一種復合式δe-e核輻射探測器及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種復合式ΔE-E核輻射探測器及其制造方法，屬于半導體核輻射探測器【技術領域】。本發明的復合式ΔE-E核輻射探測器包括薄型PIN探測器，厚型PIN探測器以及兩者之間的介質鍵合層；薄型PIN探測器與厚型PIN探測器通過介質鍵合層機械固定到一起，并且形成電學互連；所述薄型PIN探測器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探測窗口；所述薄型PIN探測器探測窗口包括P區，N區以及兩者之間的硅層。本發明還公開了所述復合式ΔE-E核輻射探測器的制造方法。本發明可用于空間探測，核物理，醫學檢測，和環境檢測等多個領域。
【專利說明】—種復合式△ E-E核輻射探測器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種復合式ΛΕ-Ε核輻射探測器及其制備方法，屬于半導體核輻射探測器【技術領域】
【背景技術】
[0002]Λ E-E望遠鏡廣泛用于測量粒子的種類和能量，表現為:重離子的檢測和跟蹤、高Y射線輻射下的短程粒子檢測、X射線檢測等。ΛΕ-Ε望遠鏡一般由一個厚PIN探測器和一個薄PIN探測器組成。它的工作原理為:當入射粒子進入Λ E-E望遠鏡中，首先與薄探測器發生作用，失去能量ΛΕ。然后與厚探測器作用，失去剩余能量(Ε-ΛΕ)。利用ΛΕ與Ε-ΛΕ的測量可以測量粒子的能量和質量，進行粒子鑒別。
[0003]在制作探測器時，厚探測器需要制作得足夠厚，從而阻止粒子完全停留在探測器中。而薄探測器需要制作得非常薄，以減少入射的高能粒子在ΛΕ探測器中損失的能量，獲得較高的測量精度。
[0004]傳統意義上的Λ E-E望遠鏡通常由兩個分離的PIN探測器構成，由于薄探測器需要制作得非常薄，所以在實際使用過程中容易破碎，帶來可靠性的問題。同時，分離的探測器也不符合小型化、集成化的發展趨勢。
[0005]為了解決如上的問題，國際上通常采用將薄型的PIN探測器和厚型的PIN探測器集成到一起，組成一個整體單元，利用厚型的PIN探測器來支撐薄型的PIN探測器，從而解決機械可靠性的問題。這種集成結構也有利于減小死層厚度，從而提高探測靈敏度。
[0006]為了制造這種集成的探測器結構，一種方法是利用高能粒子注入，形成導電埋層作為厚型PIN探測器與薄型的PIN探測器的公共電極，再進行低能粒子注入摻雜，形成厚型PIN探測器與薄型的PIN探測器的另一個電極，其中，導電埋層采用另外一次注入摻雜引出電極。這種結構設計能得到超薄的薄型探測器，從而能夠探測超低能量的粒子。整個探測器結構如G.Cardellab等人于 1996年在《Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch A》上發表的名稱為 “A monolithic silicon detector telescope” 的論文中所示；另外一種方法是首先利用擴散摻雜的方法制作厚型的PIN探測器，然后采取外延的方法制作出薄型的PIN探測器，導電埋層采用金線引出。其探測器結構如Kim，C.等人于1982年在《IEEE Transaetions on Nuclear Science》上發表的名稱為“Epitaxial IntegratedE-dE Position Sensitive Silicon Detectors”的論文中所不。還有一種方法是米用金屬硅化物鍵合圓片的方式形成ΛΕ-E核輻射探測器，采用這種方式能得到低阻導電埋層。其探測器結構如G^ran Thungstrdm等人于 1997年在《Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A》上發表的名稱為 “Fabrication of an integrated Δ E-E-si I icondetector by wafer bonding using cobaltdisilicide，，的論文中所不。
[0007]以上集成探測器雖然各具優點，但是制作方法相當復雜，對于前兩種集成式Λ E-E核輻射探測器而言，會帶來相當大的信號串擾問題，而且，死層厚度對粒子探測的影響也顯著增加。
【發明內容】
