Детектор короткопробежных заряженных частиц и способ его изготовления

 

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ядерных излучений. Целью изобретения является улучшение разрешающей способности детектора. Цель достигается выполнением детектора в виде p⁺-n-n⁺ - структуры на основе кремниевой монокристаллической подложки со слоем двуокиси кремния, ограничивающим p⁺ - область контактов. При этом подложка выполнена с удельным сопротивлением ρ≥100 Oм cм³ и заданной толщиной, а p⁺-n - переход расположен на глубине, меньшей или равной 0,05 мкм, p⁺ -область выполнена с монотонно возрастающей концентрацией примеси к ее лицевой стороне до 10²⁰-10²²cм³ на поверхности, где расположен контакт, выполненный в виде кольца. В результате такого выполнения обеспечиваются сохранение высокого времени жизни носителей заряда в тонкой области подложки и малой скорости поверхностной рекомбинации на ее обратной стороне при одновременном снижении последовательного сопротивления детектора и создании тонкого входного окна, что приводит к улучшению разрешающей способности детектора короткопробежных заряженных частиц. Предлагается также способ изготовления такого детектора. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике регистрации ядерных излучений. Целью изобретения является улучшение разрешающей способности детектора. Сущность изобретения состоит в том, что в детекторе короткопробежных заряженных частиц, состоящем из -p⁺ -n-n⁺ -структуры на основе кремниевой монокристаллической подложки со слоем двуокиси кремния, ограничивающим р⁺ -область, и контактов, подложка выполнена из кремния с удельным сопротивлением ρ , большим или равным 100 Ом˙см, и толщиной l (мкм), удовлетворяющей соотношению ρ /S (l-b-W) ≅ R_вх , где S - площадь р -области, мкм²; b - глубина залегания р⁺ -n-перехода, мкм; W - ширина области пространственного заряда, мкм; R_вх - входное сопротивление усилителя, Ом, а р⁺ -n-переход расположен на глубине, меньшей или равной 0,05 мкм, р⁺-область выполнена с монотонно возрастающей концентрацией примеси к ее лицевой стороне до 1˙10²⁰ - 1˙10²² см^-3 на поверхности, где расположен контакт, выполненный в виде кольца. Цель достигается также тем, что толщина подложки удовлетворяет соотношению l ≥ L_тр, где L_тр - глубина поглощения энергии частицы, мкм. В способе изготовления детектора короткопробежных заряженных частиц, включающем окисление кремниевой подложки n-типа проводимости, травление окисного слоя с лицевой стороны подложки в рабочей области и с ее обратной стороны, формирование р⁺ -n-перехода с лицевой стороны подложки путем внедрения бора и сильнолегированного слоя n⁺ -типа проводимости с ее обратной стороны и создание контактов напылением в вакууме, после окисления проводят вытравливание окисного слоя с обработкой стороны подложки в рабочей области и травление подложки в этой же области для ее утоньшения, а после формирования сильнолегированного слоя n⁺ -типа проводимости проводят вытравливание окисного слоя с лицевой стороны подложки в рабочей области и затем диффузией формируют р⁺ -n-переход. Использование более низкоомной подложки дает возможность уменьшить темновой ток, как диффузионную составляющую, так и поверхностный ток утечки, что, в свою очередь, приводит к уменьшению шумов. Кроме того, использование более низкоомной подложки позволяет уменьшить последовательное сопротивление детектора, а также увеличить коэффициент собирания носителей заряда за счет увеличения напряженности электрического поля в области пространственного заряда ОПЗ. Однако применение слишком низкоомных подложек ставит неразрешимые проблемы для достижения необходимой ширины ОПЗ, поскольку в этом случае требуется слишком высокое напряжение смещения. Экспериментально было установлено, что удельное сопротивление подложки с учетом конкретного технологического процесса должно быть больше, или равно 100 Ом см. Левая часть приведенного соотношения для l и ρ в формуле изобретения представляет собой последовательное сопротивление детектора (при условии малости сопротивления растекания). Для того чтобы оно не ухудшало разрешающую способность детектора, необходимо, чтобы оно было согласовано с входным сопротивлением усилителя, т. е. должно быть меньше или равно входному сопротивлению усилителя, составляющему десятки Ом. Поскольку длина пробега в кремнии для каждого типа короткопробежных заряженных частиц известна, излишняя толщина подложки d = l - L_тр (d > 0) (1) дает неоправданный вклад в последовательное сопротивление детектора, что ухудшает его разрешающую способность. Поэтому для повышения разрешающей способности необходимо ограничить толщину подложки (по крайней мере, в рабочей области) соотношением ρ /S (l-b-W) ≅ R_вх . (2) Вместе с тем необходимо для целей спектрометрии, чтобы вся энергия регистрируемой частицы поглощалась в детекторе, откуда вытекает условие l ≥ L_тр . (3) Если l < L_тр, то часть энергии короткопробежной частицы не поглощается в подложке, что, очевидно, недопустимо для режима спектрометрии. Существенным является также глубина залегания р-n-перехода, поскольку он влияет на коэффициент собирания носителей заряда, а следовательно, и на разрешающую способность. Необходимо, чтобы глубина залегания р⁺ -n-перехода была минимальна возможной. Были проведены исследования разрешающей способности предлагаемых детекторов, изготовленных заявляемым способом, отличающихся друг от друга только глубиной залегания