CN115360252A - 一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器及其制备方法 - Google Patents

一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器及其制备方法，探测器由半导体基体单元阵列拼接而成，所述半导体基体单元的外形是四棱柱形，半导体基体单元包括半导体探测器单元基体，半导体探测器单元基体侧面和底部填充壳型阴极电极，壳型阴极电极的顶部附有第二铝电极接触层，半导体探测器单元基体顶部嵌入中心可变柱型阳极电极，中心可变柱型阳极电极上设有第一铝电极接触层，第一铝电极接触层和第二铝电极接触层之间填充有二氧化硅绝缘层。探测器的制备包括以下步骤：清洗、氧化、双面曝光、刻蚀、离子注入；所述探测器的分辨率和灵敏度提高，制备过程中工艺流程简单，制成时间更短，性价比更高。

Description

一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，涉及一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器及其制备方法。
背景技术
随着半导体探测器技术的飞速发展，硅探测器种类丰富，包括硅微条探测器、硅像素探测器、硅漂移探测器等，硅探测器一经发明使用，便因其性能优势迅速取代气体探测器和闪烁体探测器，占据了探测器应用领域的半壁江山。例如，硅微条探测器被广泛用作世界主要高能物理实验中的核心探测器；硅像素探测器以其高位置和能量分辨率的特点，在医学成像领域也有不俗的表现；硅漂移探测器为低能量射线的航空航天探测做出了巨大的贡献。
1997年，S.Parker等人设计开发了一种完全不同于平面探测器的结构，称之为三维柱状电极硅探测器。2005年，美国Brookhaven实验室在三维柱状电极探测器的基础上提出了一种新型的三维电极探测器～三维沟槽电极硅探测器。这种沟槽状电极的探测器单元内电场分布更加均匀，形成阵列时各单元的独立性更强。沟槽的概念最早由C.Kenney提出的，其电极被镶嵌在硅体中，对设计和工艺制作技术方面有更高的要求，也使得探测器单元及阵列具有更好的性能。但这种传统的三维探测器的有效工作区域较小，与传统三维探测器相比，本发明所提出的新型三维探测器结构即一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，其电场分布更加均匀，有效工作区域更大即死区更小。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，解决了现有三维探测器内部电场分布不均匀，探测器分辨率低，死区面积过大而造成的探测器灵敏度较低的问题。
本发明还提供一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器的制备方法，该方法工艺流程简单，解决了现有探测器工艺层数多，性价比低，工艺复杂的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，探测器由半导体基体单元阵列拼接而成，半导体基体单元的外形是四棱柱形，半导体基体单元包括半导体探测器单元基体，半导体探测器单元基体侧面和底部填充壳型阴极电极，壳型阴极电极的顶部附有第二铝电极接触层，半导体探测器单元基体顶部嵌入中心可变柱型阳极电极，中心可变柱型阳极电极上设有第一铝电极接触层，第一铝电极接触层和第二铝电极接触层之间填充有二氧化硅绝缘层。
进一步地，所述四棱柱形的半导体基体单元的长宽高为400um×400um×200um，壳型阴极电极和半导体探测器单元基体之间的垂直距离为10um，二氧化硅绝缘层高度为5um。
进一步地，所述半导体探测器单元基体为N型轻掺杂，壳型阴极电极为P型重掺杂，中心可变柱型阳极电极为N型重掺杂。
进一步地，所述半导体探测器单元基体掺杂的浓度为8×1011～1×1012/cm2，壳型阴极电极掺杂浓度为8×1018～1×1019/cm2，中心可变柱型阳极电极掺杂浓度为8×1018～1×1019/cm2。
一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器的制备方法，具体包括以下步骤：
S1，清洗：使用电阻率在18兆欧以上的去离子水反复清洗三次晶圆；
