專利名稱：具有薄互連堆疊的中子傳感器的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及半導體裝置。
背景技術：
中子粒子探測是一種用于核裂變材料探測的方法。由于中子不帶有電荷，它們的探測通常依賴于它們參與核反應。一些中子探測器采用填充有氣體的管，填充有氣體的管含有中子敏感材料，例如3He或者BF3氣體，中子敏感材料與中子反應形成隨后能夠通過電離探測的次生帶電粒子。這種填充適當比例的氣體的中子探測器通常相對較昂貴，體積相對較大，機械強度不高，并且需要大量能量。
發明內容
通常，本發明涉及一種可以用作中子探測器的半導體裝置。半導體探測器(也稱為中子探測器)包括位于(例如，制造在)襯底上的有源半導體層，沉積在有源半導體層上的薄互連層堆疊，和沉積在互連堆疊上的中子轉換層。此外，本發明涉及一種制造半導體裝置的方法。一個方面，本發明涉及一種方法，其包括在襯底上制造有源半導體層，在有源半導體層上沉積互連層堆疊，以及在互連層堆疊上沉積中子轉換層，其中互連層堆疊被構造成使得在中子轉換層中產生的至少大約10%的次生帶電粒子在有源半導體層中能具有足夠的離子軌跡長度以產生可探測電荷。另一方面，本發明涉及一種半導體裝置，其包括襯底，位于襯底上的有源半導體層，沉積在有源半導體層上的互連層堆疊，以及沉積在互連層堆疊上的中子轉換層，其中互連層堆疊被構造成使得在中子轉換層中產生的至少大約10%的次生帶電粒子在有源半導體層中能具有足夠的離子軌跡長度以產生可探測電荷。另一方面，本發明涉及一種半導體裝置，其包括襯底，位于襯底上的有源半導體層，沉積在有源半導體層上的中子轉換層，以及沉積在中子轉換層上的互連層堆疊。在一些例子中，襯底可以包括塊狀半導體襯底或絕緣體上硅(SOI)型襯底。本發明的一個或多個實施例的詳細內容通過附圖和下面的說明書來描述。本發明的其它特征、目的和優點通過說明書和圖以及通過權利要求來體現。
圖1是塊狀半導體襯底上的一個實例中子探測器的示意性側視圖。圖2是塊狀半導體襯底上的另一個實例中子探測器的示意性側視圖。圖3是顯示中子轉換層中的核反應以及在有源半導體層中檢測到的所產生的次生帶電粒子的中子探測器的示意性側視圖。圖4是絕緣體襯底上的一個實例中子探測器的示意性側視圖。圖5是具有沉積在互連堆疊下并且鄰接有源半導體層的中子轉換層的一個實例中子探測器的示意性側視圖。圖6是圖1-4中所示實例中子探測器的一個實例制造方法的流程圖。圖7是圖5中所示實例中子探測器的一個實例制造方法的流程圖。
具體實施例方式通常，本發明涉及一種可以用作固態中子探測器的半導體裝置。固態中子探測器通過使用有源半導體層探測電離輻射的存在來提供中子存在的指示，例如通過中子核反應產生的次生帶電粒子。固態中子探測器使用中子轉換材料的固體膜，中子轉換材料例如為硼-10，當中子遭遇中子轉換材料時，中子轉換材料形成次生帶電粒子，例如α粒子。在此所述的實例中，中子轉換材料設置成鄰接半導體裝置層，該半導體裝置層包含對次生帶電粒子敏感的電荷-敏感電路陣列(例如，一個或多個存儲器電路陣列)，并且半導體裝置層中變化的探測指示中子的存在。次生帶電粒子可以在存在于半導體裝置層中的電氣元件中產生電效應。固態中子探測器具有大規模制造的硅微電子器件的特征尺寸、成本、電壓和功率標定的優點，并且，因此，相對使用包含中子敏感材料的氣體填充管的中子探測器比較便且。在此所述的中子探測器中，中子轉化膜設置成足夠靠近半導體裝置層以便足夠多的次生帶電粒子到達半導體裝置層以產生可探測的變化。在一些實例中，中子探測器包括位于薄互連堆疊頂部的中子轉換層，并且，結果是，中子轉換層鄰接有源半導體層，允許在中子轉換層中產生的大比例的次生帶電粒子在有源半導體層中具有足夠的離子軌跡。