р⁺ -n-перехода. В результате экспериментов обнаружено, что разрешающая способность таких детекторов начинает существенно ухудшаться при глубине залегания р⁺ -n-перехода, превышающей 0,05 мкм. Эта величина тесно связана с тем, что на коэффициент собирания носителей заряда сильное влияние оказывает распределение концентрации примеси в р⁺ -области. Если концентрация примеси монотонно уменьшается от лицевой поверхности р⁺ -области вглубь к р-n-переходу, то в р⁺-области возникает встроенное постоянно действующее электрическое поле, способствующее оттягиванию носителей заряда от поверхности к р⁺-n-переходу, в результате чего потери неравновесного заряда за счет рекомбинации на поверхности и в сильнолегированном р⁺ -слое существенно уменьшаются. Чем выше при этом концентрация легирующей примеси на поверхности, тем сильнее встроенное электрическое поле и выше коэффициент собирания носителей из приповерхностной области, а следовательно, лучше разрешающая способность, детектора. Значения концентрации легирующей примеси на поверхности р⁺ -области 1˙10²² см^-3является максимально допустимой. Экспериментально было показано, что при дальнейшем повышении концентрации на поверхности р⁺ -области получаются тонкие пленки различных химических соединений, содержащих легирующую примесь и кремний. В результате происходит утолщение входного окна и ухудшается разрешающая способность детектора. При снижении концентрации легирующей примеси на поверхности ниже 1˙10²⁰ см^-3 также происходит ухудшение разрешающей способности детектора, поскольку из-за уменьшения встроенного поля снижается эффективность собирания носителей заряда в р⁺ -области. Применение мелкозалегающего р⁺ -n-перехода, большого градиента концентрации легирующей примеси в р⁺ -области, высокой поверхностной концентрации примеси и кольцевого контакта в конструкции детектора позволило изготовить детекторы с чрезвычайно тонким входным окном порядка 100 . Поскольку толщина подложки детектора ограничена соотношениями (2) и (3), то при детектировании, например, α -частицы ее толщина должна быть порядка 30 мкм. Выход годных детекторов в процессе их изготовления близок к нулю при использовании таких тонких подложек вследствие их хрупкости и нетехнологичности. В предлагаемом способе производится локальное утоньшение кремниевой подложки только в ее рабочей области с обратной стороны. Для этого обычную окисленную кремниевую подложку толщиной 300-400 мкм утоньшают
путем травления через маску с обратной стороны в ее рабочей области. Для локального утоньшения кремниевой подложки путем травления необходимо предварительное вытравливание окисного слоя с обратной стороны подложки в рабочей области, которое должно следовать после окисления подложки. Очевидно, что в детекторе должна обеспечиваться низкая скорость поверхностной рекомбинации на обратной стороне утоньшенной подложки. Общеизвестно, что в случае обычных толстых подложек к этому приводит создание сильнолегированного n⁺ -слоя с обратной стороны n-подложки. Было экспериментально показано, что в случае применения локально утоньшенных кремниевых подложек этот эффект может быть достигнут только при заявляемой последовательности технологических операций, а именно - сильнолегированный n⁺ -слой должен быть сформирован перед созданием р⁺ -n-перехода на лицевой стороне подложки. Это можно объяснить перераспределением механических напряжений и дефектов в утоньшенной части подложки относительно толстой подложки. Кроме того, сам процесс утоньшения подложки путем травления приводит к генерации рекомбинационных центров в тонкой части подложки, что снижает время жизни носителей заряда и недопустимо для детектора с хорошей разрешающей способностью. Экспериментально было показано, что формирование n⁺ -слоя перед созданием р -n-перехода позволяет нейтрализовать центры рекомбинации и таким образом сохранить исходное высокое время жизни в материале подложки. Перед созданием р⁺ -n-перехода необходимо вытравливание окисного слоя с лицевой стороны подложки в рабочей области. Устройство детектора изображено на чертеже. Детектор состоит из р⁺ -n-n⁺ -структуры 1 на основе кремниевой монокристаллической подложки 2, слоя двуокиси кремния 3, ограничивающего р⁺ -область 4, р⁺ -n-перехода 5, контакта 6, сильнолегированного n⁺-слоя 7. Слой двуокиси кремния 3 и р⁺ -область 4 находятся на лицевой поверхности подложки 2, р⁺ -n-переход 5 находится в подложке 2, причем слой двуокиси кремния 3 ограничивает площадь р -области 4 и р-n-перехода 5. Сильнолегированный р⁺ -слой 7 расположен с обратной стороны подложки 2. Металлические контакты 6 находятся на поверхности р⁺ -области 4 и n⁺ -слоя 7. Применение р⁺ -n-n⁺ -структуры 1 на основе подложки 2 n-типа проводимости с р⁺ -n-переходом 5, р⁺ -областью 4 и n⁺ -слоем 7 необходимо для разделения носителей заряда, рожденных при поглощении короткопробежной частицы в подложке 2. Слой двуокиси кремния 3 служит для ограничения площади р⁺ -области 4 и р⁺ -n-перехода 5, а также для пассивации поверхности детектора, чтобы исключить влияние поверхности на работу детектора. Сильнолегированный n⁺ -слой 7 необходим для получения на обратной поверхности кремниевой подложки 2 малой скорости поверхностной рекомбинации, а также для омичности контакта к n-области. С помощью металлических контактов 6 обеспечивается подача на детектор напряжения смещения и съем электрического сигнала. Детектор работает следующим образом. На контакты 