硅SiO2，或者氮化硅Si3N4)，导电层覆盖在各掺杂的区域，其余部分覆盖绝缘层；
步骤S3，用蒸发或者溅射沉积导体/金属层，所述导体/金属层位于各掺杂区域；
步骤S4，退火，分为热退火与快速退火，均属于热处理，用于不同的工艺步骤。其中，退火一般发生在掺杂之后，对掺杂的区域内离子的激活，同时也保护晶圆本身晶格；
步骤S5，对金属层进行钝化。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器((RAM,Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片，其特征在于，包括：
第一p型重掺杂区(12)；
耗尽层(1)，形成于所述第一p型重掺杂区上；
深p型沟道，横向设置于所述耗尽层内；
n型硅体(10)，横向设置于所述耗尽层内且位置所述深p型沟道上方；
间隔排列在所述n型硅体上方且位于耗尽层内的第一n型重掺杂区(2)、p型重掺杂区(3)、第二n型重掺杂区(4)；
p型掺杂区(5)，设置于所述耗尽层内且与所述第二n型重掺杂区间隔设置；
第三n型重掺杂区(6)，设置于所述耗尽层内且与所述p型掺杂区间隔设置；
阴极环，设置于耗尽层内，与第三n型重掺杂区间隔设置。
2.根据权利要求1所述的硅漂移探测器与结构型场效应晶体管集成芯片，其特征在于，还包括：二氧化硅层(9)，设置于所述耗尽层的上表面。
3.根据权利要求1所述的硅漂移探测器与结构型场效应晶体管集成芯片，其特征在于，所述深p型沟道通过在所述耗尽层内注入p型杂质形成。
4.根据权利要求1所述的硅漂移探测器与结构型场效应晶体管集成芯片，其特征在于，所述n型硅体通过在所述耗尽层内注入n型杂质形成。
5.一种硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片的制作方法，其特征在于，包括：
在耗尽层(1)上依次形成第一p型重掺杂区(12)、深p型沟道(11)、n型硅体(10)、第一n型重掺杂区(2)、第二p型重掺杂区(3)、第二n型重掺杂区(4)、p型掺杂区(5)、第三n型重掺杂区(6)、阴极环；其中，第一p型重掺杂区(12)、深p型沟道(11)、n型硅体(10)、第一n型重掺杂区(2)、第二p型重掺杂区(3)、第二n型重掺杂区(4)、p型掺杂区(5)、第三n型重掺杂区(6)、阴极环的形成都是通过光刻、化学刻蚀、离子注入掺杂三个步骤形成；
所述第一p型重掺杂区位于所述耗尽层的下表面。
6.根据权利要求5所述的硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片的制作方法，其特征在于，
所述深p型沟道11，横向设置于所述耗尽层内；
所述n型硅体10，横向设置于所述耗尽层内且位置所述深p型沟道上方；
所述所述第一n型重掺杂区2、p型重掺杂区3、第二n型重掺杂区4间隔排列在所述n型硅体10上方；
所述p型掺杂区5，设置于所述耗尽层内且与所述第二n型重掺杂区间隔设置；
所述第三n型重掺杂区6，设置于所述耗尽层内且与所述p型掺杂区间隔设置；
所述阴极环，设置于耗尽层内，与第三n型重掺杂区间隔设置。
7.根据权利要求6所述的硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片的制作方法，其特征在于，所述阴极环包括第一级阴极环、第二级阴极环。
8.根据权利要求6所述的硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片的制作方法，其特征在于，所述深p型沟道通过在所述耗尽层内注入p型杂质形成。
9.根据权利要求6所述的硅漂移探测器与结型场效应晶体管集成芯片的制作方法，其特征在于，所述n型硅体通过在所述耗尽层内注入n型杂质形成。
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- 2020-09-30 CN CN202011062072.0A patent/CN112071873A/zh active Pending
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