способ изготовления полупроводникового детектора ионизирующих частиц

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДЕТЕКТОРА ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ, заключающийся в создании на поверхности кремниевой пластины p-типа слоя SiO₂ с формированием на границе их раздела встроенного положительного заряда с индуцированием в приповерхностной зоне p-кремния инверсного n-слоя и выполнении на полученной структуре пары омических контактов, первый из которых осуществляют к инверсному n-слою посредством создания n⁺-области с последующим напылением на n⁺-область металла, а второй напылением металла на p-область с тыльной стороны пластины, отличающийся тем, что вначале на поверхности пластины формируют кольцевую n⁺-область путем ионной имплантации примеси и напыляют на n⁺-область металлического электрода контакт, которые осуществляют через маску, затем на ограниченную кольцевым электродом зону наносят слой SiO₂, причем нанесение последнего выполняют при температуре кристалла не выше 450^oС, после чего облучают полученную структуру дозой рентгеновского излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дозу D излучения выбирают исходя из условия



где L толщина чувствительной зоны детектора, мкм;



удельное сопротивление кремния, кОм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления детекторов, применяемых в технике физического эксперимента для излучения ионизирующих излучений, а также для измерения дозы излучения в процессе контроля радиационной безопасности.

Способы изготовления полупроводниковых детекторов с p-n-переходом включают в себя технологические операции, суть которых сводится к созданию на сравнительно большой площади в объеме кристалла двух слоев с различным типом проводимости при достаточно высокой воспроизводимости электрических и физических параметров по всему объему.

Известен способ изготовления полупроводникового детектора ионизирующих частиц с p-n-переходом, включающий операции разрезания кристалла на пластины, шлифовки, отмывки и последующей полировки травлением, промывки и сушки, напыления на одну сторону пластины алюминия и нанесения на другую сторону раствора пятиокиси фосфора в этиленгликоле, диффузии фосфора последовательной выдержкой пластины с нанесенной пятиокисью фосфора при температуре 800^о С в течение 1 ч и последующего медленного снижения температуры до комнатной, удаления обуглившегося материала и фосфорсиликатного стекла, осуществляемого смачиванием пластины плавиковой кислотой, последовательной промывки в деионизованной воде и этиловом спирте и сушки под инфракрасной лампой. Таким образом получают структуру полупроводникового детектора на основе p-n-перехода, чувствительная область которого находится в обедненном слое [1]

Недостаток указанного способа заключается в повышенной зависимости электрофизических параметров полученной структуры, а следовательно, и счетных характеристик детектора от вариаций в режимах выполнения формирующих ее операций, вследствие чего использование способа становится возможным лишь в условиях специализированных производств. Кроме того, использование высоких температур, предусмотренных этим способом, приводит к существенному снижению времени жизни неосновных носителей, ответственных за генерацию в детекторе электрических импульсов, а следовательно, и к ухудшению энергетического разрешения детектора, которое снижается из-за рекомбинации в объеме части создаваемых ионизирующей частицей носителей заряда.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ изготовления полупроводникового детектора ионизирующих частиц на основе кремния p-типа, заключающийся в создании на поверхности кремниевой пластины слоя SiO₂, который получают путем термического окисления, в частности выдержкой пластины в среде влажного кислорода при температуре 950-750^о С в течение 4-7 ч. При этом режиме окисления поверхностного слоя кремниевой пластины на границе раздела оксидного слоя с кремнием образуется встроенный положительный заряд Q, а в кремнии p-типа вблизи поверхности, т.е. на глубине порядка сотни ангстрем, индуцируется соответствующий инверсионный слой, обуславливающий появление в нем канальной проводимости n-типа (предварительная подготовка пластин при этом аналогична описанному выше аналогу). Таким образом образуется поверхностно-барьерная структура, используемая для изготовления из нее детектора. Последний получают после выполнения к данной структуре пары омических контактов. Первый из них осуществляют к образованному инверсионному слою посредством n⁺-области, которую по данному способу формируют путем диффузии фосфора через фотолитографически выполненную в слое SiO₂-маску и напыления через ту же маску на указанную область металла, в частности алюминия, с последующей его термообработкой. Второй контакт выполняют с тыльной стороны пластины и осуществляют так же, как и первый напылением алюминия и термообработкой, одновременно с первым. По выполнении этих операций получают детектор ионизирующих частиц на основе p-n-перехода, имеющий n-область в виде тонкого инверсионного слоя. Полученная p-n-структура позволяет производить детектирование короткопробежных частиц малых энергий, поскольку для пролета их в чувствительную область требуются минимальные энергетические затраты [2]

