专利名称：核辐射探测器及其制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及一种核辐射探测器，尤其涉及在高能物理和核物理中使用的位置灵敏探测器及其制作工艺。
背景技术：
探测器对于高能物理和核物理都非常重要。在核反应中，为了得到核-核碰撞过程及其动力学信息，必须知道出射粒子的角分布或者出射粒子的角关联。为此核反应产物的能量及位置(角分布)的测量是最重要的，例如在核反应中，弹性散射的角分布直接反映了核势的大小和角动量的贡献。上述的测量必须借助于位置灵敏探测器完成。几十年来，随着高能物理和核物理的发展，位置灵敏探测器的发展也经历了不同的发展阶段，采用不同的工艺、技术来制备。已有多种探测器来实现核反应产物的能量和位置(角分布)的同时测量，就半导体Si位置灵敏探测器而言，曾采用面垒，扩散及离子注入等技术制备。如Au-Si面垒探测器，表面漏电流很大，其反向漏电流主要由表面漏电流决定，为此其反向漏电流也很大，所以噪声大，能量分辨率差，长期稳定性不好，不适于高温。此前的离子注入电阻分布式位置灵敏探测器，虽能得到好的位置分辨，但其能量分辨很差，差4～5倍。且不能实现有数个探测器同时测量。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种核辐射探测器及其制作工艺。这种核辐射探测器可用于高粒子多重性的中能重离子碰撞研究，作为粒子鉴别的ΔE探测器；在低能区超重核合成中，用作余核注入探测器，通过对相继衰变的α粒子进行时间、位置的关联测量来指认目标核等。这种核辐射探测器在核物理实验中能同时测量核反应产物的能量和位置(角分布)信息，在得到非常好的位置分辨的同时得到相当好的能量分辨率。
本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现一种核辐射探测器，包括有硅基片，N型，其主要特点是还包括有探测窗口(1)由相互平行的多个探测窗口(1)组成，有B+掺杂区(3)，形成PN结，其上有Al层(2)，并设有引线(7)；两探测窗口(1)之间设有绝缘分割区(4)；硅基片背面有P-掺杂区(5)，形成N+欧姆接触，其上复有Al层(6)，形成背电极。
所述的核辐射探测器还包括有硅基片的电阻率为6000-12000Ω·cm，厚度为300μm～400μm，晶向[111]，荷电载流子寿命为1～3ms，无位错。
所述的绝缘分割区(4)为SiO2分割。SiO2分割区的宽度为100μm-150μm。
本发明核辐射探测器的相互平行的多个探测窗口(1)为1-40条。
所述的核辐射探测器的引线(7)连接射频电缆插座。
本发明的核辐射探测器的制作工艺，其主要特点在于A.表面氧化钝化采用N型硅片，清洗后，在1010℃-1050℃下生成6500-7500的氧化层，表面氧化钝化时，在含有氯离子的气氛中进行。
B.光刻探测器探测窗口(1)。
C.离子注入在探测器探测窗口(1)一面注入B+离子，其注入离子浓度为5×1013/cm2-1×1014/cm2。
D.去掉硅基片背面的SiO2层，注入P-磷离子浓度为5×1015/cm2-1×1016/cm2。
E.离子注入之后，退火分别形成PN结和N+欧姆接触，退火温度为880℃-920℃降到温度660℃-700℃，时间为25～50秒；然后低温退火，温度从660℃-700℃降到室温，时间为25～40分钟，真空气氛。
采用离子注入技术，使得注入结浅且整齐，PN结为突变结，从而使探测器有好的电特性及探测特性。
F.P+面刻孔，溅射Al，低温合金形成电极。
G.氧化层区域反刻，去掉Al层，形成绝缘分割区(4)。
H.N+面蒸Al(6)，形成背电极。
采用低温慢降温退火和芯片背面磷吸杂工艺，保持高阻硅晶片完美晶格和长的少子寿命，有效减小暗电流。
所述的核辐射探测器的制作工艺的氯离子的气氛为由氮气通过三氯乙烯液体将氯离子带入，流量为0.1-0.3升/分钟，氧气流量为5-8升/分钟，温度为950℃～1050℃。
所述的核辐射探测器的制作工艺，所述的P-掺杂区(5)形成N+层的厚度为1.5～2.0μm。所述的背电极Al层(6)，厚为0.3-0.6μm。
上述工艺流程的每一步都是十分重要的，要求也非常严格，尤其以下几方面是关键a.氧化层的质量对探测器的性能有决定性影响，尤其是漏电流，所以，严格控制氧化条件非常重要。而在氧化层生长前和生长时，系统都经Cl离子处理，这主要是因为Cl-离子主要分布在Si-SiO2界面附近，它能较多地填补氧的空位，形成Si-Cl负离子中心，从而控制和减少氧化层的固定正电荷和可动正电荷，减少界面态密度。Cl-离子还能明显地吸除晶体中的有害杂质和缺陷，提高少子寿命和氧化层质量，减少漏电流。
