专利名称：基于碳化硅结型场效应管的β辐照探测器的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子领域，尤其涉及到一种基于碳化硅结型场效应晶体管结构的β 射线辐照探测器，可用于核能中β射线电离辐射探测领域。
背景技术：
半导体辐射探测器是继气体探测器，闪烁体探测器之后发展起来的一种新型的先 进的探测器。其基本原理是采用半导体工艺，如蒸发，扩散，离子注入等，在半导体基片上， 通过在反向偏压的工作条件下制成较厚的耗尽层或扩散区，用来探测入射射线或带电粒 子。现有的半导体辐射探测器都是基于Si，GaAs材料的二极管和PIN管等结构，主要用在 探测α粒子、β射线和中子等。半导体辐射探测器对材料有很高的要求，一般认为应该具有以下的特性(1)较大的禁带宽度，保证探测器工作时，具有较高的电阻率和较低的漏电流；(2)良好的工艺性能，容易制得纯度高，完整性好的晶体，同时具有良好的机械性 能和化学性能，便于进行机械加工，容易制作成势垒接触或欧姆接触；(3)优异的物理性能，能耐较高的反向偏压，反向电流小，正向电流也小；同时材 料中载流子的迁移率-寿命积要大，确保探测器具有良好的能量分辨率。传统的Si、GaAs 结型场效应晶体管器件已不太适合核辐射探测等领域，是因为这些器件的热导率低、击穿 电压较低、功率密度低、抗辐照性能不佳。为了满足在国防及医疗领域对高性能，高可靠性 半导体辐射探测器的需求，需要开发基于新型半导体材料的辐射探测器。半导体材料的SiC具有宽禁带宽度 3. &V)、高饱和电子漂移速度 (2. OXlO7Cm · s-1)、高击穿电场(2. 2MV · cm"1)、高热导率(3. 4 4. 9W · cnT1 · Γ1)等性能， 并且具有较低的介电常数，这些特性决定了其在高温、高频、大功率半导体器件、抗辐射、数 字集成电路等方面都存在极大的应用潜力。具体地说，就是SiC材料的宽带隙决定了其器 件能在相当高的温度下(500°C)工作，再加上它的原子临界位移能大，这使得SiC器件有着 好的抗辐照能力，尤其是在高温和辐照并存的情况下，SiC器件成了唯一的选择。因此基于 SiC材料的抗辐射半导体器件在辐射探测领域将会有更好的应用前景。文献《JFET optical detectors in the charge storage mode》介绍的 J. M. SHANNON, JAN L0HSTR0H等人提出的Si结型场效应管结构的探测器。文 献“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 583 (2007) 157-161"《Silicon carbide for UV, alpha, beta and X-ray detectors Results and perspectives》介绍了意大利的 Francesco Moscatelli 提出的 SiC 肖特基结 构的β探测器，但是肖特基势垒结构的探测器的制作工艺不适合在单片上的集成，探测范 围较小，无法满足低剂量射线探测的需求，进而提出了采用容易单片集成的场效应晶体管 制作探测器的设想，来解决无法集成的问题。结型场效应管由于是多子器件，本身具有极强的抗辐射性能，且和双极晶体管 & MOS 11 ，*禾Ι」Τ·_@0 i·〈〈Design and Process Issues of Junction and
3Ferroelectric-Field Effect Transistor in Silicon Carbide〉〉中 Sang-Mo Koo 介绍了 SiC的结型场效应管及其制造工艺，如图2所示，其结构是半绝缘的N+衬底上是P+外延层， P+外延层上是N+沟道层，在N+沟道层的中间区域是P+栅区，在两侧区域是源漏区，在源、 漏和栅区上分别是欧姆接触的电极。其工艺步骤是在半绝缘的N+衬底上外延一层P+外延 层，然后在P+外延层上外延N+沟道，接着通过离子注入P杂质形成重掺杂的P+栅区，然后 分别在源、漏及栅区制作欧姆接触的电极。但是这种结构由于没有涉及缓冲层，因而在核射 线照射下，入射的射线会造成表面陷阱效应，吸收沟道中的载流子数目，减小沟道电流，削 弱器件的探测能力，因而不适合制作辐照探测器。