專利名稱：基于鍵合基片的超薄硅pin高能粒子探測(cè)器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器，特別涉及一種基于鍵合基片的超薄硅 PIN高能粒子探測(cè)器及其制備方法，可應(yīng)用于核輻射探測(cè)應(yīng)用的ΔΕ-Ε望遠(yuǎn)鏡中第一層ΔΕ 超薄探測(cè)器。
背景技術(shù)：
硅PIN探測(cè)器通過(guò)探測(cè)輻射粒子射入探測(cè)器產(chǎn)生的瞬間脈沖電流信號(hào)來(lái)測(cè)量粒子能量和鑒別粒子種類。硅PIN探測(cè)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、線性響應(yīng)好、時(shí)間響應(yīng)快、 動(dòng)態(tài)范圍大、抗輻照性能強(qiáng)、真空性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在脈沖輻射場(chǎng)的測(cè)量與診斷等核物理研究中有重要應(yīng)用價(jià)值。超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器在核輻射探測(cè)中有重要應(yīng)用，典型的應(yīng)用是八E-E望遠(yuǎn)鏡中第一層ΔΕ探測(cè)器。ΔΕ-Ε望遠(yuǎn)鏡由一個(gè)薄探測(cè)器和一個(gè)厚探測(cè)器組成，它通過(guò)檢測(cè)粒子在第一層△ E探測(cè)器和第二層E探測(cè)器中各自損失的能量來(lái)鑒別粒子種類和測(cè)量粒子能量。ΔE-E望遠(yuǎn)鏡探測(cè)低能量的粒子時(shí)需要ΔE探測(cè)器足夠薄以便粒子穿過(guò)ΔΕ探測(cè)器到達(dá)E探測(cè)器，所以需要制備厚度足夠薄的探測(cè)器以用于△ E-E望遠(yuǎn)鏡中探測(cè)鑒別各種能量的粒子。制造超薄探測(cè)器最直接的辦法是研磨硅片減薄至所需厚度，但由于這樣的薄片在制造過(guò)程中極容易碎，導(dǎo)致無(wú)法正常制造出超薄探測(cè)器。為了增強(qiáng)超薄探測(cè)器的機(jī)械性能， 現(xiàn)在主流做法是通過(guò)挖孔減薄的方式得到具有支撐結(jié)構(gòu)的超薄探測(cè)器，減薄的方法有干法刻蝕和用TMAH(四甲基氫氧化銨)腐蝕硅基片兩種。干法刻蝕的側(cè)面和底面成90°夾角， 機(jī)械性能差，易導(dǎo)致碎片，并且干法刻蝕也容易造成表面損傷，降低探測(cè)器的性能。所以一般選用TMAH腐蝕硅基片至一定厚度得到超薄探測(cè)器。然而用TMAH腐蝕硅基片減薄也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。首先，這種方法通過(guò)控制腐蝕時(shí)間和相應(yīng)腐蝕條件下的腐蝕速率來(lái)得到我們所需厚度的探測(cè)器，但腐蝕速率受多種因素影響，無(wú)法得到一個(gè)完全確定不變的腐蝕速率，這就導(dǎo)致探測(cè)器厚度不可控，不均勻，不具有可重復(fù)性，這對(duì)于生產(chǎn)應(yīng)用是個(gè)致命的問(wèn)題，因?yàn)椋瑢?duì)于ΔΕ超薄探測(cè)器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，粒子的鑒別直接與△ E探測(cè)器厚度相關(guān)，厚度的不一致意味著就必須為每一個(gè)探測(cè)器配備相應(yīng)的處理系統(tǒng)，無(wú)法批量使用。