b.少子寿命是晶体材料完整性和掺杂浓度的重要表征，漏电流和少子寿命成反比关系，长寿命的芯片做成PN结后，如能保持或增加少子寿命，则可望得到很低的漏电流。但高阻材料很容易引入杂质污染，所以要从清洗液、器具、氧化气体和管道、离子注入和退火工艺、光刻以及金属化每道工序都要严格操作，保持高度清洁，并尽量简化工艺流程来严防杂质污染。
c.另外，为了保持材料晶格完整，避免少子寿命减少，本发明，采用高温工艺后的缓降温和背面磷吸杂技术，保持高阻晶片完美晶格和长的少子寿命，可有效减少漏电流。
本发明的有益效果是1.本发明的核辐射探测器具有优良的电特性和探测特性。在核物理实验中能同时测量核反应产物的能量和位置(角分布)信息，在得到非常好的位置分辨的同时得到相当好的能量分辨率。
2.由于在工艺流程中严格控制和严格操作，采取特殊Cl离子处理，减少了SiO2层中的正电荷。并减少了SiO2-Si界面附近的表面态，使探测器的反向漏电流比其他工艺例如面垒工艺制备的探测器下降1～2个量级，达到nA量级。
具有非常好的位置分辨率，优良的能量分辨率，非常快的时间响应及很宽的线性范围等优点。
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述
图1为本发明实施例的主视图。
具体实施例方式实施例1见图1，核辐射探测器，将有效面积为50×20mm2的硅基片，N型，探测窗口1由相互平行的16个探测窗口1组成，每个硅条宽3mm，长20mm，有B+掺杂区3，形成PN结，其上有Al层2，并设有引线7；两探测窗口1之间设有SiO2绝缘分割区4，SiO2分割区的宽度为140μm；硅基片背面有P-掺杂区5，形成N+欧姆接触，其上复有Al层6，形成背电极。硅基片的电阻率为8000-12000Ω·cm，厚度为300μm，晶向[111]，荷电载流子寿命为1～3ms，无位错。引线7连接射频电缆插座。
实施例2核辐射探测器的制作工艺A.表面氧化钝化采用N型硅片，清洗后，在1030℃下生成7000的氧化层，表面氧化钝化时，氯离子的气氛为由氮气通过三氯乙烯液体将氯离子带入，流量为0.2升/分钟，氧气流量为6升/分钟，温度为950℃～1050℃。
B.光刻探测器探测窗口1。
C.离子注入在探测器探测窗口1一面注入B+离子，其注入离子浓度为5×1013/cm2-1×1014/cm2。
D.去掉硅基片背面的SiO2层，注入P-磷离子浓度为5×1015/cm2-1×1016/cm2。P-掺杂区5形成N+层的厚度为1.5～2.0μm。
E.离子注入之后，退火分别形成PN结和N+欧姆接触，退火温度为900℃降到温度680℃，时间为25～50秒；然后低温退火，温度从680℃降到室温，时间为30分钟，真空气氛。
F.P+面刻孔，溅射Al，低温合金形成电极。
G.氧化层区域反刻，去掉Al层，形成绝缘分割区4。
H.N+面蒸Al，形成背电极。背电极Al层，厚为0.5μm。
经上述工艺制作的探测器，其测试结果如下本发明探测器的性能测试1.电特性a.I-V特性(漏电流与电压的依赖关系)本发明的I-V特性是使用HP4156B半导体参数测试仪在屏蔽探针台中逐条测量而得到的。当反向工作偏压由0V增加到100V(扫描)时，漏电流可动态显示成一条曲线。
表1本发明的核辐射探测器的反向漏电流(工作偏压50V，室温25℃)
由上表可得出本发明的核辐射探测器在室温25℃，50V工作偏压下的漏电流，在此条件下，漏电流均小于2nA。
探测器的反向漏电流主要由三部分组成产生电流、扩散电流和表面漏电流。在室温下，硅PN结反向扩散电流典型值为10-12A/cm2，其反向产生电流典型值在10-9A/cm2量级。本发明由于采用表面钝化及Cl离子处理等措施使其表面漏电流降到与反向产生电流相比拟的水平。反向产生电流有关系式Igen∝(Vbi+V)1/2，可见，器件未达到全耗尽以前其反向产生电流会随着反向工作偏压的增加而增加。
b.C-V特性(探测器电容对工作偏压的关系)本发明的核辐射探测器的电容是随着工作偏压的增加而减少的。当工作偏压到达30V时，曲线有一拐点，其后基本上不再变化，这表明，此时探测器已全耗尽。
2.探测特性a.用放射源检测本发明的核辐射探测器已用239Puα-源(在真空中)进行了检测。在核辐射探测器处在全耗尽情况下，当α粒子从前窗(P面)入射探测器时，得到能量分辨为0.48％-0.99％。可见这种探测器的能量分辨是非常好的。当α-粒子从本发明的核辐射探测器背面(N面)入射时，得到的能量分辨为1.17％～1.49％，α粒子从探测器背面入射能量分辨变差，主要原因在背面有约1.5～2.0μm的N+层以及厚约0.5μm的Al层，这两部分构成了探测器背面的死层，造成α粒子的能量分散。