[0008]本發明旨在克服現有技術的不足，提供一種復合式△ E-E核輻射探測器及其制備方法，獲得的探測器應當具有良好的探測靈敏度、探測效率和機械穩定性，同時，簡化制備工藝，降低成本。
[0009]為達到上述目的，本發明采用的技術方案是:一種復合式ΛΕ-Ε核輻射探測器，包括薄型PIN探測器、厚型PIN探測器以及兩者之間的介質鍵合層，所述薄型PIN探測器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探測窗口。所述厚型的PIN探測器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探測窗口。所述介質鍵合層將薄型PIN探測器與厚型PIN探測器機械固定到一起，并且具備電學連接特性。
[0010]上述技術方案中，所述薄型PIN探測器中高阻硅基片優選為100晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆厘米，厚度在300 μ m到550 μ m范圍內。
[0011]上述技術方案中，所述薄型PIN探測器中高阻硅基片上的探測窗口包括P區，N區以及兩者之間的硅層，該硅層厚度小于100 μ m。所述P區與N區表面均設有鋁層，所述N區優選通過TMAH腐蝕法形成，其外形呈倒圓臺狀，側面和底面的夾角為54.74。。
[0012]上述技術方案中，所述厚型PIN探測器中高阻硅基片優選為111晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆厘米，厚度在300 μ m到1000 μ m范圍內
[0013]上述技術方案中，所述薄型PIN探測器與厚型PIN探測器之間的介質鍵合層優選為Al-Sn-Al結構，所述Al層厚度優選為200nm-500nm,所述Sn層厚度優選為600nm-1000nm。
[0014]本發明還公開了一種復合式Λ E-E核輻射探測器的制造方法，其包括下列步驟:
[0015]a)通過下列步驟制造薄 型PIN探測器:
[0016]1.在第一高阻硅基片上下表面生長足夠厚的二氧化硅層；
[0017]i1.腐蝕正面探測窗口上方二氧化硅層至50nm到200nm厚度；
[0018]ii1.正面注入磷離子，形成N區，快速熱退火；
[0019]iv.常規清洗，雙面淀積氮化硅層；
[0020]V.在背面光刻探測窗口圖形，腐蝕硅基片背面裸露部分直至獲得所需的探測窗口厚度；
[0021]v1.在背面探測窗口注入硼離子，形成P區；離子注入后進行快速熱退火；
[0022]vi1.RIE刻蝕正面氮化硅層；濕法腐蝕正面二氧化硅層；
[0023]vii1.正反兩面濺射鋁層，合金，形成良好的歐姆接觸；
[0024]ix.利用氬離子去除正面鋁電極上的自然氧化層，原位淀積錫層
[0025]b)通過下列步驟制造厚型PIN探測器:
[0026]1.在第二高阻硅基片上下表面生長足夠厚的二氧化硅層；
[0027]i1.背面光刻探測窗口圖形，腐蝕背面探測窗口以及正面高阻硅片上方二氧化硅層至70-100nm厚度；
[0028]ii1.正面注入磷離子，快速熱退火；
[0029]iv.背面注入硼離子，快速熱退火；
[0030]V.去除探測器正反面的二氧化硅層，雙面濺射鋁層；[0031]v1.合金，形成良好的歐姆接觸；
[0032]vi1.利用氬離子去除正面鋁電極上的自然氧化層，原位淀積錫層；
[0033]c)通過下列步驟組裝復合式Λ E-E核輻射探測器:
[0034]1.將薄型PIN探測器與厚型PIN探測器正面重合對準在一起，移至鍵合裝置；
[0035]i1.低溫鍵合；
[0036]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0037]I)本發明首先分別制造出厚型PIN探測器和薄型的PIN探測器，通過介質鍵合層將薄型PIN探測器與厚型PIN探測器集成到一起，工藝簡單可行，提高了成品率；
[0038]2)本發明可集成大面積，超薄厚度的薄型PIN探測器，可以滿足探測質量很大或者能量很低的粒子條件。
[0039]3)本發明采用金屬層作為薄型PIN探測器和厚型PIN探測器的介質鍵合層，有效的避免了電信號的串擾、損耗問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1是本發明實施例復合式Λ E-E核輻射探測器結構示意圖；
[0041]圖2是本發明實施例薄型PIN探測器制造流程示意圖；
