CN116960209A - 超浅结深低能量电子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超浅结深低能量电子探测器，电子探测器包括：硅衬底，其包含相对的第一面和第二面；超浅结深的P型掺杂层，通过在硅衬底表面形成硼单质层后进行热扩散的方式形成于硅衬底的第一面，P型掺杂层的厚度介于3～10nm之间；N型掺杂层，形成于硅衬底的第二面；保护环结构，自P型掺杂层朝硅衬底延伸；阻挡层，形成于P型掺杂层上，阻挡层中形成有窗口，通过窗口定义电子探测器的探测区域；网格状电极，形成于探测区域中的P型掺杂层上。本发明可以有效解决电子探测器对低能量电子的探测问题，有效提高对低能量电子的探测效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种超浅结深低能量电子探测器。
背景技术
PIN光电探测器具有探测光子及电子的能力，将入射光子及电子能量转化为电信号，主要参数有偏置电压，暗电流、截止频率、电容等。
典型的PIN光电探测器截面结构在本征(intrinsic)硅衬底上存在P型硅和N型硅、氧化层以及金属。其中本征硅衬底的作用是按设计厚度吸收入射光子及电子，作为偏置电压作用的载体形成偏置电场，产生电子空穴对(载流子扩散长度较长)。P型硅的作用是作为入射面载流子向正面电极流通的通道。N型硅的作用是形成保护环或作为探测器背面载流子向背电极流通的通道。金属的作用是形成正面和背面电极，将电信号导出。氧化层的作用使保护探测器表面，钝化及绝缘隔离作用。
在PIN光电探测器工作时，通过电极施加偏置电压，在PIN结形成偏置电压，例如正面电极电压为0V，背面电极电压为60V，此时硅衬底形成完全耗尽状态。入射光子及电子在硅衬底中激发出电子空穴对，电子空穴对在偏置电场的作用下快速定向流动，被电极收集产生电流。
电子探测器的探测能量下限取决于低能入射电子在探测器内部产生能够达到一定响应水平的电信号的最浅位置，即全耗尽区的边界和探测器入射表面的距离。通过普通离子注入及热退火处理的掺杂通常节深在1微米左右，无法满足对亚1KeV以下尤其是500eV以下能量电子的探测，因为低能量电子容易被掺杂层以及掺杂层以上的自然氧化层吸收而无法被探测到。然而在诸如生物样本或者一些以轻元素为主的半导体材料中，如果用能量比较高的电子会对样品进行破坏，所以使用低能量电子进行对尤其生物样本进行SEM等基于电子的成像探测时是非常必要的。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
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超浅结深低能量电子探测器，用于解决现有技术中探测器难以对低能量电子进行探测的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超浅结深低能量电子探测器，所述电子探测器包括：硅衬底，其包含相对的第一面和第二面；超浅结深的P型掺杂层，通过在所述硅衬底表面形成硼单质层后进行热扩散的方式形成于所述硅衬底的第一面，所述P型掺杂层的厚度介于3～10nm之间；N型掺杂层，形成于所述硅衬底的第二面；保护环结构，自所述P型掺杂层朝所述硅衬底延伸；阻挡层，形成于所述P型掺杂层上，所述阻挡层中形成有窗口，通过所述窗口定义所述电子探测器的探测区域；网格状电极，形成于所述探测区域中的P型掺杂层上。
可选地，所述硼单质层的厚度介于2nm～3nm。
可选地，所述P型掺杂层的掺杂浓度介于1×1018cm-3～1×1020cm-3之间。
可选地，所述硅衬底的厚度介于300μm～500μm之间。
可选地，所述探测区域的形状包括矩形、圆形、椭圆形、梯形、五边形、六边形和八边形中的一种。
可选地，所述网格状电极的材料包括铜、铝、钛、金、银及钨中的一种，且所述网格状电极与所述P型掺杂层为欧姆接触。
可选地，所述网格状电极包括交叉排布的多个行排布的第一电极线和多个列排布的多个第二电极线。
可选地，所述网格状电极包括径向尺寸依次增大的多个环形电极线以及连通多个所述环形电极线的连接电极线。
可选地，多个所述环形电极线的宽度自内向外逐渐增大。
可选地，还包括一背电极，所述背电极形成于所述N型掺杂层表面。
如上所述，本发明的超浅结深低能量电子探测器，具有以下有益效果：
本发明通过单质硼的扩散工艺形成P型掺杂层，可以形成浓度较高的超浅结深的P型掺杂层，从而可以实现对500eV以下的低能量电子的探测。本发明可以有效解决电子探测器对低能量电子的探测问题，有效提高对低能量电子的探测效率。