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了基于一种包含了双缓冲层的 碳化硅结型场效应管的β辐照探测器及其制作方法，利用SiC材料在辐照方面的独特优 势，通过设置缓冲层，减少核辐照射线对器件的表面陷阱效应的影响，减少对沟道中载流子 数目的影响，增强探测器的探测能力。为了实现上述目的，本发明的β辐照探测器，从上到下包括高掺杂的P+型栅区、 N+型SiC源漏层、N型掺杂的缓冲层、N型沟道层、P型掺杂的缓冲层以及4H-SiC半绝缘衬 底，在P+栅区上和N+源漏区上引出由重掺杂形成的欧姆接触，整个欧姆接触层外边缘矩形 区域均有SW2钝化层，其特征在于N+型SiC源漏层与N型沟道层之间设有N型掺杂缓冲 层；在N型沟道层和4H-SiC半绝缘衬底之间设有P型掺杂缓冲层，形成双层缓冲层结构。为实现上述目的，本发明制作β辐照探测器的方法，包括如下步骤1.用N型4H_SiC基片作为衬底，在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长 掺杂浓度为ι. ο χ IO15CnT3 5. O X IO15Cm"3,厚度为0. 1 μ m 0. 2 μ m的P型缓冲层；2.在P型缓冲层上外延掺杂浓度为1 X IO1W3,厚度为0. 4 μ m的N型沟道；3.在N型沟道上部外延掺杂浓度为1.0X1015cm_3 5.0X1015cm_3，厚度为 0. 1 μ m 0. 2 μ m的N型缓冲层；4.在N型缓冲层上先外延N型层，再在N型层上进行浓度为2 X IO1W3,深度为 0. 6 μ m的离子注入，形成N+型SiC源漏层，再在Ar气氛围的1600°C高温下快速退火10分 钟；5.在1100士50°C温度下，对步骤中退火后的基片进行干氧氧化，形成SiO2钝化 层；6.在SiO2钝化层的中间区域，选用浓度为5%的缓冲HF酸腐蚀出场效应晶体管 的栅极区域；7.对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2X 1019cm_3，深度为 0. 4 μ m的离子注入，形成重掺杂的P+栅区，通过对该P+栅区的干氧氧化，形成起保护作用 的SW2钝化层；8.选用浓度为5%的缓冲HF酸对步骤7处理后的基片进行腐蚀，在SW2钝化层 上刻蚀出N+型SiC源漏层，同时去除P+栅区上的钝化层，在源漏区及栅区制作欧姆接触电 极；9.在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0. 02 μ m，再通过超声波剥离形成键合层。本发明与现有技术相比具有如下优点1)本发明由于增加了两层缓冲层，可以使得有效导电沟道远离表面，从而削弱或 者消除表面陷阱对器件的电学性能的影响及表面陷阱效应，提高了器件性能；2)本发明由于利用了碳化硅材料抗辐照能力强的特点，可以保证在核辐射和宇宙 射线的辐射下，探测器设备仍可以正常工作，对于探测β射线是非常有利的；
图1是本发明的结构示意图；图2是常规的场效应管的结构示意图；图3是本发明制作方法的主要流程示意图。
具体实施例方式参照图1，本发明的β辐照探测器从下到上包括掺杂浓度为5X1017cm_3，厚度为 0. 4 μ m的N型4H-SiC衬底8，衬底的上面是一层掺杂浓度为1.0X IO15CnT3 5. 0X IO1W, 厚度为0. 1 μ m 0. 2 μ m的P型缓冲层7，P型缓冲层7上是掺杂浓度为1 X 1016cnT3，厚度 为0. 4μ m的N型沟道6，N型沟道6上是一层掺杂浓度为1. OX IO15CnT3 5. 0X 1015cnT3， 厚度为0. 1 μ m 0. 2 μ m的N型缓冲层5，N型缓冲层5上是掺杂浓度为2X 1019cnT3，厚度 为0. 6 μ m的N+型源漏层4，N+型源漏层4上的中间区域是掺杂浓度为2X 1019cm_3，厚度为 0. 4μ m的P+栅区1，在栅区1和源漏层4上都有欧姆接触电极2，在栅源极、栅漏极之间的 区域均有S^2钝化层3作为保护层。参照图3，本发明的制作方法通过下面实施例说明。实施例1第1步.用掺杂浓度为5X1017Cm_3，厚度为0.4μm的N型4H-SiC基片作为衬底8， 在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长掺杂浓度为^父川 ！！