6 подается отрицательное напряжение смещения. Частицы, попадая в р⁺ -n-n⁺-структуру 1 со стороны р⁺ -области 4, теряют свою энергию, которая идет на образование электрон-дырочных пар. Последние разделяются р⁺-n-переходом 5 и, двигаясь под действием поля, создают электрический сигнал, по величине которого судят об энергии зарегистрированной частицы. Для конкретной реализации устройства р⁺ -n-n⁺ -структура была выполнена на основе кремниевой монокристаллической подложки n-типа проводимости с удельным сопротивлением 200 Ом˙см и ориентацией [100] толщиной 350 мкм, которая была утоньшена в рабочей области до 40 мкм. р⁺-n-Переход был расположен на глубине 0,03 мкм, а концентрация примеси в р⁺ -области монотонно возрастала от р⁺ -n-перехода к лицевой поверхности, где достигала значения 8˙10²¹ см^-3. Контакт к р⁺ -области был выполнен в виде кольца с внутренним диаметром 5000 и внешним 5200 мкм, а другой контакт к n⁺-р-области выполнялся сплошным. П р и м е р. Кремниевая монокристаллическая подложка n-типа проводимости с удельным сопротивлением 200 Ом˙см и ориентацией [100] толщиной 350 мкм окислялась при температуре 1150^оС в атмосфере сухого кислорода в присутствии CCl₄ в течение 6 ч. Утоньшение подложки можно проводить несколькими способами: в кислотном изотропном травителе через маску двуокиси кремния, в щелочном анизотропном травителе через двойную маску сильнолегированного р-поликристаллического кремния (ПК) - двуокиси кремния. В данном случае использовалось анизотропное травление. Для этого, после окисления кремниевой пластины перед вытравливанием окисного слоя с обратной стороны подложки в ее рабочей области, подложка с обеих сторон покрывалась слоем сильнолегированного (2˙ 10²⁰ см^-3) р⁺ -ПК толщиной 0,8 мкм путем пиролиза моносилана в атмосфере водорода при температуре 800^оС. В качестве легирующей примеси использовался диборан. Затем с помощью фотолитографии с использованием фоторезиста ФП-РН-27В вскрывали окно в слоях ПК и окисла с обратной стороны подложки в ее рабочей области путем химического травления: слоя ПК - в травителе для ПК, содержащем на 1 ч 49% -ной HF 30 ч 70% -ной HNO₃ и 10 ч Н₂О, слоя окисла в буферном травителе, содержащем на 1 ч 49% -ной HF 10 ч насыщенного водородного раствора NH₄F. Затем через двойную маску ПЕ-окисел подложка локально уменьшалась в ее рабочей области с обратной стороны до толщины 40 мкм путем химического анизотропного травления в травителе, содержащем на 120 см³ Н₂О 37,5 г КОН и 37,5 г С₂Н₈О при температуре 80^оС. После этого маска ПК стравливалась с обеих сторон подложки в травителе для ПК. После этого слой окисла стравливался только с обратной стороны подложки в буферном травителе. Затем методом газофазной эпитаксии при температуре 1050^оС путем разложения силана в атмосфере водорода на обратную сторону подложки наносился эпитаксиальный n -слой кремния с удельным сопротивлением 1˙10^-3 Ом˙см. В качестве источника легирующей примеси использовался фосфин. Далее с помощью фотолитографии с использованием фоторезиста ФП-РН-27В вскрывалось окно в окисном слое с лицевой стороны подложки в ее рабочей области путем химического травления в буферном травителе, после чего проводилась диффузия бора при температуре 850^оС в атмосфере водорода в присутствии хлористого водорода. В качестве источника легирующей примеси использовался диборан. Затем методом вакуумного напыления на лицевую сторону структуры наносились последовательно слои ванадия и алюминия, после чего с помощью фотолитографии с использованием фоторезиста ФП-РН-27В химическим травлением в травителе, содержащем 70% Н₃РО₄ 15% СН₃СООН и 15% 70% -ной HNO₃, формировался контакт к р⁺ -области, после чего формировали контакт к n⁺-слою путем вакуумного напыления на обратную сторону структуры последовательно слоев ванадия и алюминия. Реализация заявленного предложения осуществлялась и при других параметрах, а именно удельном сопротивлении, толщине подложки, глубине залегания р⁺-n-перехода и концентрации примеси на лицевой поверхности р -области соответственно 1000 Ом˙см, 30 мкм, 0,04 мкм, 1˙10²² см^-3. При этом также улучшилась разрешающая способность. Разрешающая способность изготовленных таким образом детекторов составила 7,5 кэВ по линии препарата Pu²³⁸ из набора образцовых α -источников ОСАИ. В качестве электронной аппаратуры использовался спектроскопический тракт фирмы EG8G ORТEС. Основное техническое преимущество предлагаемого детектора и способа его изготовления состоит в высокой разрешающей способности по энергии регистрируемых короткопробежных заряженных частиц, приближающейся к теоретическому пределу. Вытекающим из этого следствием является, например, расширение области использования методов α -спектрометрии в технологии получения и переработки топлива для ядерной энергетики. При этом повышается экспрессность анализа, уровень автоматизации и снижается доля ручного труда во вредных условиях. (56) EG8G ORTEC. Radiation Detection Measurement. Analysis, 1983/84. Kemmer G, Burger P, Henck R, Heijne E. Performance and applications of passivated ion-implanted silicon detectors. "IEEE Trans Nucl Science", NS-29, 1982, p. 733. Ouchi H, Mukai T, Kamei T, Okamura M. Silicon p-n-junction photodiodes sensitive to ultraviolet radiation "IEEE Trans Electron. Dev". , ED-26, 1979, p. 1965. Авторское свидетельство СССР N 1218864, кл. H 01 L 31/06, 1986. Авторское свидетельство СССР N 965233, кл. H 01 L 21/223, 1980.