其次，濕法腐蝕不可避免的會(huì)增加探測(cè)器表面的粗糙性，導(dǎo)致漏電流增大，進(jìn)而影響探測(cè)器分辨率，盡管這可以通過(guò)減慢腐蝕速率來(lái)得到一個(gè)粗糙性相對(duì)較好的腐蝕表面來(lái)控制漏電流提高探測(cè)器分辨率，但這無(wú)法從根本上消除這一缺陷，而且這同時(shí)增加了腐蝕的時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用不利。上述問(wèn)題使得我們無(wú)法大批量的生產(chǎn)厚度確定且具有相同厚度的高性能探測(cè)器。另外，對(duì)于超薄探測(cè)器的制備，所需的工藝步驟越少越能保證成品率，因此我們有必要開發(fā)出一套更加簡(jiǎn)易的超薄探測(cè)器的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種厚度可精確控制且表面粗糙度可控的高性能超薄探測(cè)器及一套更加簡(jiǎn)易的超薄探測(cè)器制備方法，使得經(jīng)此方法制備的超薄探測(cè)器具有成品率高、機(jī)械性能好、探測(cè)厚度確定、漏電流小等優(yōu)點(diǎn)。這種超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器可應(yīng)用于核輻射探測(cè)中的ΔΕ-Ε望遠(yuǎn)鏡以鑒別粒子種類以及測(cè)量粒子能量。本發(fā)明的目的可通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器，包括鍵合在一起的器件層硅片和支撐層硅片， 以及二者之間的二氧化硅層，其中所述器件層硅片的正面有摻雜形成的P+區(qū)，所述P+區(qū)之外的硅表面覆蓋有二氧化硅層，所述P+區(qū)上面覆蓋有薄金屬層，該薄金屬層邊緣具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)；所述支撐層硅片在對(duì)應(yīng)于器件層硅片P+區(qū)的位置開有窗口形成空腔結(jié)構(gòu)，暴露出器件層硅片的背面，該空腔結(jié)構(gòu)為下寬上窄的倒扣桶狀；所述器件層硅片暴露的背面區(qū)域?yàn)閾诫s形成的N+區(qū)；所述N+區(qū)表面覆蓋有厚金屬層。上述超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器是在鍵合基片上形成的，所述器件層硅片優(yōu)選為 (111)晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆·厘米，厚度在100 μ m以下；所述支撐層硅片優(yōu)選為(100)晶向的N型硅，電阻率小于10歐姆·厘米，厚度在300μπι到600 μ m范圍內(nèi)。器件層硅片正面有摻雜形成的P+區(qū)，所述P+區(qū)之外的硅表面覆蓋有二氧化硅層， 所述P+區(qū)上面覆蓋有薄金屬層，該薄金屬層具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，薄金屬層與硅的接觸面積優(yōu)選小于P+區(qū)。所述薄金屬層的厚度在800埃到1200埃范圍內(nèi)，其材料優(yōu)選為鋁。所述支撐層硅片通過(guò)各向異性腐蝕液從背面開窗口腐蝕形成空腔結(jié)構(gòu)，這樣的腐蝕液如TMAH和Κ0Η。所述空腔橫截面優(yōu)選為八邊形或圓形，呈下寬上窄的倒扣桶狀，對(duì)于 (100)晶向的硅片各向異性濕法腐蝕形成的空腔側(cè)壁與底面的夾角為74°。所述的支撐層硅片以及所述的器件層硅片和支撐層硅片之間的二氧化硅層開有窗口，該窗口正對(duì)器件層硅片正面的P+區(qū)，在器件層硅片背面摻雜形成N+區(qū)，該N+區(qū)面積優(yōu)選大于P+區(qū)。在N+區(qū)表面覆蓋有厚金屬層。該厚金屬層的厚度在0.8μπι到1.4μπι范圍內(nèi)，其材料優(yōu)選為鋁。為便于對(duì)探測(cè)器進(jìn)行電連接，可以在整個(gè)探測(cè)器背面覆蓋所述厚金屬層。