S2，氧化：给氧化炉内通入惰性气体氮气，并升温预热至400℃～800℃，在此温度下载入清洗后的晶圆，并通入纯氧，将氧化炉升至1000℃～1100℃，在此环境下保持炉温并持续通入氧气5小时，形成晶圆反面绝缘氧化层厚度为3000埃米即3um；
S3，双面曝光：晶圆表面涂有2～3um的光刻胶并烘干后，利用掩膜版在光刻机上对晶圆曝光，曝光光强为120cd，时间为6.5s；
S4，刻蚀：在25℃～26.5℃温度下，使用BOE刻蚀液，对晶圆反面氧化层进行刻蚀，刻蚀深度为1500埃米即1.5um；晶圆正面刻蚀深度为3000埃米即3um时漏出本征硅基体，用离子刻蚀技术对正面漏出的本征硅基体进行刻蚀，刻蚀深度为390um；
S5，离子注入：晶圆正面硼注入深度为390um，硼杂质浓度为8×1011～1×1012/cm2；晶圆反面硼注入作为芯片阴极即壳型阴极电极，其注入深度为10um；硼杂质浓度为8×1018～1×1019/cm2；晶圆正面磷注入作为芯片阳极即中心可变柱型阳极电极，其注入深度为50um，磷杂质浓度为8×1018～1×1019/cm2。
本发明的有益效果是：
1.探测器单元设计为四棱柱形，组成阵列后，各阴极紧密结合从而增大工作区域即没有死区。
2.对比现有传统硅微条探测器、硅像素探测器及硅漂移探测器，三维探测器的制作工艺更为简单，工艺层数更少，制成时间更短，性价比更高。
3.对可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器电学性能的研究发现，因其阳极嵌入深度可变，可以通过变化深度得到更加均匀的电势分布，且阵列电场分布与探测器结构单元的电场分布大致相同。
4.三维硅探测器单元的电容只与自身电极面积有关，本发明的电极面积相比于传统整面电极更小，拥有较小的电容，探测器电容越低相应的噪声也会越小，且未受到相邻单元的影响，相干性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构图。
图2是本发明的俯视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是本发明的阵列图。
图5a是探测器中心阳极嵌入深度50um的电势分布图。
图5b是探测器中心阳极嵌入深度100um的电势分布图。
图5c是探测器中心阳极嵌入深度150um的电势分布图。
图6是探测器中心阳极嵌入深度50um的电场分布图。
图7a是探测器中心阳极嵌入深度50um的电子浓度分布图。
图7b是探测器中心阳极嵌入深度100um的电子浓度分布图。
图7c是探测器中心阳极嵌入深度150um的电子浓度分布图。
图8是图4的电容模拟图。
图9是本发明三维探测器单元与传统三维探测器单元的电容对比图。
图中，1.二氧化硅绝缘层，2.第二铝电极接触层，3.壳型阴极电极，4.半导体探测器单元基体，5.中心可变柱型阳极电极，6.第一铝电极接触层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，结构如图4所示，由半导体基体单元阵列拼接而成，半导体基体单元结构如图1～图3所示，半导体基体单元包括半导体探测器单元基体4，半导体探测器单元基体4侧面和底部填充壳型阴极电极3，壳型阴极电极3的顶部附有第二铝电极接触层2，半导体探测器单元基体4顶部嵌入中心可变柱型阳极电极5，中心可变柱型阳极电极5上设有第一铝电极接触层6，第一铝电极接触层6和第二铝电极接触层2之间填充有二氧化硅绝缘层1。
半导体基体单元图1～图3为顶部为正方形的四棱柱形，方便组成阵列而且没有死区；半导体基体单元图1～图3也可以为圆柱体形，可以在探测器内部会有更均匀的电场分布，但不可实现没有死区的阵列排布；半导体基体单元图1～图3还可以为六棱柱型，其单元电场最接近圆形性，并且可以实现没有死区的阵列排布，但其工艺难度大，不利于生产加工；方形形状相比六边形更为简单，工艺制成时图案越复杂，工艺难度越大，且半导体基体单元图1～图3为顶部为正方形组成阵列后，阵列还是正方形，而其他形状组成阵列后，形状不规则，增加工艺加工难度。
四棱柱形的半导体基体单元的长宽高为400um×400um×200um，壳型阴极电极3和半导体探测器单元基体4之间的垂直距离为10um，如果壳型阴极电极厚度过小，工艺难以实现，如果壳型阴极电极厚度过大，会造成探测器单元上表面电极面积占总面积比例过大，从而导致电容增大；二氧化硅绝缘层1高度为5um，二氧化硅绝缘层高度一般在3～5um，二氧化硅绝缘层高度需要根据氧化炉的氧化能力和制备工艺确定，5um高的二氧化硅绝缘层在氧化工艺上容易实现，在探测器制备工艺中，可以有效阻隔离子注入过程中的入射粒子。
