專利名稱：制備光電探測器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種硅材料半導體器件的制備方法，尤其是一種制備光電探測器的方法。
背景技術：
光電探測器是一種硅材料半導體器件，它是由PN結的P區(qū)N區(qū)和兩區(qū)之間的i本征層所組成。光電探測器是高純單晶片，在工藝中把一定計量的硼雜質(zhì)注入硅片，經(jīng)退火形成硼淺結的P區(qū)。硅片背面注磷，形成N區(qū)和歐姆接觸。P區(qū)N區(qū)之間的高純硅材料就是i本征層。由于有這種結構，也叫PIN光電二極管。
現(xiàn)有的光電探測器由于制造工藝不同，器件參數(shù)差別很大。即便是一種工藝，也會造成制備出來的器件性能有較大差異。因此很難滿足應用的需要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定的光電探測器制備方法，使得經(jīng)此方法制備的光電探測器反向擊穿高，暗電流小，結電容小，響應速度快，光譜響應范圍廣，參數(shù)優(yōu)異并穩(wěn)定。
本發(fā)明的制備光電探測器的方法，其步驟包括1.設計光電探測器單元版圖，單元版圖可采用下列設計鋁環(huán)、鋁引線、硼擴區(qū)四角為圓弧設計，圓弧半徑大于100微米；鋁引線寬50-100微米，引線孔寬10-20微米，距厚氧區(qū)大于20微米，覆蓋厚氧5-10微米；鋁環(huán)寬50-100微米；場區(qū)厚氧層厚度大于500納米；P區(qū)擴硼，結深100-500納米。
2.必要時的爐管預處理凈化爐管；然后升爐溫到1100℃，通三氯己烯處理爐管2小時；然后降爐溫到800℃，將洗凈的硅片放入爐管。
3.生長氧化硅升爐溫到1000℃以上，通氧氣2-10分鐘；然后同時通入氧氣和氮氣不短于10分鐘，生長氧化硅，同時通入的氧氣和氮氣份比為1∶2最佳；再在爐管水汽氧化2-3小時；然后干氧生長20-30分鐘，然后通氮斷氧，生長800納米以上厚度的氧化硅；然后將爐管慢降溫；最后取出硅片；慢降溫過程為將爐管慢降溫到800℃以下，然后斷電使其自然降溫。
取出硅片后，可漂掉全部氧化層，重復氧化過程，再生800納米以上厚度氧化層。
4.背面擴磷用膠保護硅片正面，腐蝕掉背面氧化層，然后背面擴磷5.光刻有源區(qū)；6.淺結注入硼，條件為35keV(千電子伏)，BF2(氟化硼)濃度5E14/cm2；7.退火1000℃氮氣保護高溫快速退火1分鐘左右；然后在氮氫保護下低溫爐退火2-4小時；8.光刻引線孔；9.濺射鋁引線，得到光電探測器芯片。
本發(fā)明對版圖進行了新設計，加寬鋁引線寬度，覆蓋場區(qū)厚氧，四角都為圓弧設計，可避免低壓漏電和擊穿，也增加了器件的可靠性。否則，器件在使用中會出現(xiàn)100伏以內(nèi)的反向電壓擊穿。
生長氧化層前要用三氯乙烯處理爐管，防止生長的氧化層中有金屬離子沾污。不然氧化層中金屬離子正電荷將形成介面層漏電溝道。
在有氫氣氛的低溫爐中退火，減少氧化層中的非飽和懸掛鍵及其它介面態(tài)，切斷介面態(tài)漏電機制。
高溫過程后慢降溫，可使晶體晶格更好的恢復，從而增加少子壽命。因暗電流和少子壽命成反比關系。(暗電流/少子壽命的理論關系式I＝qnXA/2τ，I為電流，q為電量，n為電荷數(shù)量，XA為體積，τ為少子壽命)。
磷吸雜工藝吸雜工藝有很多種，如多晶硅吸雜、本征吸雜等。應用磷吸雜工藝較簡單，并且區(qū)兼容。吸雜可以把晶體內(nèi)的缺陷和重金屬離子吸收到磷的高摻雜區(qū)。減少復合中心電流。因為，空間電荷區(qū)的缺陷，復合中心都是黯電流產(chǎn)生根源。