本发明通过对上电极进行网格化处理，可以解决浅层掺杂所引起的探测器串联电阻过高的问题，本发明可以有效降低串联电阻从而提高探测器的响应速度，可以增加探测器的探测器带宽。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1～图15显示为本发明实施例的超浅结深低能量电子探测器各步骤所呈现的结构示意图，其中，图12显示为本发明实施例的超浅结深低能量电子探测器的结构示意图。
元件标号说明
101 硅衬底
102 硼单质层
103 P型掺杂层
104 N型掺杂层
105 硬掩膜层
106 保护环结构
107 阻挡层
108 金属层
109 背电极
110 探测区域
111 网格状电极
1111 第一电极线
1112 第二电极线
1113 环形电极线
1114 连接电极线
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。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本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，遂图示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～图15所示，本实施例提供一种超浅结深低能量电子探测器，所述制备方法包括步骤：
如图1～图2所示，首先进行步骤1)，提供一硅衬底101，其包含相对的第一面和第二面，向所述硅衬底101的第一面通入硼烷和还原性气体，通过热分解工艺使所述形成硼烷和还原性气体在所述硅衬底101的第一面进行热分解形成硼单质层102。
在一个实施例中，步骤1)还包括对所述硅衬底101进行减薄和化学机械抛光CMP的步骤，减薄后的所述硅衬底101的厚度介于300μm～500μm之间。在本实施例中，所述硅衬底101为本征硅衬底101。
在一个实施例中，步骤1)中，所述硼烷包括B2H6，流量介于100sccm～900sccm，所述热分解工艺的温度介于400℃～1000℃之间，气压介于300Torr～1000Torr之间，时间介于5min～100min之间。将上述的B2H6和还原性气体共同通入到所述硅衬底101表面，通过热分解反应，使B2H6分解出单质硼并沉积在所述硅衬底101表面形成硼单质层102，在一个具体的实施例中，所述硼烷为B2H6，流量为300sccm，所述热分解工艺的温度为900℃，气压为300Torr，时间为30min，所形成的硼单质层102的厚度介于2nm～3nm。
如图3～图4所示，然后进行步骤2)，进行热扩散工艺，使所述硼单质层102向所述硅衬底101扩散以在所述硅衬底101的第一面形成超浅结深的P型掺杂层103。本发明通过单质硼的扩散工艺形成P型掺杂层103，可以形成浓度较高的超浅结深的P型掺杂层103，从而可以实现对500eV以下的低能量电子的探测。本发明可以有效解决电子探测器对低能量电子的探测问题，有效提高对低能量电子的探测效率。
在一个实施例中，步骤2)中，热扩散工艺所形成的P型掺杂层103的掺杂浓度介于1×1018cm-3～1×1020cm-3之间，且所述P型掺杂层103的厚度介于3～10nm之间。在一个具体的实施过程中，热扩散工艺所形成的P型掺杂层103的掺杂浓度为2×1019cm-3，且所述P型掺杂层103的厚度为5nm。
如图5所示，然后进行步骤3)，于所述硅衬底101的第二面形成N型掺杂层104。
在一个实施例中，可以通过离子注入工艺和退火激活工艺于所述硅衬底101的第二面形成N型掺杂层104，其中，注入的离子例如可以为磷等。
如图6～图8所示，然后进行步骤4)，形成自所述P型掺杂层103朝所述硅衬底101延伸的保护环结构106。
在一个实施例中，步骤4)包括：
步骤4-1)，通过沉积工艺于所述P型掺杂层103上形成硬掩膜层105，所述硬掩膜层105例如可以为二氧化硅层、氮化硅层或其组成的叠层，如图6所示。
步骤4-2)，通过光刻工艺和刻蚀工艺于所述硬掩膜层105形成注入窗口，如图7所示；
步骤4-3)，通过离子注入工艺和退火激活工艺于所述硅衬底101中形成N型掺杂的保护环结构106，所述保护环结构106的深度大于所述P型掺杂层103的深度，且小于所述硅衬底101的厚度，如图8所示。所述保护环结构106一方面可以提高器件的耐压性能，另一方面可以避免所述硅衬底101中所吸收的电子向保护环结构106以外的区域泄露，从而提高器件的灵敏度。
