СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРА КОРОТКОПРОБЕЖНЫХ ЧАСТИЦ
METHOD OF MAKING SHORT-RANGE PARTICLE DETECTOR

Способ изготовления детектора короткопробежных частиц относится к полупроводниковым детекторам короткопробежных ядерных частиц и может найти применение в ядерных технологиях, научных исследованиях, в различных областях техники и в медицине.
2
В детекторах излучений широко используются кремниевые p-i-n структуры. Такая структура включает пластину чистого высокоомного кремния и два контакта, один из которых является выпрямляющим, а второй служит омическим контактом. В зависимости от назначения структуры ее объем выполняется из р- или n-кремния. Назначение структуры определяется требованиями к ее элементам. В случае регистрации короткопробежных ядерных частиц толщина i-области составляет сотни микрон и выполняется из n-кремния с удельным сопротивлением более 10 кОм·см; толщина выпрямляющего контакта должна быть минимальной, не более десятых долей микрона; толщина омического контакта обычно не регламентируется, он используется для механического крепления детектора, и его толщина находится в пределах от единиц до десятков микрон. Структура работает в режиме запорного напряжения, величина которого лежит в пределах от десятков до сотен вольт. Обычно напряжение смещения выбирается из условия полного обеднения структуры, т.е. когда вся i-область становится чувствительной к излучению. При использовании указанного выше кремния оно составляет не более 50 В. Ключевым требованием, определяющим чувствительность структуры к излучению, является низкая величина темнового тока при полном обеднении i-области. Характерные значения плотности темнового тока детекторов с толщиной чувствительной области 300 мкм составляют 1-50 нА/см, что позволяет регистрировать кванты излучения, начиная от единиц кэВ. В описанной выше структуре входным окном для регистрируемых частиц является выпрямляющий контакт, толщина которого должна обеспечивать попадание регистрируемых частиц в чувствительный объем с минимальными потерями их энергии в окне. Поэтому этот контакт выполняют максимально тонким с характерной толщиной в доли микрона. В то же время существует ряд задач, в которых детектор должен обладать чувствительностью с омической стороны. К таким детекторам относятся в первую очередь приборы, у которых выпрямляющий контакт сегментирован, т.е. представляет собой матрицу контактов, обеспечивающую позиционную чувствительность детектора. В случае, когда контакт сегментирован в двух координатах, присоединение отдельных элементов к многоканальной электронике, представляющей собой интегральную микросхему с комплементарным детектору расположением контактных площадок, осуществляется специальной техникой "bump bonding". При этом электронный чип полностью закрывает сегментированную сторону детектора, исключая доступ частиц к выпрямляющему контакту. Очевидно, что входным окном в этом случае может служить только омический контакт, толщина которого становится его критической характеристикой. Таким образом, процесс создания такого детектора короткопробежных частиц должен удовлетворять двум требованиям - обеспечению необходимого уровня чистоты материала объема структуры для минимизации темного тока детектора и получению малой толщины омического контакта.
Существуют два технологических подхода к созданию кремниевых детекторов излучений - поверхностно-барьерная и планарная технология. Поверхностно-барьерная технология основана на технике нанесения тонких пленок. При этом создаются контактные области с выпрямляющими или омическими свойствами, формирующие структуру детектора.
Так, известен способ изготовления детектора излучения (см. заявка RU №2006137980, МПК H01L 27/14, опубл. 27.04.2007), включающий создание в приповерхностной области кремниевой пластины множества геометрически упорядоченных по поверхности пластины областей со слоем химического соединения металл-полупроводник, образующего с материалом подложки р-n переходы, путем вплавления в приповерхностный слой кремниевой пластины нанесенного на поверхность слоя платины высокой чистоты. Слой платины высокой чистоты наносится методом магнетронного распыления на предварительно очищенную в вакууме поверхность кремниевой пластины и последующее вплавление выполняется без промежуточного выноса подложки на воздух при температуре, при которой слой силицида платины образует монокристаллическую структуру.