這樣，中子探測器提供中子與中子轉換層反應產生的次生帶電粒子的探測。在此所述的中子探測器包括沉積在有源半導體層頂部(也即，在與襯底的相對側上)的中子轉換層。由于中子轉換層和有源半導體層之間的這種相對設置，制造中子探測器的方法允許將中子轉換層添加到半導體裝置，而并不需要對下層襯底、有源半導體層或互連堆疊的制造方法作任何改變。結果是，中子探測器可以相對容易地組合到半導體裝置 (例如，存儲器裝置)中。例如，半導體制造廠能對管芯和裝配級采用常用的制造工藝使得中子轉換層可以以晶片級沉積，從而提供一種較先前的在襯底(該襯底通常為絕緣體上硅 (SOI)絕緣層)背側上具有中子轉換材料的中子探測器更便宜并且更可靠的制造工藝，該先前的中子探測器在管芯級和/或裝配級都需要大量的并且昂貴的工藝設計和變化。在一些實例中，本發明的中子探測器也能夠設置在塊狀半導體材料上，例如體硅， 塊狀半導體材料能夠產生較厚的有源半導體層和較長的帶電-粒子軌跡長度，這能夠對次生帶電粒子探測提供更高可能性。塊狀半導體襯底通常也為次生帶電粒子提供更大敏感橫截面積，這使得特定次生帶電粒子與能夠探測次生帶電粒子的一部分有源半導體層更有可能相遇。在一些實例中，本發明的中子探測器也允許與有源半導體層引線結合(wire bond) 連接。圖1描述了一個實例半導體裝置10，其可以是中子探測器。半導體裝置10，也稱為中子探測器10，包括襯底12，制造在襯底12上的有源半導體層14，沉積在有源半導體層 14上的互連層18的堆疊16 (也稱為互連堆疊16)，和沉積在互連堆疊16上的中子轉換層 20。在一個實例中，互連堆疊16足夠薄以使得在中子轉換層20中產生的至少10%的次生帶電粒子在有源半導體層14中具有足夠的離子軌跡長度以產生可探測的電荷。在另一實例中，互連堆疊16足夠薄以便在中子轉換層20中產生的至少20%的次生帶電粒子在有源半導體層14中具有足夠的離子軌跡長度以產生可探測的電荷。在一實例中，互連堆疊16 具有約0. 5微米至約3微米之間的厚度，例如約0. 8微米至約1. 5微米之間，例如約1. 2微米。在圖1所示的實例中，中子探測器10進一步包括沉積在互連堆疊16和中子轉換層20之間的阻擋層22。阻擋層22能幫助中子轉換材料(可以是導電的)與互連堆疊16 電隔離。阻擋層22也可以幫助促進中子轉換層20和互連堆疊16之間的粘結并且可以幫助防止中子轉換層污染互連堆疊16。互連堆疊16也可以包括互連引線(在圖1中對于第一互連層示意性的示為“Ml”以及對第二互連層示意性的示為“M2”)，導電接觸和通孔24， 和導電結合點位置(bondsite location) 26，其都用于將有源半導體層14電連接到中子探測器10外部的其它電路，例如印刷電路板(未示出)。在一個實例中，中子探測器10使用結合到結合點位置26的引線觀電連接到其它電路，結合點位置沈例如通過通常稱為引線結合的工藝電連接到互連引線M2。最后，中子探測器10可以包括沉積在有源半導體層14 和互連堆疊16之間的隔離層30 (例如由例如二氧化硅形成的介電層)，和沉積在中子轉換層20上的鈍化層32 (例如氮化硅層)。如圖3所示，其為中子與中子探測器進行互相作用的總體說明，中子探測器10通過使用包括中子轉換材料的中子轉換層20來實施中子探測，中子轉換材料與中子34反應以發射出次生帶電粒子36A，36B，36C(統稱為“次生帶電粒子36”)，如圖3所示。次生帶電粒子36穿過中子轉換層20和互連堆疊16以透入有源半導體層14，在此次生帶電粒子36 產生可以被有源半導體層14探測的電荷云38。中子轉換層20沉積在中子探測器10的“正面”，其中“正面”是指有源半導體層14與襯底12相對的側面。