Известный способ обладает рядом недостатков. При используемой в способе методике окисления поверхностного слоя кремниевой пластины, способствующей одновременному образованию на поверхности раздела SiO₂ с p-слоем встроенного заряда Q, даже при нижних граничных значениях рекомендуемой температуры происходит существенное снижение времени жизни неосновных носителей. Следствием этого является значительное уменьшение амплитуды генерируемого на электродах импульса, а также снижение энергетического разрешения детектора. При этом ограничивается возможность регистрации низкоэнергетических частиц. Изготовленные по известному способу детекторы обладают повышенным уровнем шумов, которые препятствуют регистрации низкоэнергетичных частиц, поскольку собственные шумовые импульсы вуалируют эффект от последних. Повышенные шумовые характеристики детектора обусловлены структурными нарушениями, которые возникают в объеме кристалла в процессе выполнения высокотемпературных операций по формированию окисного слоя с зарядом на границе раздела, а также промежуточной n⁺-области контакта к инверсному слою. Невозможность управления процессом формирования в структуре встроенного положительного заряда Q, а также контроля его в ходе выполнения операций не позволяет заранее задавать конкретные характеристики изготавливаемым приборам. Более того, величина указанного заряда Q в значительной степени зависит и от других неконтролируемых реагентов и процессов, используемых в способе, в частности, выполняемых на стадии подготовки пластин. Необходимость в указанном управлении в процессе производства счетными характеристиками детекторов возникает при изготовлении приборов, предназначенных для работы с различными видами излучений, характеризующимися особенностями, как то проникающей способностью, удельной ионизацией и т.п. например, для -частиц и для -квантов.

Из-за указанных недостатков известный способ используется лишь для изготовления единичных экземпляров детекторов. Проблема промышленного изготовления полупроводниковых детекторов для низкоэнергетических частиц остается открытой.

Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков.

Для этого по способу изготовления полупроводникового детектора ионизирующих частиц, заключающемуся в создании на поверхности кремниевой пластины p-типа слоя SiO₂ с формированием на границе раздела встроенного положительного заряда, с индуцированием в приповерхностной зоне p-кремния инверсионного слоя и выполнении на полученной структуре пары омических контактов, первый из которых осуществляют к инверсионному слою посредством n⁺-области с последующим напылением на n⁺-область металла, а второй напылением металла на p-область с тыльной стороны пластины, вначале на поверхности пластины проводят формирование n⁺-области путем ионной имплантации примеси и напыление на n⁺-область металлического электрода контакта, которые осуществляют через маску, затем на ограниченную электродом зону наносят слой SiO₂, причем нанесение последнего выполняют при температуре кристалла не выше 450^о С, после чего проводят облучение структуры дозой D рентгеновского излучения. Причем дозу D излучения задают исходя из зоны чувствительности детектора из формулы D KL/ где D доза, Р; L толщина чувствительного слоя, мкм; удельное сопротивление кремния, кОмсм; К эмпирический коэффициент, К 1,1210⁴ РкОмсм/мкм.

Неизвестны источники информации, в которых был бы раскрыт комплекс признаков, указанных в отличительной части формулы изобретения, с достижением поставленной цели. С другой стороны, указанные отличительные признаки в совокупности с ограничительными не являются тривиальными, поскольку прямым образом не следуют из достигнутого уровня техники. Вследствие этого есть основания считать, что предлагаемое техническое решение соответствует критериям, предъявляемым к изобретению.

На фиг. 1-5 отображено пооперационное выполнение способа изготовления детектора; на фиг.6 изображен готовый прибор.

