一种新的近半球型探测器及其制备方法

1.本发明涉及探测器技术领域，具体涉及一种新的近半球型探测 器及其制备方法。


背景技术：

2.三维球状电极硅探测器与二维平面型电极探测器结构相比，三 维球状电极硅探测器(如图1所示)电极嵌入硅衬底，使得全耗尽 电压摆脱硅块厚度限制，而仅与电极间距有关，可随电极间距减小 而下降。与传统三维柱状电极、三维双面柱状以及三维沟槽电极等 三维探测器相比，三维球状电极硅探测器的收集电极为点状或平面 电极，相同电极间距下收集电极面积小、电容低，且电荷收集效率 几乎与θ无关。三维球状电极硅探测器在理论上电学特性(电场分 布、电势分布等)最优，但现实中无法通过现有工艺进行制备。
3.因此，需要开发一种新的探测器，其能够保留三维球状结构的 优异电学特性。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中存在的问题，发明人经研究发现，三维半 球状电极硅探测器，如图2-5所示，保留有球状结构优异的电学特 性，并且探测器中的半球状电极与中心收集电极可采用双面工艺分 别制备。基于以上发现，本发明提供一种新的近半球型探测器及其 制备方法，该近半球型探测器能够保留三维球状结构的优异电学特 性，相同电极间距下收集电极面积小、电容低，且电荷收集效率几 乎与θ无关；半球状电极具有良好的封闭性，将探测灵敏区与衬底 完全隔离，暗电流不受晶圆厚度影响，极低的噪声有利于低能x-ray 或低能粒子探测。
5.为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。
6.一种近半球型探测器，包括：
7.第一氧化硅层，所述第一氧化硅层包括贯穿其上下表面的多个 凹槽，多个所述凹槽彼此不连通，且其中填充有电极材料；
8.衬底层，所述衬底层设置在所述第一氧化硅层的上表面；所述 衬底层包括：环形结构和近半球形结构；所述环形结构设置在所述 近半球形结构外围，并且所述环形结构和所述近半球形结构彼此接 触；所述近半球形结构包括近半球面的浅表层部分、主体部分和底 面中心的浅表层部分；所述近半球面的浅表层部分和所述底面中心 的浅表层部分彼此独立地为n型重掺杂区或p型重掺杂区，且两者 的掺杂类型不同；所述n型重掺杂区和所述p型重掺杂区均与所述 电极材料接触；以及
9.第二氧化硅层，所述第二氧化硅层覆盖所述衬底层。
10.本发明还提供一种近半球型探测器的制备方法，包括：
11.s100：提供衬底；
12.s200：在所述衬底的上下表面均形成氧化硅层，其中位于所述 衬底下表面的氧化硅层为第一氧化硅层；
13.s300：刻蚀所述衬底上表面的氧化硅层和所述衬底，以形成环 形沟槽；
14.s400：向所述环形沟槽的底部或者向所述环形沟槽的底部和侧 壁注入离子，以形成n型重掺杂区或p型重掺杂区，并使所述n型 重掺杂区或所述p型重掺杂区的下表面与所述第一氧化硅层接触；
15.s500：去除所述衬底上表面剩余的所述氧化硅层；
16.s600：向所述环形沟槽内填充氧化硅，并使其覆盖所述衬底上 表面；
17.s700：重复进行步骤s300-s600若干次直至形成近半球形结构， 其中，每次刻蚀所形成的所述环形沟槽均彼此相接连通，每次刻蚀 所形成的所述环形沟槽的深度逐渐变小，每次注入的离子均相同， 且每次注入离子后所形成的n型重掺杂区或p型重掺杂区均彼此接 触；
18.s800：刻蚀所述第一氧化硅层以形成第一凹槽，使所述近半球 形结构的底面中心部分裸露；
19.s900：向裸露的所述底面中心部分的浅表层注入离子，以形成 n型重掺杂区或p型重掺杂区，该步骤和步骤s400的掺杂类型不同； 再向所述第一凹槽中填充电极材料；
20.s1000：再次刻蚀所述第一氧化硅层以形成第二凹槽，使步骤 s400中形成的所述n型重掺杂区或所述p型重掺杂区的下表面裸露； 以及
21.s1100：向所述第二凹槽中填充电极材料。
22.相比现有技术，本发明的有益效果：
23.1、本发明提供了一种新的近半球型探测器，该近半球型探测器 能够保留三维球状结构的优异电学特性，相同电极间距下收集电极 面积小、电容低，且电荷收集效率几乎与θ无关。
24.2、本发明的近半球型探测器的耗尽电压与电极间距相关，可设 置到1v以下。