如图9所示，然后进行步骤5)，去除步骤4)的硬掩膜层105后，于所述P型掺杂层103上形成阻挡层107，并在所述阻挡层107中形成窗口，通过所述窗口定义出所述电子探测器的探测区域110。
在一个实施例中，所述阻挡层107的材料可以为二氧化硅。
在一个实施例中，所述探测区域110的形状包括矩形、圆形、椭圆形、梯形、五边形、六边形和八边形中的一种。
如图13和图14所示，在一个实施例中，所述探测区域110的形状为矩形。
如图15所示，在另一个实施例中，所述探测区域110的形状为圆形。
如图10～图15所示，最后进行步骤6)，于所述探测区域110中的P型掺杂层103上形成金属层108，并对所述金属层108进行图形化处理，以在所述探测区域110中形成网格状电极111。
在一个实施例中，可以通过溅射工艺于所述探测区域110中的P型掺杂层103上形成金属层108，所述金属层108可以为铜、铝、钛、金、银、钨等。在本实施例中，所述金属层108为铝层。
在一个实施例中，对于矩形的探测区域110，所述网格状电极111包括交叉排布的多个行排布的第一电极线1111和多个列排布的多个第二电极线1112。在本实施例中，所述第一电极线1111和所述的第二电极线1112为垂直交叉，如图13所示。
在另一实施例中，对于矩形或圆形的探测区域110，所述网格状电极111包括径向尺寸依次增大的多个环形电极线1113以及连通多个所述环形电极线1113的连接电极线1114。在本实施例中，多个所述环形电极线1113的宽度自内向外逐渐增大，以使得各环形电极线1113的阻值分部更加均匀，如图14及图15所示，在本实施例中，所述连接电极线1114的数量例如可以为4根、8根等，且任意相邻两所述连接电极线1114的间距相等。
本实施例的电子探测器探测区域110由于注入非常浅的结，所以电阻率比较大，探测器的响应频率除受吸收区厚度、外加电场、以及电子在所在材料中的迁移率影响外，还受到外加串联电阻的影响，所串联电阻越大，探测器的响应速度即截止频率便越大，因此通过对电极进行网格化，将P型掺杂层103的电阻进行分割并且并联，可以使探测器串联电阻的大幅度降低，从而提高探测器的响应速度，可以增加探测器的探测器带宽。
如图11及图12所示，所述制备方法还包括步骤：于所述N型掺杂层104表面形成背电极109。通过所述网格状电极111和所述背电极109向探测器施加电压，例如电压差的绝对值为60V，可以使所述硅衬底101形成完全耗尽状态。入射光子及电子在硅衬底101中激发出电子空穴对，电子空穴对在偏置电场的作用下快速定向流动，被电极收集产生电流，从而实现探测功能。
如图12～图15所示，本实施例还提供一种超浅结深低能量电子探测器，所述电子探测器包括：硅衬底101，其包含相对的第一面和第二面；超浅结深的P型掺杂层103，通过在所述硅衬底101表面形成硼单质层102后进行热扩散的方式形成于所述硅衬底101的第一面，所述P型掺杂层103的厚度介于3～10nm之间；N型掺杂层104，形成于所述硅衬底101的第二面；保护环结构106，自所述P型掺杂层103朝所述硅衬底101延伸；阻挡层107，形成于所述P型掺杂层103上，所述阻挡层107中形成有窗口，通过所述窗口定义所述电子探测器的探测区域110；网格状电极111，形成于所述探测区域110中的P型掺杂层103上。
在一个实施例中，所述硼单质层102的厚度介于2nm～3nm。
在一个实施例中，所述P型掺杂层103的掺杂浓度介于1×1018cm-3～1×1020cm-3之间。
在一个实施例中，所述硅衬底101的厚度介于300μm～500μm之间。
在一个实施例中，所述探测区域110的形状包括矩形、圆形、椭圆形、梯形、五边形、六边形和八边形中的一种。
在一个实施例中，所述网格状电极111的材料包括铜、铝、钛、金、银及钨中的一种，且所述网格状电极111与所述P型掺杂层103为欧姆接触，以进一步降低接触电阻。
在一个实施例中，所述网格状电极111包括交叉排布的多个行排布的第一电极线1111和多个列排布的多个第二电极线1112。
在一个实施例中，所述网格状电极111包括径向尺寸依次增大的多个环形电极线1113以及连通多个所述环形电极线1113的连接电极线1114。在本实施例中，多个所述环形电极线1113的宽度自内向外逐渐增大，以使得各环形电极线1113的阻值分部更加均匀。