上述基于鍵合基片的超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器可以通過(guò)下述方法制備1)將一表面長(zhǎng)有二氧化硅層的硅片和一表面為裸露硅層的硅片鍵合在一起，其中所述二氧化硅層夾在兩硅片之間，制得鍵合基片，兩硅片分別作為正面的器件層硅片和背面的支撐層硅片，研磨減薄器件層硅片至所需厚度；2)在鍵合基片上下表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層，再雙面淀積氮化硅層；3)在鍵合基片背面的氮化硅層上光刻背面探測(cè)窗口圖形，去除窗口內(nèi)的氮化硅層和二氧化硅層，暴露出支撐層硅片的背表面；4)各向異性濕法腐蝕背面探測(cè)窗口裸露的支撐層硅，暴露出器件層硅片和支撐層硅片之間的二氧化硅層；5)去除鍵合基片上下表面的氮化硅層和二氧化硅層，以及背面探測(cè)窗口內(nèi)的二氧化硅；6)在鍵合基片表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層；7)在鍵合基片的背面進(jìn)行離子注入，在背面探測(cè)窗口內(nèi)的器件層硅片背面區(qū)域形成N+區(qū)；
8)在鍵合基片正面的二氧化硅層上光刻正面探測(cè)窗口圖形，該正面探測(cè)窗口與背面探測(cè)窗口的中心位置相對(duì)，且正面探測(cè)窗口小于背面探測(cè)窗口 ；以光刻膠作為掩膜進(jìn)行離子注入，形成P+區(qū)，然后去光刻膠，退火；9)在鍵合基片正面的二氧化硅層上光刻金屬/硅接觸窗口圖形，該金屬/硅接觸窗口圖形與正面探測(cè)窗口的中心位置相對(duì)；去除正面金屬/硅接觸窗口內(nèi)的二氧化硅以及背面的二氧化硅；10)在鍵合基片正面濺射一薄層金屬，然后光刻和刻蝕形成覆蓋P+區(qū)并具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的薄金屬層；11)在鍵合基片背面濺射厚金屬層；12)合金處理，使金屬和硅形成歐姆接觸。本發(fā)明的超薄探測(cè)器用鍵合基片來(lái)制備。在上述步驟1)對(duì)兩片不同晶向、不同電阻率的硅片采用高溫鍵合(IlO(TC)的方法制備成硅基片，兩片硅片分別作器件層和支撐層用。鍵合前，器件層硅片優(yōu)選(111)晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆·厘米，厚度在 300 μ m至600 μ m范圍內(nèi)，表面長(zhǎng)有1000埃到10000埃的二氧化硅。支撐層硅片優(yōu)選(100) 晶向的N型硅，電阻率小于10歐姆·厘米，厚度在300 μ m到600 μ m范圍內(nèi)，表面為裸露的硅層。在高溫下鍵合上述器件層硅片和支撐層硅片，然后通過(guò)研磨減薄器件層硅片至所需厚度，厚度在IOOym以下。步驟2、在對(duì)鍵合形成的硅基片作常規(guī)清洗之后，在硅基片的表面生長(zhǎng)一層二氧化硅層，厚度優(yōu)選為3000埃到8000埃；接著再常規(guī)清洗后，LPCVD雙面淀積一層氮化硅，厚度優(yōu)選為800埃到2000埃。步驟幻在背面氮化硅層上光刻背面探測(cè)窗口圖形，先干法刻蝕圖形窗口內(nèi)的厚度在800埃到2000埃范圍內(nèi)的氮化硅層，再用氫氟酸緩沖溶液腐蝕圖形窗口內(nèi)厚度在3000 埃到8000埃的范圍內(nèi)的二氧化硅層，暴露出支撐層硅的表面。其中背面探測(cè)窗口圖形優(yōu)選為圓形或八邊形。步驟4)腐蝕背面圖形窗口內(nèi)裸露出的支撐層硅，所用各向異性腐蝕液例如TMAH 和Κ0Η，本發(fā)明優(yōu)選采用TMAH腐蝕液濕法腐蝕支撐層硅，腐蝕至暴露出二氧化硅層。本發(fā)明優(yōu)選厚度在3000埃到8000埃的二氧化硅層和厚度在800埃到2000埃的氮化硅兩層腐蝕鈍化層來(lái)保護(hù)背面窗口圖形以外的區(qū)域。