^，厚度为化丨口!!! 的P型缓冲层7，如图3a，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体 为C3H8, SiH4和H2，其中H2为携带气体。第2步.在P型缓冲层上外延N型沟道6，掺杂浓度为1 X 1016cm_3，厚度为0. 4 μ m， 如图北，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、SiHjP H2, 其中吐为携带气体。第3步.在N型沟道6上部外延掺杂浓度为1. 0 X 1015cm_3，厚度为(XlymWNS 缓冲层5，如图3c，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、 SiH4* H2，其中H2为携带气体。第4步.在N型缓冲层5上先外延N型层，再在N型层上进行浓度为2 X IO1W3, 深度为0. 6 μ m的离子注入，形成N+型SiC源漏层4，再在Ar气氛围的1600°C高温下快速 退火10分钟，如图3d，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为 C3H8, SiH4和H2，其中H2为携带气体。第5步.在1100 士 50°C温度下，对步骤4中退火后的基片进行2小时的干氧氧化， 形成SW2钝化层，如图3e。
第6步.在SW2钝化层的中间区域，选用浓度为5%的缓冲HF酸，腐蚀出场效应 管的栅极区域，如图3f。第7步.对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2 X IO19Cm-3,深度为 0.4μπι的离子注入，从而形成重掺杂的P+栅区1 ；接着对P+栅区1在1100士50°C温度下， 进行2小时的干氧氧化，形成起保护作用的SW2钝化层，如图3g和图3h，该外延的工艺条 件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2，其中H2为携带气体。第8步.选用浓度为5%的缓冲HF酸对步骤7处理后的基片进行腐蚀，从而在SW2 钝化层上刻蚀出源漏区的有效区域，使露出N+型SiC源漏层4，同时也把P+栅区1的钝化 层去除；清洗后，在源漏区及栅区采用电子束蒸发Ni作为欧姆接触的金属，在Ar+1% H2氛 围和950°C的温度下退火5分钟，形成良好形貌的欧姆接触金属源漏极和栅极，接着电镀一 层Ti/W引出作为电极，如图3i和图3j。第9步.在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0. 02 μ m,再通过超声波剥离形 成键合层。实施例2第一步用掺杂浓度为5 X 1017cm_3，厚度为0. 4 μ m的N型4H_SiC基片作为衬底8，在 该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长掺杂浓度为2. 5X1015cm_3，厚度为0. 15μπι 的P型缓冲层7，外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、SiH4 和H2，其中H2为携带气体，如图3a ；第二步在P型缓冲层上外延掺杂浓度为1 X 1016cnT3，厚度为0. 4 μ m的N型沟道6， 如图北，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、SiHjP H2, 其中吐为携带气体。第三步在N型沟道6上部外延掺杂浓度为2. 5 X 1015cnT3，厚度为(XlSymWNS 缓冲层5，如图3c，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、 SiH4* H2，其中H2为携带气体。第四步在N型缓冲层5上先外延N型层；再在N型层上进行浓度为2 X 1019cm_3，深 度为0. 6 μ m的离子注入，形成N+型SiC源漏层4 ；接着在Ar气氛围的1600°C高温下快速 退火10分钟，如图3d，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为 C3H8, SiH4和H2，其中H2为携带气体。