b.加速器束流能量测量核辐射探测器已用于精确测量兰州重离子加速器SFC的出射粒子能量。用本发明的核辐射探测器所测得的SFC C离子能谱。测得C离子能量7.2MeV/u，能量分辨0.27％。
c.Si条间信号的相互影响与其他探测器相比，本发明的核辐射探测器的一个特殊问题是相邻Si条之间的相互影响，即当带电粒子从一个硅基片上的两相邻探测窗口1之间的边界区域入射时，会有相互影响发生，当α粒子从我们测试的本发明的核辐射探测器的第9条探测窗口1和第10条探测窗口1间的边界区域，包括它们之间的间隔区域入射时，所发生相互影响的情况，测量结果表明，当α粒子从P面入射时，相互影响大约为8％，当α粒子从背面(N面)入射时，相互影响大约为4％。但相隔探测窗口1间没有影响。
使用时，当探测器加上反向偏压时，随着偏压的增加，其耗尽层不断加厚。反向偏压适当高时，例如≥30V，探测器处于全耗尽状态。当探测器工作在全耗尽偏压下，每一条的反向漏电流的典型值＜2nA。对239Puα粒子的能量分辨为0.5～0.9％，相邻条之间的相互影响为4％～8％。当带电粒子穿过或被阻止时，该粒子所损失的能量要产生其数量与该能量成正比的电子—空穴对。在电场作用下，这些电子、空穴分别向背电极和前电极运动，电极上的收集信号即反映了粒子能损的信息。每一条探测窗口1可视为一独立的探测器，从每一条的前电极可引出能损信号。
权利要求
1.一种核辐射探测器，包括有硅基片，N型，其特征是还包括有探测窗口(1)由相互平行的多个探测窗口(1)组成，有B+掺杂区(3)，形成PN结，其上有Al层(2)，并设有引线(7)；两探测窗口(1)之间设有绝缘分割区(4)；硅基片背面有P-掺杂区(5)，形成N+欧姆接触，其上复有Al层(6)，形成背电极。
2.如权利要求1所述的核辐射探测器，其特征是还包括有硅基片的电阻率为6000-12000Ω·cm，厚度为300μm～400μm，晶向[111]，荷电载流子寿命为1～3ms，无位错。
3.如权利要求1所述的核辐射探测器，其特征是绝缘分割区(4)为SiO2分割。
4.如权利要求1所述的核辐射探测器，其特征是SiO2分割区的宽度为100μm-150μm。
5.如权利要求1所述的核辐射探测器，其特征是所述的相互平行的多个探测窗口(1)为1-40条。
6.如权利要求1所述的核辐射探测器，其特征是还包括有引线(7)连接射频电缆插座。
7.如权利要求1所述的核辐射探测器的制作工艺，其特征在于A.表面氧化钝化采用N型硅片，清洗后，在1010℃-1050℃下生成6500-7500的氧化层，表面氧化钝化时，在含有氯离子的气氛中进行。B.光刻探测器探测窗口(1)。C.离子注入在探测器探测窗口(1)一面注入B+离子，其注入离子浓度为5×1013/cm2-1×1014/cm2。D.去掉硅基片背面的SiO2层，注入P-磷离子浓度为5×1015/cm2-1×1016/cm2。E.离子注入之后，退火分别形成PN结和N+欧姆接触，退火温度为880℃-920℃降到温度660℃-700℃，时间为25～50秒；然后低温退火，温度从660℃-700℃降到室温，时间为25～40分钟，真空气氛。F.P+面刻孔，溅射Al，低温合金形成电极。G.氧化层区域反刻，去掉Al层，形成绝缘分割区(4)。H.N+面蒸Al(6)，形成背电极。
8.如权利要求7所述的核辐射探测器的制作工艺，其特征在于所述的氯离子的气氛为由氮气通过三氯乙烯液体将氯离子带入，流量为0.1-0.3升/分钟，氧气流量为5-8升/分钟，温度为950℃～1050℃。
9.如权利要求7所述的核辐射探测器的制作工艺，其特征在于所述的P-掺杂区(5)形成N+层的厚度为1.5～2.0μm。
10.如权利要求7所述的核辐射探测器的制作工艺，其特征在于所述的背电极Al层(6)，厚为0.3-0.6μm。
全文摘要
本发明主要涉及一种核辐射探测器，尤其涉及在高能物理和核物理中使用的位置灵敏探测器及其制作工艺。一种核辐射探测器，包括有硅基片，N型，其主要特点是还包括有探测窗口(1)由相互平行的多个探测窗口(1)组成，有B
文档编号G01T1/24GK1773309SQ20041007328
公开日2006年5月17日 申请日期2004年11月11日 优先权日2004年11月11日
发明者谭继廉, 靳根明, 田大宇, 宁宝俊, 王小兵, 王宏伟, 段利敏, 袁小华, 李松林, 卢子伟, 马连荣, 徐瑚珊 申请人:中国科学院近代物理研究所