TMAH腐蝕硅的條件是腐蝕液濃度優(yōu)選為10wt% 到25wt%的TMAH，腐蝕溫度優(yōu)選為80°C到95°C，采用水浴加熱方式。步驟5)用RIE刻蝕硅片上下表面厚度在800埃到2000埃范圍內(nèi)的氮化硅，再用緩沖氫氟酸腐蝕硅片表面以及背面空腔內(nèi)的腐蝕阻擋用二氧化硅層。步驟6)常規(guī)清洗后在硅基片的表面生長(zhǎng)一層二氧化硅層，厚度優(yōu)選為800埃到 1200 埃。步驟7)優(yōu)選在硅基片背面進(jìn)行磷離子注入，形成N+區(qū)，離子注入劑量?jī)?yōu)選為 lel5/cm2 到 lel6/cm2，注入能量?jī)?yōu)選為 80Kev 到 120Kev。步驟8)在硅基片正面光刻探測(cè)窗口圖形，該正面探測(cè)窗口圖形優(yōu)選為圓形，正面探測(cè)窗口與背面探測(cè)窗口的中心位置相對(duì)，且正面探測(cè)窗口小于背面探測(cè)窗口，使得步驟 8)形成的P+區(qū)面積小于步驟7)形成的N+區(qū)。優(yōu)選在正面進(jìn)行硼離子注入，形成P+區(qū)，采用耐高溫光刻膠作注入掩膜，離子注入劑量?jī)?yōu)選為lel4/cm2到lel6/cm2，注入能量?jī)?yōu)選為30Kev到50Kev。離子注入后去除光刻膠，然后快速退火，退火溫度優(yōu)選為850°C到1050°C， 退火時(shí)間優(yōu)選為30s到60s。步驟9)在硅基片正面二氧化硅層光刻金屬/硅接觸窗口圖形；其中金屬/硅接觸窗口圖形優(yōu)選為小于P+區(qū)注入窗口(即正面探測(cè)窗口)圖形；然后腐蝕正面、背面以及空腔內(nèi)的二氧化硅。步驟10)常規(guī)清洗，漂除自然氧化層，在硅基片正面濺射一薄層金屬(優(yōu)選為鋁)， 厚度優(yōu)選為800埃到1200埃；光刻、腐蝕正面金屬，得到正面金屬層圖形。步驟11)在基片背面濺射一厚層金屬(優(yōu)選為鋁)，厚度優(yōu)選為0. 8 μ m到1. 4 μ m。步驟1 合金在氮?dú)?、氫氣的氣氛下進(jìn)行，合金溫度在400°C到500°C范圍內(nèi)，合金時(shí)間在30分鐘到60分鐘之間。上述工藝流程中，以下幾個(gè)工藝步驟尤為關(guān)鍵1.初始硅片決定了探測(cè)器的厚度、上下表面的平整性以及機(jī)械性能，并且也影響到后續(xù)的關(guān)鍵工藝-腐蝕工藝以及探測(cè)器的漏電流大小，所以鍵合基片的制備對(duì)探測(cè)器的各項(xiàng)性能都有著直接的影響。本發(fā)明優(yōu)選采用表面氧化有二氧化硅的高阻(111)晶向N型器件層硅片和低阻(100)晶向N型支撐層硅片進(jìn)行高溫鍵合得到初始硅基片。高阻(111) 晶向的器件硅層有利于降低漏電流并且進(jìn)行探測(cè)粒子時(shí)可得到較大的探測(cè)信號(hào)，是輻射探測(cè)器常用的硅片晶向，而低阻(100)晶向的支撐層則有利于背面TMAH腐蝕工藝的完成，并且采用低阻硅可以降低制造成本。2.各向異性濕法腐蝕支撐層硅工藝是本發(fā)明超薄探測(cè)器制造工藝的關(guān)鍵工藝。本發(fā)明優(yōu)選TMAH腐蝕液，TMAH濕法腐蝕硅是各向異性腐蝕，對(duì)于(100)晶向的硅片，腐蝕后底面(100)面與側(cè)壁(111)面成夾角，而不是干法刻蝕后的90°直角，因此用TMAH 濕法腐蝕(100)晶向支撐層硅比用干法刻蝕具有更好的機(jī)械性能。對(duì)于本發(fā)明中的鍵合硅基片，其表面平整性不受TMAH濕法腐蝕的影響，只與初始硅片器件層平整性相關(guān)，所以可以使用更低濃度的TMAH腐蝕液、采用更高腐蝕溫度來(lái)提高腐蝕速率，減短TMAH腐蝕工藝時(shí)間。