На фиг. 1 изображены заготовка 1 пластины из кремния p-типа и шаблон 2 для выполнения кольцеобразного контакта к инверсному слою. Фиг.2 иллюстрирует процесс выполнения n⁺-области 3 имплантацией ионов фосфора. Имплантацию проводят при энергиях ионов 75-100 кэВ, обеспечивающих формирование n⁺-области на глубину 0,1 мкм, дозой D 0,07 мКл/см². Фиг.3 показывает процесс напыления электродов 4 и 5, которое проводят, например, осаждением алюминия из паровой фазы. Последнее проводят до получения слоя металла толщиной 0,5 мкм. Фиг.4 на зону, ограниченную верхним кольцевым электродом, наносят слой 6 SiO₂. Необходимое условие при этом температура кристалла не должна превышать 450^о С. Это условие предотвращает образование в кристалле дефектов кристаллической решетки и образование новых центров рекомбинации. Таким образом удается провести формирование SiO₂-слоя без соответствующего снижения времени жизни неосновных носителей, что является одним из указанных выше условий детектирования низкоэнергетичных частиц и частиц с малой ионизирующей способностью. В частности, формирование указанного SiO₂-слоя может быть выполнено химически с использованием моносилана. Толщину слоя при этом выполняют порядка 1000 . Фиг.5 облучение сформированной структуры рентгеновским излучением проводят со стороны SiO₂-слоя. Облучение возможно производить излучением от рентгеновской трубки при напряжении 50-200 кэВ. Энергия квантов при этом достаточны для создания эффективной ионизации в слое SiO₂ с последующим образованием положительного заряда, захватываемого ловушечными центрами на границе окисла с кремниевой подложкой. Дозу D при этом выбирают исходя из расчетной формулы D KL/ где L заданная толщина чувствительной зоны детектора в отсутствие смещающего напряжения на нем. В данном случае чувствительная зона L определяется областью обеднения, которая обусловлена величиной наведенного на границе раздела положительного заряда.

На фиг. 6 показаны индуцированный положительным зарядом Q и накопленный на границе раздела SiO₂ с p-слоем в процесс рентгеновского облучения структуры инверсионный слой 7 и область 8 обеднения глубиной L, т.е. чувствительная область детектора при нулевом напряжении.

Выбор расчетной формулы, в соответствии с которой проводят облучение структуры, приводящей к формированию глубины чувствительной области, физически обусловлен тем, что значение накопленного в процессе рентгеновского облучения заряда Q зависит от накопленной оксидным слоем дозы, которая пропорциональна экспозиционной дозе D. В свою очередь индуцируемое зарядом Q поле также с достаточной степенью точности линейно зависит от и обратно пропорционально Коэффициент пропорциональности при этом определен путем проведения экспериментов на достаточно большом количестве образцов кремния с различным удельным сопротивлением.

П р и м е р. Опытный образец детектора выполнен на кремнии с удельным сопротивлением 10 кОмсм при толщине пластины 1 мм.После рентгеновской обработки дозой D 10⁵ Р он имел чувствительную зону при нулевом смещении порядка 35 мкм. Ток утечки при рабочем напряжении 5 В порядка 10^-8 А. При полученных характеристиках детектор позволял производить спектрометрию -частиц с энергией до 5 МэВ (при нулевом смещении). Для работы с -частицами, которые, как известно, имеют больший пролет, необходима подача на детектор соответствующего напряжения. При этом расширение зоны чувствительности может быть согласовано с верхней границей изучаемого -спектра, что очевидно имеет немаловажное значение для снижения фона, особенно при работе со слабоактивными источниками.

Использование изобретения позволит разработать простую в реализации бездефектную технологию изготовления полупроводниковых детекторов ионизирующих частиц широкого спектра применения, в том числе с -частицами и с квантами низкоэнергетичного рентгеновского диапазона, а также с высокоэнергетичными -квантами, имеющими низкую ионизирующую способность и достаточно большой пролет фотоэлектронов. Возможность технологического управления параметрами и счетными характеристиками детектора позволит получать специализированные счетчики для регистрации или излучения тех или иных частиц, необходимых для решения ряда задач ядерной физики, а также для дозиметрии излучений.