[0042]圖3是本發明實施例厚型PIN探測器制造流程示意圖；
[0043]圖4是本發明實施例復合式Λ E-E核輻射探測器的組裝流程示意圖；
[0044]其中:
[0045]A-薄型PIN探測器；Β-厚型PIN探測器；
[0046]1-第一高阻硅基片；21，22_二氧化硅層；31，32_Ν區；41，42_氮化硅層；5_背面探測窗口 ；61，62-Ρ區；71，72-正面鋁層；81，82_背面鋁層；91，92_正面錫層；10_第二高阻
娃基片;
【具體實施方式】
[0047]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0048]在本實施例中，復合式Λ E-E核輻射探測器由薄型PIN探測器與厚型PIN探測器通過金屬低溫鍵合的方式組裝而成的。
[0049]對于薄型PIN探測器而言:
[0050]采用100晶向的N型硅，電阻率大于1500歐姆厘米，厚度為320 μ m ;
[0051]探測窗口呈圓形，包括N區31，P區61，以及兩者之間厚度小于100 μ m的硅膜；
[0052]P區61通過TMAH濕法腐蝕技術形成的，其側面和底面的夾角為54.74° ;
[0053]N區31上方設有正面鋁層71和正面錫層91，P區61上方有背面鋁層81 ；
[0054]對于厚型PIN探測器而言:
[0055]采用111晶向的N型硅，電阻率大于4000歐姆厘米，厚度為420μπι;
[0056]探測窗口由N區32，P區62以及其間的高阻硅片組成，其尺寸大小與薄型PIN探測器探測窗口一致；
[0057]N區32上方有正面鋁層72和正面錫層92，P區62上方有背面鋁層82 ；
[0058]最終制備的傳感器的結構如圖1所示，整個傳感器由薄型PIN探測器A和厚型PIN探測器B構成。
[0059]1、薄型PIN探測器A的工藝流程如圖2所示，包括:
[0060]1、準備η型〈100〉雙面拋光硅片，其電阻率大于1500歐姆厘米，厚度為320 μ m，常
規清洗；
[0061]2、在硅基片兩面生長700nm-800nm的高質量二氧化硅層21，如圖2(a)所示；
[0062]3、腐蝕硅基片正面二氧化硅層到50nm-200nm厚度，如圖2 (b)所示；
[0063]4、在探測器探測窗口正面注入磷，形成N區31，注入能量為120kev，注入濃度為lX1016/cm2，離子注入后進行快速熱退火，如圖2(c)所示；
[0064]5、雙面淀積IOOnm的氮化娃層41,如圖2(d)所示；
[0065]6、在背面光刻探測窗口圖形，分別用RIE和HF去除背面探測窗口圖形下的氮化硅層41和二氧化硅層21，采用TMAH濕法腐蝕，減薄探測器厚度至38 μ m，形成背面探測窗口5，如圖2(e)所示；
[0066]7、在探測器背面探測窗口注入硼，形成N區61，注入能量為45kev，注入濃度為5X1015/cm2，離子注入后進行快速熱退火，如圖2(f)所示；
[0067]8、用RIE刻蝕正面氮化硅層41 ；
[0068]9、去除探測器正面的二氧化硅層，如圖2(g)所示；
[0069]10、雙面濺射500nm的鋁層，如圖2 (g)所示；
[0070]11、合金，形成良好的歐姆接觸，溫度為430度，時間為30min ；
[0071]12、利用氬離粒子去除探測器正面鋁電極上的自然氧化層，原位淀積500nm的錫層91，如圖2(h)所示；
[0072]I1、厚型PIN探測器A的工藝流程如圖3所示，包括:
[0073]1、準備η型〈I11>雙面拋光硅片，其電阻率大于4000歐姆厘米，厚度為420 μ m，常規清洗；
[0074]2、在硅基片兩面生長300nm的高質量二氧化硅層22，如圖3(a)所示；
[0075]3、光刻背面有源區窗口圖形，腐蝕背面以及正面有源區下的二氧化硅層到70-100nm厚度，如圖3(b)所示；
[0076]4、正面注入磷，形成N區32，注入能量為120kev，注入濃度為I X IOlfVcm2,離子注入后進行快速熱退火；
[0077]5、背面注入硼，形成P區62，注入能量為45kev，注入濃度為5 X 1015/cm2，離子注入后進行快速熱退火，如圖3(c)所示；
[0078]6、去除探測器正反面的二氧化硅層，雙面濺射500nm的鋁層，如圖3(d)所示；
[0079]7、合金，形成良好的歐姆接觸，溫度為430度，時間為30min ；