同時(shí)考慮到腐蝕過(guò)程中腐蝕液的稀釋性以及在腐蝕過(guò)程中可能形成的金字塔形狀導(dǎo)致難以繼續(xù)腐蝕，本發(fā)明經(jīng)多次試驗(yàn)證實(shí)，在腐蝕液濃度5wt%到25wt%，腐蝕溫度為80°C到 95°C時(shí)，尤其是腐蝕液濃度20wt%，溫度為90°C時(shí)，可以在保證腐蝕工藝完成的基礎(chǔ)上縮短腐蝕工藝時(shí)間。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的探測(cè)器在保持機(jī)械性能優(yōu)異的基礎(chǔ)上還具有下列有益效果1.本發(fā)明的鍵合硅基片超薄PIN高能粒子探測(cè)器具有厚度薄、面積大、機(jī)械性能好、探測(cè)器厚度確定的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用此種結(jié)構(gòu)可大批量生產(chǎn)同樣厚度的超薄探測(cè)器，并且探測(cè)器厚度可控。而且本發(fā)明從根本上消除了 TMAH濕法腐蝕或干法腐蝕硅帶來(lái)的探測(cè)器表面的不平整性，這對(duì)于降低探測(cè)器漏電流具有重要作用。2.本發(fā)明采用兩片不同晶向、不同電阻率的硅片進(jìn)行高溫鍵合制得硅基片，用于制造超薄探測(cè)器。這種新型的特殊結(jié)構(gòu)硅基片用于制造超薄探測(cè)器可帶來(lái)以下有益效果 高阻(111)晶向的器件層硅片的應(yīng)用有利于降低漏電流且進(jìn)行粒子探測(cè)時(shí)可得到較大的探測(cè)信號(hào)；低阻(100)晶向的支撐層硅片適用于TMAH溶液中進(jìn)行腐蝕，有利于腐蝕工藝的完成，并且采用低阻硅可以降低制造成本。
3.本發(fā)明的超薄探測(cè)器的制備方法中采用了耐高溫光刻膠作正面P+區(qū)的離子注入掩膜，只需一次光刻就可得到正面薄鋁圖形，形成正面薄窗結(jié)構(gòu)，薄窗結(jié)構(gòu)可減小探測(cè)器死層厚度，提高探測(cè)器分辨率，工藝技術(shù)簡(jiǎn)單，對(duì)于超薄探測(cè)器的制備來(lái)說(shuō)，不僅僅可以降低成本，而且也提高了超薄探測(cè)器的成品率。


圖1為本發(fā)明鍵合技術(shù)制備的超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)到圖2(1)為本發(fā)明實(shí)施例超薄探測(cè)器具體制備方法流程結(jié)構(gòu)示意圖。其中1-器件層硅片2-支撐層硅片3-腐蝕阻擋用二氧化硅
層4，4’ -熱生長(zhǎng)二氧化硅層 5-氮化硅層6-N+區(qū)7-P+區(qū)8-場(chǎng)板9-正面薄鋁層10-背面厚鋁層11-背面探測(cè)窗口 12-正面探測(cè)窗口
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示的最佳實(shí)例對(duì)本發(fā)明的鍵合基片超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器及其制備方法作進(jìn)一步詳述。如圖1所示，基于鍵合基片的超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器結(jié)構(gòu)包括器件層硅片1 和支撐層硅片2組成的鍵合硅基片，其中器件層硅片1為(111)晶向的N型硅，電阻率大于 4000歐姆·厘米，厚度為IOOym;支撐層硅片2為(100)晶向的N型硅，電阻率為2_4歐姆·厘米，厚度為400 μ m。器件層硅片1正面有硼摻雜形成的P+區(qū)7，以形成PN結(jié)，其上有薄鋁層9覆蓋，薄鋁層9具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)8，以提高擊穿電壓；正面探測(cè)窗口以外區(qū)域用二氧化硅層4’作鈍化層?