Формула изобретения

1. Детектор короткопробежных заряженных частиц, состоящий из p⁺ - n - n⁺-структуры на основе кремниевой монокристаллической подложки со слоем двуокиси кремния, ограничивающим p⁺-область, и контактов, отличающийся тем, что, с целью улучшения разрешающей способности детектора, подложка выполнена из кремния с удельным сопротивлением ρ ≥ 100 Ом˙см , и толщиной l, удовлетворяющей соотношению
ρ / S( l - b - W ) ≅ R_вх,
где S - площадь p⁺-области, мкм²;
b - глубина залегания p⁺ - n-перехода, мкм;
W - ширина области пространственного заряда, мкм;
R_вх - входное сопротивление усилителя, Ом,
а p⁺ - n-переход расположен на глубине h ≅ 0,05 мкм, p⁺-область выполнена с монотонно возрастающей концентрацией примеси к ее рабочей стороне до 1 · 10²⁰ - 1 · 10²² см^-3 на поверхности, где расположен контакт, выполненный в виде кольца. 2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что толщина подложки l удовлетворяет соотношению
l ≥ L_тр,
где L_тр - глубина поглощения энергии частицы, мкм. 3. Способ изготовления детектора короткопробежных заряженных частиц, включающий окисление кремниевой подложки n-типа проводимости, травление окисного слоя с лицевой стороны подложки в рабочей области и с ее обратной стороны, формирование p⁺ - n-перехода с рабочей стороны подложки путем внедрения бора и сильнолегированного слоя n⁺-типа проводимости с ее обратной стороны и создание контактов напылением в вакууме, отличающийся тем, что, с целью улучшения разрешающей способности детектора, после окисления проводят вытравливание окисленного слоя с обратной стороны подложки в рабочей области и травление подложки в этой же области для ее утоньшения, а после формирования сильнолегированного слоя n⁺-типа проводимости проводят вытравливание окисного слоя с лицевой стороны подложки в рабочей области и затем диффузией формируют p⁺ - n-переход.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 03.03.1995

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2002

Извещение опубликовано: 27.12.2002        

---