CN1328348A - 制备光电探测器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备光电探测器的方法。采用特殊版图设计,宽引线铝覆部分场区,氯离子处理炉管,在有氢气氛的低温炉中退火,慢降温和磷吸杂工艺。经此方法制备的光电探测器反向击穿高,暗电流小,结电容小,响应速度快,光谱响应范围广,参数优异并稳定。可广泛应用于光电探测器的制备领域。

Description

制备光电探测器的方法
技术领域：本发明涉及一种硅材料半导体器件的制备方法，尤其是一种制备光电探测器的方法。
技术背景：光电探测器是一种硅材料半导体器件，它是由PN结的P区N区和两区之间的i本征层所组成。光电探测器是高纯单晶片，在工艺中把一定计量的硼杂质注入硅片，经退火形成硼浅结的P区。硅片背面注磷，形成N区和欧姆接触。P区N区之间的高纯硅材料就是i本征层。由于有这种结构，也叫PIN光电二极管。
现有的光电探测器由于制造工艺不同，器件参数差别很大。即便是一种工艺，也会造成制备出来的器件性能有较大差异。因此很难满足应用的需要。
发明内容：本发明的目的是提供一种稳定的光电探测器制备方法，使得经此方法制备的光电探测器反向击穿高，暗电流小，结电容小，响应速度快，光谱响应范围广，参数优异并稳定。
本发明的制备光电探测器的方法，其步骤包括：
1.设计光电探测器单元版图，
单元版图可采用下列设计：铝环、铝引线、硼扩区四角为圆弧设计，圆弧半径大于100微米；铝引线宽50-100微米，引线孔宽10-20微米，距厚氧区大于20微米，覆盖厚氧5-10微米；铝环宽50-100微米；场区厚氧层厚度大于500纳米；P区扩硼，结深100-500纳米。
2.必要时的炉管预处理：
净化炉管；然后升炉温到1100℃，通三氯己烯处理炉管2小时；然后降炉温到800℃，将洗净的硅片放入炉管。
3.生长氧化硅：
升炉温到1000℃以上，通氧气2-10分钟；然后同时通入氧气和氮气不短于10分钟，生长氧化硅，同时通入的氧气和氮气份比为1∶2最佳；再在炉管水汽氧化2-3小时；然后干氧生长20-30分钟，然后通氮断氧，生长800纳米以上厚度的氧化硅；然后将炉管慢降温；最后取出硅片；
慢降温过程为将炉管慢降温到800℃以下，然后断电使其自然降温。
取出硅片后，可漂掉全部氧化层，重复氧化过程，再生800纳米以上厚度氧化层。
4.背面扩磷：用胶保护硅片正面，腐蚀掉背面氧化层，然后背面扩磷：
5.光刻有源区；
6.浅结注入硼，条件为35keV(千电子伏)，BF2(氟化硼)浓度5E14/cm2；
7.退火：1000℃氮气保护高温快速退火1分钟左右；然后在氮氢保护下低温炉退火2-4小时；
8.光刻引线孔；
9.溅射铝引线，得到光电探测器芯片。
本发明对版图进行了新设计，加宽铝引线宽度，覆盖场区厚氧，四角都为圆弧设计，可避免低压漏电和击穿，也增加了器件的可靠性。否则，器件在使用中会出现100伏以内的反向电压击穿。
生长氧化层前要用三氯乙烯处理炉管，防止生长的氧化层中有金属离子沾污。不然氧化层中金属离子正电荷将形成介面层漏电沟道。
在有氢气氛的低温炉中退火，减少氧化层中的非饱和悬挂键及其它介面态，切断介面态漏电机制。
高温过程后慢降温，可使晶体晶格更好的恢复，从而增加少子寿命。因暗电流和少子寿命成反比关系。(暗电流/少子寿命的理论关系式I＝qnXA/2τ，I为电流，q为电量，n为电荷数量，XA为体积，τ为少子寿命)。
磷吸杂工艺
吸杂工艺有很多种，如多晶硅吸杂、本征吸杂等。应用磷吸杂工艺较简单，并且区兼容。吸杂可以把晶体内的缺陷和重金属离子吸收到磷的高掺杂区。减少复合中心电流。因为，空间电荷区的缺陷，复合中心都是黯电流产生根源。
本发明的光电探测器可应用在高能粒子对撞机的量能器上，接收粒子碰撞时产生的紫光光谱。通过检测、计算、对比，就能判断，粒子的碰撞是否有新物质产生。本发明的光敏有效面积为16.1*17.1mm2的光电探测器，它适于偶合大面积钨酸铅晶体探测峰波长450纳米微弱萤光。它有不同于普通光电器件特点，在25℃时，全耗尽电压条件下暗电流极小，约3nA(纳安)。光谱波长400-500nm时量子效率70-80％，全耗尽电容小于120pF。
本发明的光电探测器暗电流极小，电容也小，所以器件噪声较低，频率响应也高。其最突出的特点是对紫光和近紫外光(300nm)敏感度高，是国内外同类器件最高水平。
中国计量院测试证书(见说明书附件)中是本发明光电探测器光谱响应度的测试数据。根据数据按照量子效率/响应度关系式
                η＝1.24R(λ)/λ
(η表示量子效率，R(λ)光谱响应度，λ表示波长)
可以计算出近紫外光300nm处的量子效率，挪威产AME型探测器的量子效率是4％，本发明光电探测器的量子效率是20％，是他们的五倍。
图3是本发明光电探测器的光谱响应曲线。图4是本发明光电探测器的量子效率曲线。图5是光电探测暗电流与反向电压的关系曲线，测试环境25℃，由图可以看出在-10伏时，每平方厘米的光敏面积暗电流约0.4纳安。图6说明加在探测器两极的反向电压越大，结电容越小，到-30伏，结全耗尽，结电容为稳定值，每平方厘米的光敏面积45pF。
本发明光电探测器和挪威产AME型探测器的主要参数比较
               本发明(中国)              AME(挪威)有效光敏面积(mm      161*171                16.1*17.1光谱响应度(A/W)(400nm)0.262(450nm)0.302     (450nm)0.29量子效率(％)   (300nm)20(400nm)70        (300nm)4(400nm)41击穿电压(V)          150--700                 120--500暗电流(nA)           3                          5全耗尽电容(pF)       120                        150
附图说明：
图1本发明光电探测器平面结构示意图
1---铝环圆弧角  2---铝引线圆弧角   3---铝引线  4---铝环
5---压点  6---场区  7---有效光敏区
图2本发明光电探测器剖面结构示意图
8----陶瓷管壳  10---P区扩硼  11---氧化硅  12---氮化硅薄膜层
13----电极引线 14---硅基高阻i本征区  15---N区，即电极欧姆接触区
图3本发明光电探测器的光谱响应曲线
图4是本发明光电探测器的量子效率曲线
图5是光电探测暗电流与反向电压的关系曲线
图6本发明光电探测器电容--电压关系曲线
具体实施方式：一、版图设计。
考虑到击穿电压和表面漏电流，图形尽量设计成圆形，避免尖角，防止电场集中尖端漏电。器件的有源区和铝引线都设计成了圆角。另外，表面外部设计有宽的铝带，用于均衡带电粒子的静电场。二、制造工艺1.氧化硅生长前
首先要把炉管处理干净。方法是：升炉温到1100℃通三氯己烯处理炉管2小时，再把炉温降到800℃。然后再把清洗干净的硅片慢慢放入炉管内。以免温度骤变，引起硅片变形太大。40分钟内一直氮气保护。2.氧化硅生长
升炉温到1000℃，通氧气2-10分钟，接着，同时通入1份氧气和2份氮气10多分钟后，关断氮气，几分钟后关断氧气。这期间生长一层致密的氧化硅。接着，打开氢氧合成器，通入炉管2-3小时。这段时间水汽氧化，生长的氧化硅质地少差，但氧化硅生长速度较快。接着，关短氢氧合成器停止水汽氧化，接通氧气干氧生长20-30分钟，再打开氮气关断氧气。这时，8000埃以上厚氧化硅生长完成了。下面就是慢降温过程。从1000℃慢降到800℃需要400分钟，到800℃时，关断电源，让炉温自然下降。炉温到200℃以下，就可以把氧化硅好的硅片取出了。取出后，漂掉全部氧化层，重复上面氧化过程，再生氧化层。3.用胶保护硅片正面，腐蚀掉背面氧化层，然后背面扩磷。4.光刻有源区。5.浅结注入硼35keV BF2浓度5E14/cm26.高温快速退火氮气保护，950℃ 45秒7.低温炉退火(氮，氢气分保护)N2∶H2＝60∶4，3.5小时8.光刻引线孔。9.溅射铝引线，
通过以上工艺就制造出了本发明光电探测器的芯片。再经过划片，测试，把芯片封装在陶瓷管座里，就完成了器件的制造。