中子轉換層20的正面沉積允許這樣的制造方法襯底12、有源半導體層14和互連堆疊16可以采用標準的半導體制造技術來沉積，使得下面的裝置制造工藝無需改變。有利地，這允許制造中子探測器10時不必在制造管芯級和裝配級進行昂貴的修改，而僅僅需要在晶片級進行簡單修改，通過普通沉積方法來增加中子轉換層20、阻擋層22 (如果需要)、粘結層(如果需要)，其中粘結層允許中子轉換層20粘結到互連堆疊16或阻擋層22。在一個實例中，中子轉換層20包括通過磁控管濺射和標準化學氣相沉積技術沉積的純硼-10膜。可以通過標準方法來圖案化和蝕刻硼-10膜以在中子轉換層20中形成結合點位置和通孔。硼-10與中子34反應以發射α粒子和鋰-7離子(7Li)。α粒子和鋰-7離子都是能夠在有源半導體層14中形成電荷云38的次生帶電粒子36的實例。其它可以用在中子轉換層20中的材料包括富含硼-10的合成物，例如摻雜有硼-10的層或含有硼-10的硼磷硅玻璃(BPSG)。中子轉換層20發射的次生帶電粒子36可以是例如α粒子，或鋰_7離子。中子探測器10也可以包括沉積在互連堆疊16和中子轉換層20之間的阻擋層22以電隔離中子轉換層20和互連堆疊16，也促進粘結和防止污染。用作阻擋層22的材料例如可以包括氮化硅或氧氮化物堆疊。粘結層(未示出)也可以用來粘結中子轉換層20和互連堆疊16或阻擋層22。中子探測器10通過當中子34穿過中子轉換層20時將電中性的中子34轉換為次生帶電粒子36 (其中一些次生帶電粒子36穿過互連堆疊16并發射到有源半導體層14)來探測中子。例如借助有源半導體層14中的電荷-敏感電路44的陣列42(例如對單粒子翻轉(single-event upsets, SEU)敏感的SRAM裝置中的)，可以在有源半導體層14中探測次生帶電粒子，如圖3所示。大體朝有源半導體層14方向發射的次生帶電粒子36必須在次生帶電粒子36到達有源半導體層14之前穿過一部分中子轉換層20、阻擋層22(如果存在)和互連堆疊16。發射進入有源半導體層14的次生帶電粒子36沿次生帶電粒子36在有源半導體層14內經過的軌跡40產生電荷云38，軌跡40也稱為離子軌跡40。如果次生帶電粒子36的離子軌跡40具有產生能夠被電荷-敏感陣列42探測的足夠的電荷(以下描述為“可探測電荷”)的至少最小軌跡長度Tlm，則電荷-敏感陣列42 探測到次生帶電粒子36的存在。這個最小離子軌跡長度Tlm依賴于電荷-敏感陣列42中的特定電路44(如圖1所示)的敏感度。在一個實例中，電荷-敏感陣列42具有的靈敏度使得產生可探測的電荷的有源半導體層14中最小軌跡長度Tlm在約0. 2微米至約0. 9微米之間，例如在約0. 4微米至約0. 6微米或0. 5微米之間。從中子轉換層20發射的每個次生帶電粒子36具有有限大小的能量，并且，因而， 具有穿透裝置10的有限的穿透射程R。從中子轉換層20發射的次生帶電粒子36的實際穿透射程R依賴于產生次生帶電粒子36的反應與次生帶電粒子36所穿過的材料。例如，中子與硼-10反應所發射的并且發射經過二氧化硅(可以用作互連層18的介電材料)和硅 (可以用作有源半導體層14的半導體材料)的α粒子已經顯示具有約3. 5微米的穿透射程。由于這種有限的穿透射程R，因此，將中子轉換層20定位成靠近有源半導體層14能幫助改善中子探測器10所實施的中子34的探測。可以基于互連堆疊16和阻擋層22(如果存在)的厚度來選擇中子轉換層20和有源半導體層14之間的距離，該厚度在圖3標示為 T