第五步在1100士50°C温度下，对步骤4中退火后的基片进行2小时的干氧氧化，形 成SiO2钝化层，如图3e ；第六步在SiA钝化层的中间区域，选用浓度为5%的缓冲HF酸，腐蚀出场效应管 的栅极区域，如图3f。第七步对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2 X IO19Cm-3,深度为 0.4μπι的离子注入，从而形成重掺杂的P+栅区1，接着对P+栅区1在1100士50°C温度下， 进行2个小时的干氧氧化，形成起保护作用SW2钝化层，如图3g和3h，该外延的工艺条件 是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2，其中H2为携带气体。第八步选用浓度为5%的缓冲HF酸对步骤7处理后的基片进行腐蚀，从而在SW2 钝化层上刻蚀出源漏区的有效区域，使露出N+型SiC源漏层4，同时也把P+栅区1的钝化 层去除。清洗后，在源漏区及栅区采用电子束蒸发Ni作为欧姆接触的金属，在Ar+1 % H2氛
6围和950°C的温度下退火5分钟，形成良好形貌的欧姆接触金属源漏极和栅极，接着电镀一 层Ti/W引出作为电极，如图3i和图3j。 第九步在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0. 02 μ m,再通过超声波剥离形 成键合层。实施例3第A步用掺杂浓度为5 X IO1W,厚度为0. 4 μ m的N型4H_SiC基片作为衬底8， 在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生长掺杂浓度为5. 0 X IO15Cm-3,厚度为0. 2 μ m 的P型缓冲层7，外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、SiH4 和H2，其中H2为携带气体，如图3a。第B步在P型缓冲层上外延N型沟道6，掺杂浓度为1 X IO1W3,厚度为0. 4 μ m，如 图3b，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2, 其中H2为携带气体。第C步在N型沟道6上部外延掺杂浓度为5. 0 X IO1W,厚度为0. 2 μ m的N型缓 冲层5，如图3c，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、 SiHjP H2，其中H2为携带气体。第D步在N型缓冲层5上先外延N型层，再在N型层上进行浓度为2 X 1019cm_3，深 度为0. 6 μ m的离子注入，形成N+型SiC源漏层4，再在Ar气氛围的1600°C高温下快速退火 10分钟，如图3d，该外延的工艺条件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、 SiHjP H2，其中H2为携带气体。第E步在1100士50°C温度下，对步骤4中退火后的基片进行2小时的干氧氧化，形 成SiO2钝化层，如图3e。第F步在SiO2钝化层的中间区域，选用浓度为5%的缓冲HF酸，腐蚀出场效应晶 体管的栅极区域，如图3f。第G步对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2 X IO19Cm-3,深度为 0.4μπι的离子注入，从而形成重掺杂的P+栅区1，接着对P+栅区1在1100士50°C温度下， 进行2个小时的干氧氧化，形成起保护作用SiO2钝化层，如图3g和图3h，该外延的工艺条 件是温度为1570°C，压力为lOOMbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2，其中H2为携带气体。第H步选用浓度为5 %的缓冲HF酸对步骤7处理后的基片进行腐蚀，从而在SiO2 钝化层上刻蚀出源漏区的有效区域，使露出N+型SiC源漏层4，同时也把P+栅区1的钝化 层去除。清洗后，在源漏区及栅区采用电子束蒸发Ni作为欧姆接触的金属，在Ar+1 % H2氛 围和950°C的温度下退火5分钟，形成良好形貌的欧姆接触金属源漏极和栅极，接着电镀一 层Ti/W引出作为电极，如图3i和图3j。第I步在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au 0. 02 μ m，再通过超声波剥离形 成键合层。