；趁嫣綔y(cè)窗口 11為一個(gè)帶有空腔結(jié)構(gòu)的探測(cè)窗口，此空腔結(jié)構(gòu)通過(guò)TMAH濕法腐蝕形成，其側(cè)面與底面夾角為54. 74° ；空腔內(nèi)在器件層硅片1背面有磷摻雜形成的N+ 區(qū)6，以形成歐姆接觸；基片背面用厚鋁層10全部覆蓋。上述基于鍵合基片的超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器的具體制備方法包括下述步驟a.制備超薄探測(cè)器用鍵合硅基片(111)晶向的高阻硅作器件層硅片1和(100) 晶向的低阻硅作支撐層硅片2。器件層硅片1為N型，電阻率大于4000歐姆厘米，厚度為 300 μ m,表面長(zhǎng)有5000埃的二氧化硅用作腐蝕阻擋層3 ；支撐層硅片2為N型，電阻率為2_4 歐姆厘米，厚度為400 μ m。將兩硅片1100°c高溫鍵合成硅基片，然后研磨減薄鍵合的硅片器件層硅至所需厚度100 μ m，如圖2(a)所示。b.備片后，對(duì)基片進(jìn)行常規(guī)清洗，清洗后在硅基片上下表面熱生長(zhǎng)一層高質(zhì)量的二氧化硅層4，厚度為5000埃；然后常規(guī)清洗，LPCVD淀積一厚度為1000埃的氮化硅層5。此步驟的二氧化硅層4和氮化硅層5作為腐蝕保護(hù)層雙重保護(hù)腐蝕區(qū)域外的硅不受TMAH腐蝕液的腐蝕。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。c.光刻背面探測(cè)窗口圖形，然后用RIE刻蝕背面探測(cè)窗口圖形下的氮化硅層5，接著用緩沖氫氟酸腐蝕背面探測(cè)窗口圖形下的二氧化硅層4，使得支撐層硅片2裸露；背面探測(cè)窗口圖形直徑為12mm。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。d.用TMAH腐蝕液濕法腐蝕背面探測(cè)窗口下的支撐層硅，直至裸露腐蝕阻擋用二氧化硅層3。腐蝕條件為TMAH腐蝕液濃度為20wt%，腐蝕溫度為90°C，采用水浴加熱的方式。腐蝕后的側(cè)壁與腐蝕底面成討.74°夾角。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(d)所示。e. RIE刻蝕硅片上下表面的氮化硅層5，該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(e)所示；接著用緩沖氫氟酸腐蝕背面探測(cè)窗口 11裸露出的腐蝕阻擋用二氧化硅層3和硅片正背面的二氧化硅層4。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(f)所示。f.熱生長(zhǎng)二氧化硅薄層4’，厚度為800埃。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(g)所示。g.在背面探測(cè)窗口 11進(jìn)行磷離子注入形成N+區(qū)6，離子注入劑量為lel6/cm2，注入能量為lOOKev。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(h)所示。h.光刻正面探測(cè)窗口圖形，然后用耐高溫光刻膠作注入掩膜進(jìn)行硼離子注入形成 P+注入?yún)^(qū)7，離子注入劑量為lel5/cm2，注入能量為40Kev。之后對(duì)硅片進(jìn)行950°C，40秒的快速退火。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2 (i)所示。i.在正面二氧化硅層光刻鋁/硅接觸窗口圖形，用氫氟酸緩沖溶液腐蝕正面和背面的二氧化硅層4’。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2 (j)所示。j.