25.3、本发明的近半球型探测器的探测单元无死区，从而提升载流 子收集效率，并且探测单元间相干性极低。
26.4、本发明的近半球型探测器的暗电流低，并且在近半球型探测 器器件的尺寸确定后不受衬底厚度影响，由图22可以看出。
27.5、本发明的近半球型探测器的信号响应时间短，电荷收集效率 高。
28.6、本发明的近半球型探测器的电场、电势分布均匀，利于载流 子收集。
附图说明
29.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益 处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选 实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图 中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
30.图1为三维柱状坐标示意图与理想三维球状电极硅探测器单元 示意图。
31.图2为三维半球状电极硅探测器的示意图。
32.图3为三维半球状电极硅探测器的俯视示意图与电场分布。
33.图4为三维半球状电极硅探测器的垂直截面图。
34.图5为三维半球状电极硅探测器的电势仿真图。
35.图6为本发明的近半球型探测器的结构示意图。
36.图7-14为本发明的近半球型探测器的制备工艺流程。
37.图15为第二次刻蚀后向所得环形沟槽的底部注入离子后所得结 构的示意图。
38.图16为本发明的环形沟槽的深宽比设计图。
39.图17为本发明实施例中第一至第三次深刻蚀-离子注入-填充后 的杂质离子分布工艺仿真图。
40.图18为本发明实施例制备的近半球型探测器中激活的b离子浓 度分布工艺仿真图。
41.图19为本发明实施例制备的近半球型探测器的电场分布图。
42.图20为本发明实施例制备的近半球型探测器的电势分布图。
43.图21为本发明实施例制备的近半球型探测器的电子电流密度分 布图。
44.图22为相同半径、不同3d探测器结构的暗电流对比图。
45.附图标记说明：
46.100为第一氧化硅层，101为凹槽，102为电极材料，200为衬 底层，210为环形结构，220为近半球形结构，221为近半球面的浅 表层部分，222为主体部分，223为底面中心的浅表层部分，300为 第二氧化硅层，400为环形沟槽。
具体实施方式
47.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然 附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各 种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提 供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公 开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
48.现有的三维球状电极硅探测器在理论上电学特性(电场分布、电 势分布等)最优，但现实中无法通过现有工艺进行制备。因此，本发 明提供了一种新的近半球型探测器，其能够保留三维球状结构的优 异电学特性。
49.下面将结合附图对本发明的近半球型探测器做进一步说明。
50.参见图6，本发明的近半球型探测器，包括：第一氧化硅层100， 第一氧化硅层100包括贯穿其上下表面的多个凹槽101，多个凹槽 101彼此不连通，且其中填充有电极材料102；衬底层200，衬底层 200设置在第一氧化硅层100的上表面；衬底层200包括：环形结构 210和近半球形结构220；环形结构210设置在近半球形结构220外 围，并且环形结构210和近半球形结构220彼此接触；近半球形结 构220包括近半球面的浅表层部分221、主体部分222和底面中心的 浅表层部分223；近半球面的浅表层部分221和底面中心的浅表层部 分223彼此独立地为n型重掺杂区或p型重掺杂区，且两者的掺杂 类型不同；所述n型重掺杂区和所述p型重掺杂区均与电极材料102 接触；以及第二氧化硅层300，第二氧化硅层300覆盖衬底层200。