Важным достоинством поверхностно-барьерной технологии является отсутствие в ней высокотемпературных обработок пластины кремния, что исключает возможность загрязнения чувствительного объема детектора быстро диффундирующими примесями. Однако эта технология обладает рядом недостатков, существенно ограничивающих характеристики таких детекторов и возможность их применения. К недостаткам относятся:
- высокие темновые токи детектора;
- сложность и ненадежность контактирования по технологии "bump bonding" с чипом электроники в силу высокой чувствительности поверхностно-барьерного контакта к любым механическим воздействиям;
- низкая стабильность свойств межсегментного промежутка, в котором поверхность кремния не защищена от внешней среды. В результате межсегментное сопротивление уменьшается во времени, и его величина оказывается чувствительной, например, к изменению влажности;
- технологические ограничения для изготовления детекторов с малым размером (в десятки микрон) сегментов-пикселей в силу сложности фотолитографических процессов.
Планарная технология изготовления детекторов основана на легировании кремния электрически активными примесями. Планарная технология выгодно отличается от поверхностно-барьерной технологии тем, что она позволяет производить приборы в больших партиях с высоким выходом идентичных образцов. Это достоинство планарной технологии расширило рынок детекторов и сделало возможным создание крупных установок в науке и технике, где используются тысячи однотипных детекторов. В то же время особенностью данного процесса является необходимость проведения всего технологического цикла изготовления детектора в условиях, исключающих загрязнение материала пластины примесными атомами, т.е. сохранение его исходных электрофизических характеристик. Загрязняющими примесями являются атомы железа, меди и золота, обладающие высоким коэффициентом диффузии и образующие глубокие уровни в запрещенной зоне кремния. В результате создаются условия для протекания генерационно-рекомбинационных процессов, приводящих к возрастанию обратного темнового тока p-i-n структур. Обычно загрязнения объема кремниевых структур могут возникать в ходе проведения высокотемпературных процессов, когда атомы примесей, находящиеся в среде, окружающей пластину или на поверхности самой пластины, могут эффективно диффундировать в объем пластины. Требования высокой чистоты процесса приводят к удорожанию производства, поэтому процесс экономически оправдан лишь при больших объемах выпуска приборов или в комбинации с другими задачами, обеспечивающими в совокупности высокую загрузку оборудования, что далеко не всегда может быть реализовано для производства специальных приборов, какими являются кремниевые детекторы ядерных излучений.
Известен способ изготовления полупроводниковых детекторов (см. патент RU №2014669, МПК H01L 21/02, опубл. 15.06.1994) на основе монокристаллического кремния p-типа. В известном способе кремниевые пластины последовательно легируют иридием, бором и фосфором, проводят высокотемпературный отжиг (1300°С в течение нескольких часов) и низкотемпературный отжиг при температуре 540-560°С в течение 30-40 мин с последующим охлаждением со скоростью не более 2 град/мин, затем проводят пайку контактов.
+
+
Известный способ основан на диффузионной планарной технологии, в которой используется процесс одновременной диффузии примесей с обеих сторон пластины с целью упрощения технологии изготовления прибора. Использование редкоземельного элемента иридия позволяет увеличить радиационную стойкость детектора. Характерным для диффузионной технологии является высокая температура проведения процесса диффузии и как результат толстые слои легированного кремния, выполняющего функцию n и p контактов. Известный способ используется для создания детекторов поглощенной дозы, для которых толщина контактов не является критическим параметром.
+
+
+
Известен способ изготовления детектора короткопробежных заряженных частиц (см. патент RU №1371475, МПК H01L 31/08, опубл. 15.05.1994), 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. После окисления проводят вытравливание окисленного слоя с обратной стороны подложки в рабочей области и травление подложки в этой же области для ее утончения, 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.
+
+
+
-3
Известный способ изготовления детектора ставил целью достижение высокой разрешающей способности по энергии для спектрометров альфа-частиц. При этом входным окном является резкий p-n переход, в то время как n контакт рассматривался как часть детектора, обеспечивающая его вольтамперную характеристику с низкими темновыми токами. Поэтому в известном способе технология n контакта не предполагает условия на минимизацию его толщины. Так, используемый метод газофазной эпитаксии при температуре 1050°С путем разложения силана в атмосфере водорода, когда на обратную сторону подложки наносился эпитаксиальный n-слой кремния с удельным сопротивлением 1·10 Ом·см, обычно обеспечивает толщину слоя в единицы микрон и не удовлетворяет высокой чувствительности детектора с его омической стороны.