本發(fā)明的光電探測器可應用在高能粒子對撞機的量能器上，接收粒子碰撞時產(chǎn)生的紫光光譜。通過檢測、計算、對比，就能判斷，粒子的碰撞是否有新物質(zhì)產(chǎn)生。本發(fā)明的光敏有效面積為16.1*17.1mm2的光電探測器，它適于偶合大面積鎢酸鉛晶體探測峰波長450納米微弱螢光。它有不同于普通光電器件特點，在25℃時，全耗盡電壓條件下暗電流極小，約3nA(納安)。光譜波長400-500nm時量子效率70-80％，全耗盡電容小于120pF。
本發(fā)明的光電探測器暗電流極小，電容也小，所以器件噪聲較低，頻率響應也高。其最突出的特點是對紫光和近紫外光(300nm)敏感度高，是國內(nèi)外同類器件最高水平。
中國計量院測試證書(見說明書附件)中是本發(fā)明光電探測器光譜響應度的測試數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)按照量子效率/響應度關系式η＝1.24R(λ)/λ(η表示量子效率，R(λ)光譜響應度，λ表示波長)可以計算出近紫外光300nm處的量子效率，挪威產(chǎn)AME型探測器的量子效率是4％，本發(fā)明光電探測器的量子效率是20％，是他們的五倍。
圖3是本發(fā)明光電探測器的光譜響應曲線。圖4是本發(fā)明光電探測器的量子效率曲線。圖5是光電探測暗電流與反向電壓的關系曲線，測試環(huán)境25℃，由圖可以看出在-10伏時，每平方厘米的光敏面積暗電流約0.4納安。圖6說明加在探測器兩極的反向電壓越大，結電容越小，到-30伏，結全耗盡，結電容為穩(wěn)定值，每平方厘米的光敏面積45pF。
本發(fā)明光電探測器和挪威產(chǎn)AME型探測器的主要參數(shù)比較本發(fā)明(中國) AME(挪威)有效光敏面積(mm 161*17116.1*17.1光譜響應度(A/W)(400nm)0.262(450nm)0.302 (450nm)0.29量子效率(％) (300nm)20(400nm)70(300nm)4(400nm)41擊穿電壓(V) 150--700 120--500暗電流(nA) 3 5全耗盡電容(pF) 120150
圖1本發(fā)明光電探測器平面結構示意圖1---鋁環(huán)圓弧角 2---鋁引線圓弧角 3---鋁引線 4---鋁環(huán)5---壓點 6---場區(qū) 7---有效光敏區(qū)圖2本發(fā)明光電探測器剖面結構示意圖8----陶瓷管殼 10---P區(qū)擴硼 11---氧化硅 12---氮化硅薄膜層13----電極引線 14---硅基高阻i本征區(qū) 15---N區(qū)，即電極歐姆接觸區(qū)圖3本發(fā)明光電探測器的光譜響應曲線圖4是本發(fā)明光電探測器的量子效率曲線圖5是光電探測暗電流與反向電壓的關系曲線
圖6本發(fā)明光電探測器電容--電壓關系曲線
具體實施例方式一、版圖設計。
考慮到擊穿電壓和表面漏電流，圖形盡量設計成圓形，避免尖角，防止電場集中尖端漏電。器件的有源區(qū)和鋁引線都設計成了圓角。另外，表面外部設計有寬的鋁帶，用于均衡帶電粒子的靜電場。二、制造工藝1.氧化硅生長前首先要把爐管處理干凈。方法是升爐溫到1100℃通三氯己烯處理爐管2小時，再把爐溫降到800℃。然后再把清洗干凈的硅片慢慢放入爐管內(nèi)。以免溫度驟變，引起硅片變形太大。40分鐘內(nèi)一直氮氣保護。2.氧化硅生長升爐溫到1000℃，通氧氣2-10分鐘，接著，同時通入1份氧氣和2份氮氣10多分鐘后，關斷氮氣，幾分鐘后關斷氧氣。這期間生長一層致密的氧化硅。