半导体探测器单元基体4为N型轻掺杂，掺杂浓度为8×1011～1×1012/cm2；壳型阴极电极3为P型重掺杂，掺杂浓度为8×1018～1×1019/cm2；中心可变柱型阳极电极5为N型重掺杂，掺杂浓度为8×1018～1×1019/cm2。
本发明进行辐射离子探测时，壳型阴极电极3收集空穴载流子，中心可变柱型阳极电极5收集电子载流子，在中心可变柱型阳极电极5和壳型阴极电极3施加电压后，辐射离子穿过中心可变柱型阳极电极5、壳型阴极电极3和半导体探测器单元基体4，半导体探测器单元基体4提供载流子电子和空穴，电子向中心可变柱型阳极电极5漂移，空穴向壳型阴极电极3漂移，在壳型阴极电极3和中心可变柱型阳极电极5产生电流信号，通过外接电路显示信号。
传统的三维硅探测器顶部均被铝金属电极覆盖，电极面积几乎占满探测器顶面，大的有效电极面积会导致探测器的电容较大；本发明采用的电极设计中，电极面积是中心可变柱型阳极电极5和壳型阴极电极3两者的电极面积总和，其电极面积小，只有顶面面积10％左右，大幅减小了探测器电容，探测器电容越低相应的噪声也会越小，进而提高了信噪比，提高了探测器的分辨率。
本发明的可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器阳极嵌入深度可变，可以通过变化深度得到更加均匀的电势分布，且阵列电场分布与探测器结构单元的电场分布大致相同，未受到相邻单元的影响，相干性好。图5a是探测器中心阳极嵌入深度50um的电势分布图，图5b是探测器中心阳极嵌入深度100um的电势分布图，图5c是探测器中心阳极嵌入深度150um的电势分布图。图6是探测器中心阳极嵌入深度50um的电场分布图。图7a是探测器中心阳极嵌入深度50um的电子浓度分布图，图b是探测器中心阳极嵌入深度100um的电子浓度分布图，图7c是探测器中心阳极嵌入深度150um的电子浓度分布图。
通过图5和图7可以看出三种不同嵌入深度的三维探测器的电势和电子浓度分布均匀，无明显低电势区即没有死区；图6是探测器中心阳极嵌入深度50um的电场分布图，图中显示高电场集中在中心阳极位置，符合探测器逻辑；图8是本发明探测器阵列(图4)电容模拟图，通过图8可知阵列探测器的电容与探测器单元的电容相差不大，且两者电容值在一个数量级；图9是本发明三维探测器单元与传统三维探测器单元的电容对比图，蓝色曲线代表传统三维探测器，红色曲线代表本发明三维探测器，通过图9可知本发明三维探测器在耗尽情况下的电容小于传统三维探测器。
一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器的制备方法为：
S1，清洗：使用电阻率在18兆欧以上的去离子水反复清洗三次晶圆，保证晶圆基底无尘清洁；
晶圆是指无掺杂，无氧化层，有一定厚度的高纯单晶硅薄片，是探测器芯片的原料；
S2，氧化：给氧化炉内通入惰性气体氮气，并升温预热至400℃～800℃，在此温度下载入清洗后的晶圆，并通入纯氧，将氧化炉升至1000℃～1100℃，在此环境下保持炉温并持续通入氧气5小时或9小时，以得到3000埃米或5000埃米的氧化层。不同氧化层厚度呈现的颜色不同，0～3000埃米为一个颜色循环，1500埃米颜色为品蓝色，3000埃米氧化层为紫罗兰色，3000～5000埃米之间某一厚度为近品蓝色；本发明氧化时间为5小时，形成晶圆反面绝缘氧化层厚度为3000埃米即3um；
S3，双面曝光：晶圆表面涂有2～3um的光刻胶并烘干后，利用掩膜版在光刻机上对晶圆曝光，曝光光强为120cd，时间为6.5s；
双面曝光工艺为IC标准工艺，过程中需要双面对准工艺，本发明所使用光刻机曝光时，由于探测器单元设计问题，芯片反面曝光时，无需与正面曝光图案对齐，因此芯片反面为整面阴极，且曝光次数相对其他类型探测器更少，因此本发明探测器在曝光工艺过程中更为简单；
S4，刻蚀：在25℃～26.5℃温度下，使用BOE刻蚀液，对晶圆反面氧化层进行刻蚀，刻蚀深度为1500埃米即1.5um；晶圆正面刻蚀深度为3000埃米即3um时漏出本征硅基体，用离子刻蚀技术对正面漏出的本征硅基体进行刻蚀，刻蚀深度为390um；