51.本发明的近半球型探测器具有如下优势：1.能够保留三维球状 结构的优异电学特性，相同电极间距下收集电极面积小、电容低， 且电荷收集效率几乎与θ无关；2.耗尽电压与电极间距相关，可设 置到1v以下；3.探测单元无死区，从而提升载流子收集效率，并 且探测单元间相干性极低；4.暗电流低，并且在近半球型探测器器 件的尺寸确定后不受衬底厚度影响；5.信号响应时间短，电荷收集 效率高；6.电场、电势分布均匀，利于载流子收集。
52.在本发明的一些实施例中，所述n型重掺杂区的掺杂浓度可为 1
×
10
17-1
×
10
20
cm-3
。所述p型重掺杂区的掺杂浓度可为1
×
10
17-1
×
10
20 cm-3
。
53.在本发明的一些实施例中，环形结构210可为n型轻掺杂或p 型轻掺杂。近半球形结构220的主体部分222可为n型轻掺杂或p 型轻掺杂。这样设置能够使得在近半球形结构220中形成p+nn+结、 n+np+结、p+pn+结或n+pp+结。所述n型轻掺杂或所述p型轻掺 杂的掺杂浓度可为1
×
10
10-1
×
10
13
cm-3
。所述n型轻掺杂的掺杂离子 可为磷离子。所述p型轻掺杂的掺杂离子可为硼离子。
54.在本发明的一些实施例中，所述近半球面可为类金字塔型或多 边棱锥型。当然，本发明的近半球面的类型不限于上述两种。
55.在本发明的一些实施例中，凹槽101的数量为2个，其中一个 凹槽101为环形凹槽，所述环形凹槽内的电极材料102与近半球面 的浅表层部分221接触。另一凹槽101设置在所述环形凹槽的中心 处，该凹槽内的电极材料102与底面中心的浅表层部分223接触。 这样设置使得近半球型探测器的电场、电势分布均匀，利于载流子 收集。
56.在本发明的一些实施例中，环形结构210的高度大于近半球形 结构220的高度。近半球形结构220通过刻蚀形成，因而其高度小 于环形结构210的高度。
57.在本发明中，近半球形结构220的半径可根据实际应用而调整。
58.在本发明的一些实施例中，衬底层200的材质为超纯高阻硅、 外延硅、绝缘体上硅、能够在硅衬底上外延的其他半导体材料或它 们的多层叠层组合。
59.在本发明的一些实施例中，电极材料102可为铝、铜或钨。
60.本发明还提供上述近半球型探测器的制备方法，具体包括以下 步骤，参见图7-14。
61.s100：提供衬底。
62.所述衬底的材质为超纯高阻硅、外延硅、绝缘体上硅、能够在 硅衬底上外延的其他半导体材料或它们的多层叠层组合。
63.s200：在所述衬底的上下表面均形成氧化硅层，其中位于所述 衬底下表面的氧化硅层为第一氧化硅层100。
64.所述氧化硅层的厚度可为0.5-2μm。所述氧化硅层的形成方法 可为化学气相沉积法。本发明对所述氧化硅层的形成方法没有特别 限制。
65.在一些实施例中，所述氧化硅层的形成方法包括：在所述衬底 的上下表面进行湿法氧化或干法氧化(但考虑氧化速率以及对于氧 化层质量要求不高，一般选择湿法氧化)，从而生长氧化硅层。氧化 硅层厚度略大，可以抵消深槽刻蚀带来的应力，从而减少晶圆弯曲。
66.s300：刻蚀所述衬底上表面的氧化硅层和所述衬底，以形成环 形沟槽400，参见图7。
67.可采用光刻和深反应离子刻蚀的结合进行刻蚀。
68.s400：向所述环形沟槽的底部或者向所述环形沟槽的底部和侧 壁注入离子，以形成n型重掺杂区或p型重掺杂区，并使所述n型 重掺杂区或所述p型重掺杂区的下表面与所述第一氧化硅层100接 触。
69.在本发明的一些实施例中，参见图8，在步骤s400中，可向所 述环形沟槽的底部和
侧壁注入离子，所述注入参数包括：离子注入 角度为-80～80
°
，旋转角度为-360
°
～360
°
，剂量为1
×
10
13-1
×
10
17
cm-2
， 能量30～2000kev，注入深度为大于0且小于或等于2μm。通过控 制所述注入参数，可以形成对所述环形沟槽的底部和侧壁的离子掺 杂，并且保证每次注入离子后所形成的n型重掺杂区或p型重掺杂 区均彼此接触，从而形成导通。
70.在本发明的一些实施例中，在步骤s400中，可向所述环形沟槽 的底部注入离子，所述注入参数包括：剂量为0.8
×
10
15-1.2
×
10
15 cm-2