本实施例的电子探测器探测区域110由于注入非常浅的结，所以电阻率比较大，比如当本征层的厚度为10nm，P+层的厚度为10nm，经过热退火之后的镀膜方块电阻约为20kΩ/□，电阻率高达1000Ω·cm，相比之下通过离子注入方式所形成的1μm深度掺杂的方块电阻我们测试为20-30Ω/□。探测器的响应频率除受吸收区厚度、外加电场、以及电子在所在材料中的迁移率影响外，还受到外加有效串联电阻的影响，探测器响应频率计算公式见式(1)。其中f为探测器的响应频率，C为探测器的电容，R为探测器的有效串联电阻。可见，有效串联电阻越大，探测器的响应速度即截止频率便越小。将P型掺杂层103的电阻进行分割并且并联，可以使探测器有效串联电阻大幅度降低，见式(2)。其中R为探测器有效串联电阻，Rtotal为P型掺杂层103的电阻，N为网格化电极等效并联数。因此通过对电极进行网格化，可以提高探测器的响应速度，可以增加探测器的探测器带宽。
在一个实施例中，还包括一背电极109，所述背电极109形成于所述N型掺杂层104表面。通过所述网格状电极111和所述背电极109向探测器施加电压，例如电压差的绝对值为60V，可以使所述硅衬底101形成完全耗尽状态。入射光子及电子在硅衬底101中激发出电子空穴对，电子空穴对在偏置电场的作用下快速定向流动，被电极收集产生电流，从而实现探测功能。
如上所述，本发明的超浅结深低能量电子探测器，具有以下有益效果：
本发明通过单质硼的扩散工艺形成P型掺杂层103，可以形成浓度较高的超浅结深的P型掺杂层103，从而可以实现对500eV以下的低能量电子的探测。本发明可以有效解决电子探测器对低能量电子的探测问题，有效提高对低能量电子的探测效率。
本发明通过对上电极进行网格化处理，可以解决浅层掺杂所引起的探测器串联电阻过高的问题，本发明可以有效降低串联电阻从而提高探测器的响应速度，可以增加探测器的探测器带宽。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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 (10)
1.一种超浅结深低能量电子探测器，其特征在于，所述电子探测器包括：
硅衬底，其包含相对的第一面和第二面；
超浅结深的P型掺杂层，通过在所述硅衬底表面形成硼单质层后进行热扩散的方式形成于所述硅衬底的第一面，所述P型掺杂层的厚度介于3～10nm之间；
N型掺杂层，形成于所述硅衬底的第二面；
保护环结构，自所述P型掺杂层朝所述硅衬底延伸；
阻挡层，形成于所述P型掺杂层上，所述阻挡层中形成有窗口，通过所述窗口定义所述电子探测器的探测区域；
网格状电极，形成于所述探测区域中的P型掺杂层上。
2.根据权利要求1所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：所述硼单质层的厚度介于2nm～3nm。
3.根据权利要求1所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：所述P型掺杂层的掺杂浓度介于1×1018cm-3～1×1020cm-3之间。
4.根据权利要求1所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：所述硅衬底的厚度介于300μm～500μm之间。
5.根据权利要求1所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：所述探测区域的形状包括矩形、圆形、椭圆形、梯形、五边形、六边形和八边形中的一种。
6.根据权利要求1所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：所述网格状电极的材料包括铜、铝、钛、金、银及钨中的一种，且所述网格状电极与所述P型掺杂层为欧姆接触。
7.根据权利要求1所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：所述网格状电极包括交叉排布的多个行排布的第一电极线和多个列排布的多个第二电极线。
8.根据权利要求1所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：所述网格状电极包括径向尺寸依次增大的多个环形电极线以及连通多个所述环形电极线的连接电极线。
9.根据权利要求8所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：多个所述环形电极线的宽度自内向外逐渐增大。
10.根据权利要求1所述的超浅结深低能量电子探测器，其特征在于：还包括一背电极，所述背电极形成于所述N型掺杂层表面。
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