5000埃米晶圆氧化层厚度为IC标准工艺，3000埃米晶圆氧化层厚度足以在离子注入过程中遮挡住高速掺杂离子；在刻蚀过程中，要求刻蚀氧化层剩余1500埃米，3000埃米氧化层厚度在刻蚀过程中只有一个颜色循环，便于用肉眼观察1500埃米厚度，可免去台阶仪测试膜厚工作，提高了工艺效率；
S5，离子注入：晶圆正面硼注入深度为390um，硼杂质浓度为8×1011～1×1012/cm2；晶圆反面硼注入作为芯片阴极即壳型阴极电极3，其注入深度为10um；硼杂质浓度为8×1018～1×1019/cm2；晶圆正面磷注入作为芯片阳极即中心可变柱型阳极电极5，其注入深度为50～150um，磷杂质浓度为8×1018～1×1019/cm2，可根据需求注入不同深度，本发明晶圆正面磷注入深度为50um。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，其特征在于，探测器由半导体基体单元阵列拼接而成，所述半导体基体单元的外形是四棱柱形，半导体基体单元包括半导体探测器单元基体(4)，半导体探测器单元基体(4)侧面和底部填充壳型阴极电极(3)，壳型阴极电极(3)的顶部附有第二铝电极接触层(2)，半导体探测器单元基体(4)顶部嵌入中心可变柱型阳极电极(5)，中心可变柱型阳极电极(5)上设有第一铝电极接触层(6)，第一铝电极接触层(6)和第二铝电极接触层(2)之间填充有二氧化硅绝缘层(1)。
2.根据权利要求1所述的一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，其特征在于，所述四棱柱形的半导体基体单元的长宽高为400um×400um×200um。
3.根据权利要求1所述的一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，其特征在于，所述壳型阴极电极(3)和半导体探测器单元基体(4)之间的垂直距离为10um。
4.根据权利要求1所述的一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，其特征在于，所述二氧化硅绝缘层(1)高度为5um。
5.根据权利要求1所述的一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，其特征在于，所述半导体探测器单元基体(4)为N型轻掺杂，壳型阴极电极(3)为P型重掺杂，中心可变柱型阳极电极(5)为N型重掺杂。
6.根据权利要求1所述的一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器，其特征在于，所述半导体探测器单元基体(4)掺杂的浓度为8×1011～1×1012/cm2，壳型阴极电极(3)掺杂浓度为8×1018～1×1019/cm2，中心可变柱型阳极电极(5)掺杂浓度为8×1018～1×1019/cm2。
7.一种可变柱型阳极壳型阴极方形三维探测器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，清洗：使用电阻率在18兆欧以上的去离子水反复清洗三次晶圆；
S2，氧化：给氧化炉内通入惰性气体氮气，并升温预热至400℃～800℃，在此温度下载入清洗后的晶圆，并通入纯氧，将氧化炉升至1000℃～1100℃，在此环境下保持炉温并持续通入氧气5小时，形成晶圆反面绝缘氧化层厚度为3000埃米；
S3，双面曝光：晶圆表面涂有2～3um的光刻胶并烘干后，利用掩膜版在光刻机上对晶圆曝光，曝光光强为120cd，时间为6.5s；
S4，刻蚀：在25℃～26.5℃温度下，使用BOE刻蚀液，对晶圆反面氧化层进行刻蚀，刻蚀深度为1500埃米；晶圆正面刻蚀深度为3000埃米时漏出本征硅基体，用离子刻蚀技术对正面漏出的本征硅基体进行刻蚀，刻蚀深度为390um；
S5，离子注入：晶圆正面硼注入深度为390um，硼杂质浓度为8×1011～1×1012/cm2；晶圆反面硼注入作为芯片阴极即壳型阴极电极(3)，其注入深度为10um；硼杂质浓度为8×1018～1×1019/cm2；晶圆正面磷注入作为芯片阳极即中心可变柱型阳极电极(5)，其注入深度为50um，磷杂质浓度为8×1018～1×1019/cm2。
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