，注入深度为2-5μm。通过控制所述注入参数，可以形成对所 述环形沟槽底部的离子掺杂，并且保证每次注入离子后所形成的n 型重掺杂区或p型重掺杂区均彼此接触，从而形成导通。图15为第 二次刻蚀后向所得环形沟槽的底部注入离子后所得结构的示意图。
71.s500：去除所述衬底上表面剩余的所述氧化硅层，参见图9。
72.可采用湿法刻蚀去除剩余的氧化硅层。例如可采用hf酸进行 湿法刻蚀。
73.s600：向所述环形沟槽内填充氧化硅，并使其覆盖所述衬底上 表面，参见图10。
74.本发明对氧化硅的形成方法没有特别限制。在一些实施例中， 首先在所述环形沟槽的侧壁热氧化生长一层薄的sio2(厚度可为 )，再利用高密度的等离子增强化学气相沉积法(pecvd) 淀积厚的(μm级)sio2，之后利用化学机械抛光技术(cmp)将所述 衬底上表面的sio2层减薄至1-2μm。
75.在一些情况下，在所述环形沟槽内填充氧化硅后，所述环形沟 槽内的氧化硅层可能存在部分空洞，如图11所示，空洞存在可适当 减少环形沟槽刻蚀与填充所带来的应力问题，减少晶圆弯曲，提高 对准精度，但也可能带来可靠性问题，需要在两者间取舍。
76.s700：重复进行步骤s300-s600若干次直至形成近半球形结构 220，其中，每次刻蚀所形成的所述环形沟槽均彼此相接连通，每次 刻蚀所形成的所述环形沟槽的深度逐渐变小，每次注入的离子均相 同，且每次注入离子后所形成的n型重掺杂区或p型重掺杂区均彼 此接触，参见图12-14。
77.在本发明中，前一次刻蚀与后一次刻蚀相接，从而使每次刻蚀 所形成的所述环形沟槽(包括步骤400和步骤700所形成的所有环 形沟槽)均彼此相接连通。
78.在本发明中，与前一次刻蚀所得环形沟槽的深宽比，后一次刻 蚀所得环形沟槽的深宽比变小，从而确保能够形成近半球形结构 220。
79.在本发明中，在步骤400和步骤s700中，每次注入的离子均相 同。所注入的离子可为磷离子或硼离子。每次注入离子后所形成的n 型重掺杂区或p型重掺杂区均彼此接触，从而实现导通。
80.在本发明中，参见图16，每次刻蚀(包括步骤400和步骤700 中的所有刻蚀)所形成的所述环形沟槽的深宽比按照如下两个公式 计算得到：
[0081][0082]
w＝kh
ꢀꢀꢀ
(2)
[0083]
其中，h为所述衬底厚度，r为所述近半球形结构220的主体 部分222的半径，x为所述环形沟槽内侧壁距离所述近半球形结构 220的中心对称轴的距离，l为步骤900中离子注入的深度，h为所 述环形沟槽的刻蚀深度，w为所述环形沟槽的刻蚀宽度，k为深宽比 倒数。
[0084]
在确定h、r和l后，可利用数学软件matlab可计算出公式(1)、(2)，进而得出各种深
宽比时沿半径方向不同位置处的环形沟槽的宽 度与深度，在实际工艺中根据探测器器件的大小、衬底厚度等根据 情况选择合适的数据。环形沟槽的宽度可以保持固定值，仅改变深 度，也可以根据球面变化率快慢进行选择，从而减少工艺步骤。
[0085]
在一些实施例中，x可为0～20μm。
[0086]
s800：刻蚀所述第一氧化硅层100以形成第一凹槽，使所述近 半球形结构220的底面中心部分裸露。
[0087]
s900：向裸露的所述底面中心部分的浅表层注入离子，以形成 n型重掺杂区或p型重掺杂区，该步骤和步骤s400的掺杂类型不同， 再向所述第一凹槽中填充电极材料102。
[0088]
在步骤s900中，所述注入参数包括：离子注入角度为-80～80
°
， 旋转角度为-360
°
～360
°
，剂量为1
×
10
13-1
×
10
17
cm-2
，能量30～2000 kev，注入深度为0.8-1.2μm。所注入的离子可为硼离子或磷离子。
[0089]
s1000：再次刻蚀所述第一氧化硅层100以形成第二凹槽，使步 骤s400中形成的所述n型重掺杂区或所述p型重掺杂区的下表面裸 露。
[0090]
优选地，所述第二凹槽为环形凹槽。所述第一凹槽设置在所述 环形凹槽的中心。
[0091]
s1100：向所述第二凹槽中填充电极材料102，参见图6。
[0092]
本发明对于电极材料102的填充方法没有特别限制。
[0093]
在本发明的一些实施例中，在步骤s400之后且在步骤s500之 前，所述制备方法还包括：进行退火激活处理；并且在步骤s900之 后且在步骤s1000之前，所述制备方法还包括：进行退火激活处理。