接著，打開氫氧合成器，通入爐管2-3小時。這段時間水汽氧化，生長的氧化硅質(zhì)地少差，但氧化硅生長速度較快。接著，關短氫氧合成器停止水汽氧化，接通氧氣干氧生長20-30分鐘，再打開氮氣關斷氧氣。這時，8000埃以上厚氧化硅生長完成了。下面就是慢降溫過程。從1000℃慢降到800℃需要400分鐘，到800℃時，關斷電源，讓爐溫自然下降。爐溫到200℃以下，就可以把氧化硅好的硅片取出了。取出后，漂掉全部氧化層，重復上面氧化過程，再生氧化層。3.用膠保護硅片正面，腐蝕掉背面氧化層，然后背面擴磷。4.光刻有源區(qū)。5.淺結注入硼35keV BF2濃度5E14/cm26.高溫快速退火氮氣保護，950℃ 45秒7.低溫爐退火(氮，氫氣分保護)N2∶H2＝60∶4，3.5小時8.光刻引線孔。9.濺射鋁引線，通過以上工藝就制造出了本發(fā)明光電探測器的芯片。再經(jīng)過劃片，測試，把芯片封裝在陶瓷管座里，就完成了器件的制造。
權利要求
1.一種制備光電探測器的方法，其步驟包括1)設計光電探測器單元版圖，2)生長氧化硅升爐溫到1000℃以上，通氧氣2-10分鐘；同時通入氧氣和氮氣不短于10分鐘，生長氧化硅；在爐管水汽氧化2-3小時；然后干氧生長20-30分鐘，然后通氮斷氧，生長800納米以上厚度的氧化硅；將爐管慢降溫；取出硅片；3)背面擴磷用膠保護硅片正面，腐蝕掉背面氧化層，然后背面擴磷4)光刻有源區(qū)；5)淺結注入硼；6)退火；7)光刻引線孔；8)濺射鋁引線，得到光電探測器芯片。
2.如權利要求1所述的制備光電探測器的方法，其特征在于單元版圖鋁環(huán)、鋁引線四角、硼擴區(qū)為圓弧設計，圓弧半徑大于100微米；鋁引線寬50-100微米，引線孔寬10-20微米，距厚氧區(qū)大于20微米，覆蓋厚氧5-10微米；鋁環(huán)寬50-100微米；場區(qū)厚氧層厚度大于500納米；P區(qū)擴硼，結深100-500納米。
3.如權利要求1所述的制備光電探測器的方法，其特征在于生長氧化硅前作爐管預處理凈化爐管；升爐溫到1100℃；通三氯已烯處理爐管2小時；降爐溫到800℃；然后將洗凈的硅片放入爐管。
4.如權利要求1所述的制備光電探測器的方法，其特征在于生長氧化硅過程中，取出硅片后，漂掉全部氧化層，重復氧化過程，再生800納米以上厚度氧化層。
5.如權利要求1所述的制備光電探測器的方法，其特征在于生長氧化硅時同時通入的氧氣和氮氣份比為1∶2。
6.如權利要求1所述的制備光電探測器的方法，其特征在于生長800納米以上厚度的氧化硅后將爐管慢降溫到800℃以下，然后斷電使其自然降溫。
7.如權利要求1所述的制備光電探測器的方法，其特征在于淺結注入硼的條件為35keV，BF2濃度5E14/cm2。
8.如權利要求1所述的制備光電探測器的方法，其特征在于退火過程為1000℃氮氣保護高溫快速退火1分鐘左右；然后在氮氫保護下低溫爐退火2-4小時。
全文摘要
一種制備光電探測器的方法。采用特殊版圖設計,寬引線鋁覆部分場區(qū),氯離子處理爐管,在有氫氣氛的低溫爐中退火,慢降溫和磷吸雜工藝。經(jīng)此方法制備的光電探測器反向擊穿高,暗電流小,結電容小,響應速度快,光譜響應范圍廣,參數(shù)優(yōu)異并穩(wěn)定?？蓮V泛應用于光電探測器的制備領域。
文檔編號H01L31/18GK1328348SQ01123428
公開日2001年12月26日 申請日期2001年7月23日 優(yōu)先權日2001年7月23日
發(fā)明者張?zhí)? 寧寶俊, 田大宇, 張潔天, 張錄, 倪學文, 王瑋, 李靜, 馬連榮, 王兆江, 袁堅, 郭昭喬 申請人:北京大學