[0080]8、利用氬離子去除正面鋁電極上的自然氧化層，原位淀積500nm的錫層92，如圖3(e)所示；
[0081]II1、復合式ΛΕ-Ε核輻射探測器的組裝流程如圖4所示，包括
[0082]1、將薄型PIN探測器與厚型PIN探測器P區重合對準在一起，移至鍵合裝置；
[0083]2、鍵合溫度為280攝氏度，鍵合壓強為0.25MPa，鍵合時間為3分鐘，氮氣保護進行低溫鍵合，即可得到復合式Λ E-E核輻射探測器。
[0084]以上通過詳細實例描述了本發明，本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明實質的范圍內，可以對本發明做一定的變形或修改；其制備方法也不限于實施例中所公開的內容。
【權利要求】
1.一種復合式ΛΕ-E核輻射探測器，包括薄型PIN探測器、厚型PIN探測器以及兩者之間的介質鍵合層，其特征在于，所述薄型PIN探測器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探測窗口。所述厚型的PIN探測器包括高阻硅基片和所述高阻硅基片上的探測窗口，薄型PIN探測器與厚型PIN探測器通過介質鍵合層機械固定到一起，并且形成電學互連。
2.如權利要求書I所述的復合式△E-E核輻射探測器，其特征在于，所述薄型PIN探測器高阻硅基片為100晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆厘米，厚度在300 μ m到550 μ m范圍內。
3.如權利要求書I所述的復合式ΛΕ-Ε核輻射探測器，其特征在于，所述薄型PIN探測器探測窗口包括P區，N區以及兩者之間的硅層，所述硅層厚度小于100 μ m。
4.如權利要求書I所述的復合式ΛΕ-Ε核輻射探測器，其特征在于，所述厚型PIN探測器高阻硅基片為111晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆厘米，厚度在300μπι到1000ym范圍內.
5.如權利要求書I所述的復合式ΛΕ-Ε核輻射探測器，其特征在于，所述薄型PIN探測器與厚型PIN探測器之間的介質鍵合層為Al-Sn-Al結構。
6.如權利要求書I和5所述的復合式△E-E核輻射探測器，其特征在于，所述Al層厚度為 200nm-500nm。
7.如權利要求書I和5所述的復合式△E-E核輻射探測器，其特征在于，所述Sn層厚度為 600nm-1000nm。
8.一種復合式△ E-E核輻射探測器的制造方法，其包括下列步驟:a)通過下列步驟制造薄型PIN探測器:i.在第一高阻硅基片上下表面生長足夠厚的二氧化硅層；ii.腐蝕正面探測窗口上方二氧化硅層至50nm到200nm厚度；iii.正面注入磷離子，形成N區，快速熱退火；iv.常規清洗，雙面淀積氮化硅層；v.在背面光刻探測窗口圖形，腐蝕硅基片背面裸露部分直至獲得所需的探測窗口厚度；v1.在背面探測窗口注入硼離子，形成P區；離子注入后進行快速熱退火；vi1.RIE刻蝕正面氮化硅層；濕法腐蝕正面二氧化硅層；vii1.正反兩面濺射鋁層，合金，形成良好的歐姆接觸；ix.利用氬離子去除正面鋁電極上的自然氧化層，原位淀積錫層；b)通過下列步驟制造厚型PIN探測器:i.在第二高阻硅基片上下表面生長足夠厚的二氧化硅層；ii.背面光刻探測窗口圖形，腐蝕背面探測窗口以及正面高阻硅片上方二氧化硅層至70-100nm 厚度；iii.正面注入磷離子，快速熱退火；iv.背面注入硼離子，快速熱退火；v.去除探測器正反面的二氧化硅層，雙面濺射鋁層；v1.合金,形成良好的歐姆接觸；vi1.利用氬離子去除正面鋁電極上的自然氧化層，原位淀積錫層；c)通過下列步驟組裝復合式△ E-E核輻射探測器:i.將薄型PIN探測器與厚型PIN探測器正面重合對準在一起，移至鍵合裝置；ii.低溫鍵合；
9.如權利要求書7所述的一種復合式△ E-E核輻射探測器的制造方法，其特征在于，所述低溫鍵合溫度為280°C，鍵合壓強為0.25MPa，鍵合時間為3min。
【文檔編號】H01L31/18GK103515466SQ201210219025
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月26日 優先權日:2012年6月26日
【發明者】朱智源, 于民, 王陪權, 朱韞暉, 孫新, 劉晨晨, 馬盛林, 金玉豐 申請人:北京大學