[0094]
在本发明的一些实施例中，在步骤s700之后且在步骤s800之 前，所述制备方法还包括：进行退火激活处理；并且在步骤s900之 后且在步骤s1000之前，所述制备方法还包括：进行退火激活处理。
[0095]
在本发明的一些实施例中，在步骤s900之后且在步骤s1000之 前，所述制备方法还包括：进行退火激活处理。
[0096]
下面将结合具体实施例来进一步说明本发明。
[0097]
以在30μm厚的硅晶圆上制备半径为20μm的近半球电极为例， 从外侧向内侧依次进行10次刻蚀，主要工艺流程为：
[0098]
在硅晶圆的表面进行湿法氧化，从而在硅晶圆的上下表面各生 长一层2μm厚的二氧化硅层。之后，在硅晶圆的上表面涂敷光刻胶 1μm，第一次光刻在x＝20-20.5μm位置处刻蚀二氧化硅层以形成 0.5μm宽的环形槽，然后利用深反应离子刻蚀bosch工艺继续向下 刻蚀从而得到29μm深的环形沟槽，以剂量1
×
10
15
cm-2
、能量180 kev、离子注入角度7
°
、晶圆旋转7
°
注入硼离子。之后，在环形沟 槽内填充二氧化硅并使其覆盖硅晶圆上表面，最后表面利用化学机 械抛光将二氧化硅层减薄至2μm。
[0099]
重复以上工艺流程，第二次光刻位置为x＝19.5-20μm、第三次 光刻位置为x＝19-19.5μm、第四次光刻位置为x＝18.5-19μm、第 五次光刻位置为x＝17.5-18.5μm、第六次光刻位置为x＝16-17.5 μm、第七次光刻位置为x＝14.3-16μm、第八次光刻位置为x＝ 12-14.3μm、第九次光刻位置为x＝8.7-12μm、第十次光刻位置为x ＝0-8.7μm，所得10个环形沟槽的深宽比如下表所示。
[0100]
表1
[0101][0102]
然后，离子注入完成后在1050℃快速退火1min，激活杂质离子。
[0103]
利用双面工艺在探测器背面制备电源电极与中央读出电极，具 体包括以下步骤。在硅晶圆下表面的二氧化硅层上进行第一次光刻， 光刻位置为x＝-0.5-0.5μm,离子注入剂量1
×
10
15
cm-2
、能量180 kev的磷离子，1050℃快速退火1min，磁控溅射淀积铝作为电源电 极；在硅晶圆下表面的二氧化硅层上进行第二次光刻形成环形凹槽， 光刻位置为x＝19.5-20.5μm,刻蚀二氧化硅后磁控溅射铝作为中央 读出电极。
[0104]
图17为本发明实施例中第一至第三次深刻蚀-离子注入-填充后 的杂质离子分布工艺仿真图，黑色框区域a为硼离子掺杂区，峰值 浓度在1
×
10
19
cm-3
左右。
[0105]
图18为本实施例制备的近半球型探测器中激活的b离子浓度分 布工艺仿真图，本实施例中侧壁掺杂的激活的b离子浓度在10
17
cm-3
量级，底部最高掺杂浓度为2.5
×
10
19
cm-3
，侧壁的掺杂浓度足以将 半球型电极导通。
[0106]
图19为本实施例制备的近半球型探测器的电场分布图。图20 为本实施例制备的近半球型探测器的电势分布图。由图19和20可 以看出，本发明的近半球型探测器体内的电学特性整体分布良好。
[0107]
图21为本实施例制备的近半球型探测器的电子电流密度分布 图。由图21可以看出，本发明的近半球型探测器的暗电流低，并且 在近半球型探测器器件的尺寸确定后不受衬底厚度影响。
[0108]
图22为相同半径、不同3d探测器结构的暗电流对比图，其中 仿真器件a、仿真器件b和仿真器件c如图所示，仿真器件a为理想 的半球形探测器，仿真器件b为沟槽-柱状探测器，仿真器件c为沟 槽-平板探测器。由图22可以看出，本发明实施例的近半球型探测 器的暗电流与理想的半球形探测器的暗电流接近，暗电流较小。
[0109]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护 范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露 的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保 护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范 围为准。