Claims (8)

1.一种制备光电探测器的方法，其步骤包括：
1)设计光电探测器单元版图，
2)生长氧化硅：
升炉温到1000℃以上，通氧气2-10分钟；
同时通入氧气和氮气不短于10分钟，生长氧化硅；
在炉管水汽氧化2-3小时；
然后干氧生长20-30分钟，然后通氮断氧，生长800纳米以上厚度的氧化硅；
将炉管慢降温；
取出硅片；
3)背面扩磷：
用胶保护硅片正面，腐蚀掉背面氧化层，然后背面扩磷：
4)光刻有源区；
5)浅结注入硼；
6)退火；
7)光刻引线孔；
8)溅射铝引线，得到光电探测器芯片。
2.如权利要求1所述的制备光电探测器的方法，其特征在于
单元版图铝环、铝引线四角、硼扩区为圆弧设计，圆弧半径大于100微米；
铝引线宽50-100微米，引线孔宽10-20微米，距厚氧区大于20微米，覆盖
厚氧5-10微米；
铝环宽50-100微米；
场区厚氧层厚度大于500纳米；
P区扩硼，结深100-500纳米。
3.如权利要求1所述的制备光电探测器的方法，其特征在于生长氧化硅前作炉
管预处理：
净化炉管；
升炉温到1100℃；
通三氯已烯处理炉管2小时；
降炉温到800℃；
然后将洗净的硅片放入炉管。
4.如权利要求1所述的制备光电探测器的方法，其特征在于生长氧化硅过程中，取出硅片后，漂掉全部氧化层，重复氧化过程，再生800纳米以上厚度氧化层。
5.如权利要求1所述的制备光电探测器的方法，其特征在于生长氧化硅时同时通入的氧气和氮气份比为1∶2。
6.如权利要求1所述的制备光电探测器的方法，其特征在于生长800纳米以上厚度的氧化硅后将炉管慢降温到800℃以下，然后断电使其自然降温。
7.如权利要求1所述的制备光电探测器的方法，其特征在于浅结注入硼的条件为35keV，BF2浓度5E14/cm2。
8.如权利要求1所述的制备光电探测器的方法，其特征在于退火过程为1000℃氮气保护高温快速退火1分钟左右；
然后在氮氢保护下低温炉退火2-4小时。
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