1 Int0可以估計將到達有源硅層14并進入有源半導體層14的所產生的次生帶電粒子 36的比例，其中有源半導體層14具有足夠產生可探測電荷至少所需的最小離子軌跡長度 Tlont5下面的公式1提供了一個用于估計在中子轉換層20內的特定點的中子的反應所產生的并到達有源硅層14的次生帶電粒子36的比例的方程式。公式1假定次生帶電粒子36從中子轉換層20內的反應點46均勻發射。此外，方程式假定僅僅所產生的次生電荷離子36 的一半(其大體朝有源半導體層14的方向發射)到達有源硅層14。雖然第二假定將50% 所產生的次生帶電粒子36不予考慮，但是可以認為不管中子轉換層20多靠近有源半導體層14，沿遠離有源半導體層14的方向發射的次生帶電粒子36不能被有源半導體層14捕
-M-犾。對于在距離中子轉換層20的底部(“底部”意為中子轉換層20最靠近襯底12的表面)具有深度Tx的反應點46發生的中子轉換反應，基于公式1來確定具有足夠的能量通過具有厚度Tlnt的互連堆疊16和阻擋層22 (如果存在)并進入有源半導體層14至至少所需離子軌跡長度Tlm的次生帶電粒子36的比例。 FTx = ~7C0S
/
/2
,Tlnt+Tx λ
V
尺-Tton 對于中子轉換層20內的所有可能的中子反應，為了估計被捕獲的次生帶電粒子 36的總體比例，完全遍及中子轉換層20的整個厚度對公式1積分，如公式2所示，其中中子轉換層20具有總厚度ΤΝα。
權利要求
1.一種方法，包括在襯底(1 上制造有源半導體層(14)； 在有源半導體層上沉積互連層(18)的堆疊16 ；以及在互連層的堆疊上沉積中子轉換層00)；其中，構造互連層的堆疊以使得在中子轉換層中產生的至少約10%的次生帶電粒子 (36)在有源半導體層中具有足夠的離子軌跡長度(T1J,以在有源半導體層中生成可探測的電荷。
2.權利要求1的方法，其中互連層的堆疊具有小于約1.5微米的厚度。
3.權利要求1或2方法，進一步包括圖案化中子轉換層以使得電連接到互連層的堆疊的一個互連層的互連引線08)。
4.權利要求1-3其中之一的方法，其中沉積襯底包括沉積塊狀半導體材料。
5.權利要求1-3其中之一的方法，其中沉積襯底包括在絕緣層(1 上沉積半導體材料。
6.一種半導體裝置，包括 襯底(12)；位于襯底上的有源半導體層(14)；沉積在有源半導體層上的互連層(18)的堆疊(16)；以及沉積在互連層的堆疊上的中子轉換層OO)；其中，構造互連層的堆疊以使得在中子轉換層中產生的至少約10%的次生帶電粒子 (36)在有源半導體層中具有足夠的離子軌跡長度(TltJ以生成可探測電荷。
7.一種半導體裝置，包括 襯底(72)；位于襯底上的有源半導體層(74)； 沉積在有源半導體層上的中子轉換層(80)；以及沉積在中子轉換層上的互連層(78)的堆疊(76)。
8.權利要求6或7的半導體裝置，其中互連層的堆疊具有小于約1.5微米的厚度。
9.權利要求6或7的半導體裝置，其中襯底包括電絕緣層(13)。
10.權利要求6或7的半導體裝置，其中襯底包括塊狀半導體材料。
全文摘要
具有薄互連堆疊的中子傳感器。其中一種半導體裝置，包括襯底，位于襯底上的有源半導體層，沉積在有源半導體層上的互連層的堆疊，以及沉積在互連層的堆疊上的中子轉換層，其中構造互連層堆疊以使得在中子轉換層中產生的至少約10％的次生帶電粒子(36)在有源半導體層中具有足夠的離子軌跡長度以在有源半導體層中生成可探測的電荷。另一種半導體裝置包括襯底，位于襯底上的有源半導體層，沉積在有源半導體層上的中子轉換層，以及沉積在中子轉換層上的互連層的堆疊。
文檔編號H01L49/02GK102157689SQ20111006131
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月1日 優先權日2010年2月3日
發明者B·J·拉森, P·S·費克納, T·A·蘭達佐 申請人:霍尼韋爾國際公司