漂自然氧化層，正面濺射一厚度為1000埃的薄鋁層，形成正面薄鋁層9。然后光刻正面薄鋁圖形，之后用磷酸腐蝕出具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)8的正面鋁層圖形。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(k)所示。k.在背面濺射一厚度為Iym的厚鋁層覆蓋背面，形成背面厚鋁層10。該步驟之后的結(jié)構(gòu)如圖2(1)所示。1.進(jìn)行430°C，30分鐘的鋁合金，以形成良好的歐姆接觸。
權(quán)利要求
1.一種超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器，包括鍵合在一起的器件層硅片和支撐層硅片，以及二者之間的二氧化硅層，其中所述器件層硅片的正面有摻雜形成的P+區(qū)，所述P+區(qū)之外的硅表面覆蓋有二氧化硅層，所述P+區(qū)上面覆蓋有薄金屬層，該薄金屬層邊緣具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)；所述支撐層硅片在對(duì)應(yīng)于器件層硅片P+區(qū)的位置開有窗口形成空腔結(jié)構(gòu)，暴露出器件層硅片的背面，該空腔結(jié)構(gòu)為下寬上窄的倒扣桶狀；所述器件層硅片暴露的背面區(qū)域?yàn)閾诫s形成的N+區(qū)；所述N+區(qū)表面覆蓋有厚金屬層。
2.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)器，其特征在于，所述器件層硅片為(111)晶向的N型硅， 電阻率大于1000歐姆·厘米，厚度在100 μ m以下；所述支撐層硅片為(100)晶向的N型硅，電阻率小于10歐姆·厘米，厚度在300 μ m到600 μ m范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)器，其特征在于，所述薄金屬層與硅的接觸面積小于P+區(qū)， 而P+區(qū)面積又小于N+區(qū)。
4.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)器，其特征在于，所述薄金屬層的厚度在800埃到1200埃范圍內(nèi)，所述厚金屬層的厚度在0. 8 μ m到1. 4 μ m范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)器，其特征在于，所述支撐層硅片的空腔橫截面為八邊形或圓形，空腔側(cè)壁與底面的夾角為74°。
6.權(quán)利要求1所述超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器的制備方法，包括以下步驟1)將一表面長(zhǎng)有二氧化硅層的硅片和一表面為裸露硅層的硅片鍵合在一起，其中所述二氧化硅層夾在兩硅片之間，制得鍵合基片，兩硅片分別作為正面的器件層硅片和背面的支撐層硅片，研磨減薄器件層硅片至所需厚度；2)在鍵合基片上下表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層，再雙面淀積氮化硅層；3)在鍵合基片背面的氮化硅層上光刻背面探測(cè)窗口圖形，去除窗口內(nèi)的氮化硅層和二氧化硅層，暴露出支撐層硅片的背表面；4)各向異性濕法腐蝕背面探測(cè)窗口裸露的支撐層硅，暴露出器件層硅片和支撐層硅片之間的二氧化硅層；5)去除鍵合基片上下表面的氮化硅層和二氧化硅層，以及背面探測(cè)窗口內(nèi)的二氧化娃；6)在鍵合基片表面熱生長(zhǎng)二氧化硅層；7)在鍵合基片的背面進(jìn)行離子注入，在背面探測(cè)窗口內(nèi)的器件層硅片背面區(qū)域形成N+區(qū)；8)在鍵合基片正面的二氧化硅層上光刻正面探測(cè)窗口圖形，該正面探測(cè)窗口與背面探測(cè)窗口的中心位置相對(duì)，且正面探測(cè)窗口小于背面探測(cè)窗口 ；以光刻膠作為掩膜進(jìn)行離子注入，形成P+區(qū)，然后去光刻膠，退火；9)在鍵合基片正面的二氧化硅層上光刻金屬/硅接觸窗口圖形，該金屬/硅接觸窗口圖形與正面探測(cè)窗口的中心位置相對(duì)；去除正面金屬/硅接觸窗口內(nèi)的二氧化硅以及背面的二氧化硅；10)在鍵合基片正面濺射一薄層金屬，然后光刻和刻蝕形成覆蓋P+區(qū)并具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的薄金屬層；11)在鍵合基片背面濺射厚金屬層；12)合金處理，使金屬和硅形成歐姆接觸。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟1)中作為器件層的硅片為(111) 晶向的N型硅，電阻率大于1000歐姆·厘米；作為支撐層的硅片為(100)晶向的N型硅，電阻率小于10歐姆·厘米，厚度在300 μ m到600 μ m范圍內(nèi)；兩硅片鍵合后通過(guò)研磨將器件層硅片減薄至100 μ m以下。
8.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟2)在所述基片表面生長(zhǎng)的二氧化硅層的厚度為3000埃 8000埃，在該二氧化硅層上淀積的氮化硅層的厚度為800埃 2000埃；步驟幻光刻背面探測(cè)窗口圖形，圖形形狀為圓形或八邊形，然后先干法刻蝕圖形窗口內(nèi)的氮化硅層，再用氫氟酸緩沖溶液腐蝕圖形窗口內(nèi)的二氧化硅層，暴露出支撐層硅的表面；步驟4)用四甲基氫氧化銨腐蝕背面探測(cè)窗口裸露的支撐層硅，四甲基氫氧化銨腐蝕液的濃度為IOwt^到25wt%，腐蝕溫度為80°C到95°C。
9.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟7)在硅基片背面進(jìn)行磷離子注入， 形成N+區(qū)；步驟8)在硅基片正面光刻探測(cè)窗口圖形，該正面探測(cè)窗口圖形為圓形，以光刻膠為掩膜進(jìn)行硼離子注入，形成P+區(qū)。
10.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟8)形成的P+區(qū)面積小于步驟7) 形成的N+區(qū)，步驟9)中所述金屬/硅接觸窗口圖形小于正面探測(cè)窗口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于鍵合基片的超薄硅PIN高能粒子探測(cè)器及其制備方法。該探測(cè)器包括鍵合在一起的器件層硅片和支撐層硅片，以及二者之間的二氧化硅層，其中所述器件層硅片的正面有摻雜形成的P+區(qū)，所述P+區(qū)之外的硅表面覆蓋有二氧化硅層，所述P+區(qū)上面覆蓋有薄金屬層，該薄金屬層邊緣具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)；所述支撐層硅片在對(duì)應(yīng)于器件層硅片P+區(qū)的位置開有窗口形成空腔結(jié)構(gòu)，暴露出器件層硅片的背面，該空腔結(jié)構(gòu)為下寬上窄的倒扣桶狀；所述器件層硅片暴露的背面區(qū)域?yàn)閾诫s形成的N+區(qū)；所述N+區(qū)表面覆蓋有厚金屬層。本發(fā)明的超薄探測(cè)器可測(cè)量粒子能量及鑒別粒子種類，應(yīng)用于核物理探測(cè)等領(lǐng)域中。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102496632SQ20111045244
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者于民, 田大宇, 董顯山, 金玉豐 申請(qǐng)人:北京大學(xué)