权利要求
1.一种碳化硅结型场效应晶体管β辐照探测器，从上到下包括高掺杂的P+型栅区 (1)、N+型SiC源漏层(4)、N型掺杂的缓冲层(5)、N型沟道层(6)、P型掺杂的缓冲层(7) 以及4H-SiC半绝缘衬底(8)，在P+栅区(1)上和N+源漏区(4)上引出由重掺杂形成的欧 姆接触( ，整个欧姆接触层外边缘矩形区域均有SW2钝化层( ，其特征在于N+型SiC 源漏层(4)与N型沟道层(6)之间设有N型掺杂缓冲层(5)；在N型沟道层(6)和4H_SiC 半绝缘衬底(8)之间设有P型掺杂缓冲层(7)，形成双层缓冲层结构。
2.根据权利要求1所述的β辐照探测器，其特征在于Ν型掺杂缓冲层(5)的掺杂浓 度为 1.0Χ IO15CnT3 5. 0X 1015cnT3，厚度为 0. 1 μ m 0. 2 μ m。
3.根据权利要求1所述的β辐照探测器，其特征在于P型缓冲层(7)的掺杂浓度Na 为 1.0Χ IO15CnT3 5. 0X 1015cnT3，厚度为 0. 1 μ m 0. 2 μ m。
4.一种基于4H-SiC结型场效应晶体管的β辐照探测器的制作方法，包括如下步骤(1)用N型4H-SiC基片作为衬底(8)，在该衬底上用低压热壁化学汽相淀积法外延生 长掺杂浓度为1. 0 X 1015cm_3 5. 0 X 1015cm"3,厚度为0. 1 μ m 0. 2 μ m的P型缓冲层(7)；(2)在P型缓冲层上外延掺杂浓度为1X 1016cnT3，厚度为0. 4 μ m的N型沟道(6)；(3)在N型沟道(6)上部外延掺杂浓度为LOXIOiW3 5.OXlO15cnT3，厚度为 0. 1 μ m 0. 2 μ m的N型缓冲层(5)；(4)在N型缓冲层(5)上先外延N型层，再在N型层上进行浓度为2X1019cnT3，深度为 0. 6 μ m的离子注入，形成N+型SiC源漏层(4)，再在Ar气氛围的1600°C高温下快速退火 10分钟；(5)在1100士50°C温度下，对步骤⑷中退火后的基片进行干氧氧化，形成SiO2钝化层；(6)在S^2钝化层的中间区域，选用浓度为5%的缓冲HF酸腐蚀出场效应晶体管的栅 极区域；(7)对腐蚀出的栅极区域先进行P型外延，再进行浓度为2X IO19Cm-3,深度为0. 4 μ m的 离子注入，形成重掺杂的P+栅区(1)，通过对该P+栅区(1)的干氧氧化，形成起保护作用的 SiO2钝化层(3)；(8)选用浓度为5%的缓冲HF酸对步骤(7)处理后的基片进行腐蚀，在SiO2钝化层(3) 上刻蚀出N+型SiC源漏层G)，同时去除P+栅区(1)上的钝化层，在源漏区及栅区制作欧 姆接触电极(2)；(9)在欧姆接触电极脊上用电子束蒸发Cr/Au0.02 μ m，再通过超声波剥离形成键合层。
5.根据权利要求4所述的β辐照探测器的制作方法，其中步骤(1)、(2),(3)、(4)和 (7)中所涉及的外延，均采用如下工艺条件温度为1570°C，压力为IOOMbar，生长气体为C3H8、SiH4和H2。
6.根据权利要求5所述的β辐照探测器的制作方法，其中H2为携带气体。
全文摘要
本发明公开了一种基于碳化硅金属半导体场效应晶体管结构的β射线辐照探测器，主要解决现有β辐照探测器抗辐照性能不佳和能量转换效率低的问题。该探测器自下而上包括n型衬底(8)、p型缓冲层(7)、浓度为3.5～4×1017cm-3的n型沟道(6)、n型缓冲层(5)和欧姆接触层(4)，欧姆接触层上淀积源漏极(2)，n型缓冲层上淀积半透明肖特基接触层(1)，肖特基接触层由高势垒肖特基金属Au/Ti/Pt构成，其埋入n型缓冲层(5)的深度为0.06～0.08μm，栅极和源漏极以外的表面区域覆盖一层SiO2钝化层(3)。本发明具有抗辐照能力强、能量转换效率高、探测效率高的特点，可用于核能中对β射线的探测。
文档编号H01L31/119GK102074611SQ20101027883
公开日2011年5月25日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者张义门, 张玉明, 洪朴, 程和远, 詹晓伟, 郭辉 申请人:西安电子科技大学