2
14
-2
15
-2
Известен способ изготовления детектора короткопробежных заряженных частиц (см. патент US №4442592, МПК H01L 29/06, опубл. 17.04.1984), совпадающий с заявляемым техническим решением по большинству существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает окисление пластины кремния и создание пассивирующей окисной пленки при температуре 1150-1300°С, создание окон в окисной пленке химическим травлением пленки SiO, соответствующих топологии P-N перехода и омического контакта, легирование ионной имплантацией поверхностного слоя кремния в окно примесью p-типа (бором) на стороне p-n перехода при энергии ионов 15 кэВ дозой 5·10 см и поверхностного слоя кремния в окно примесью n-типа (фосфором) на омической стороне при энергии ионов 30 кэВ дозой 5·10см, геттерирующий термический отжиг имплантированных слоев при температуре 950-1000°С в течение 5 часов и металлизацию контактов алюминием напылением в вакууме.
Операции изготовления детекторных структур проводят в способе-прототипе в режиме геттерирования, что позволяет избежать изменения свойств кремния в процессе изготовления детектора и обеспечить высокие эксплуатационные характеристики приборов даже при изготовлении в менее чистых условиях. С этой целью в способе-прототипе увеличивают дозу легирования фосфором на омической стороне и увеличивают температуру и длительность отжига. В способе-прототипе транспорт примесных атомов в места их связывания происходит по механизму диффузии. Именно поэтому необходим длительный прогрев кремниевой пластины. Однако при геттерировании негативным эффектом является изменение профилей легирования контактов в силу диффузионных процессов в сильно легированных контактах, эффективных при температуре геттерирующего отжига. Длительный высокотемпературный прогрев пластины ведет к размытию профилей концентрации легирующих примесей в имплантированных слоях как на стороне p-n перехода, так и на омической стороне. Если в кремниевых высоковольтных приборах силовой техники это не ухудшает их характеристик, то для детекторов сильно поглощаемых излучений диффузия легирующей примеси из контактов в объем приводит к увеличению толщины нечувствительных слоев на поверхности (так называемый мертвый слой во входном окне) и, как прямое следствие, ухудшает их характеристики. Для детекторов альфа-частиц или электронов с энергией в десятки кэВ толщины нечувствительных слоев в несколько микрон уже становятся критичными.
Задачей заявляемого изобретения являлось создание такого способа изготовления детектора короткопробежных частиц, который бы позволил уменьшить толщину нечувствительных слоев на поверхности и обеспечить при этом низкий уровень темнового тока.
15
16
-2
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления детектора короткопробежных частиц включает окисление пластины кремния, создание окон в окисном слое химическим травлением, соответствующих топологии р-n перехода и омического контакта, легирование ионной имплантацией в окна поверхностного слоя кремния на стороне p-n перехода примесью p-типа, а на омической стороне примесью n-типа дозой 10-10 см при энергии ионов 500-2000 кэВ. Далее способ включает отжиг имплантированных слоев при температуре 850-950°С в течение 1-2 часов, химическое травление кремния в окне на омической стороне на глубину среднего пробега имплантированных в кремний ионов и металлизацию контакта напылением в вакууме.
В качестве примеси p-типа может быть использован бор, а в качестве примеси n-типа - фосфор.
Ионную имплантацию примесью p-типа целесообразно осуществлять при энергии ионов 10-100 кэВ.
Химическое травление окон в окисной пленке проводят через маску, создаваемую способом фотолитографии.
Металлизацию контакта можно осуществлять напылением алюминия в вакууме.
Физическое обоснование заявляемого способа состоит в более эффективном использовании геттерирущего действия слоя имплантированного фосфора, что позволяет снизить температуру или время геттерирующего отжига и уменьшить диффузионное размытие профилей имплантированных атомов, и тем самым обеспечить более тонкие мертвые контактные слои.
Операция генерирования обусловлена двумя процессами - диффузией междоузельных атомов кремния из разрушенного имплантацией слоя в объем полупроводника и диффузией атомов примесей из объема в имплантированный слой. Последний процесс стимулируется высокой концентрацией междоузельных атомов, т.е. идет по механизму диффузии по междоузлиям. Одной из задач, выполняемой слоем фосфора, является поставка междоузлий в объем, интенсивность которой тем выше, чем выше их концентрация в слое фосфора. Диффузия междоузлий из слоя в объем сопровождается, в том числе и процессом их выхода на поверхность пластины, через которую проведена имплантация, и исчезновением междоузлий за счет их аннигиляции на поверхности с дефектами. Очевидно, что из-за этого поток междоузлий в геттерируемый объем снижается, и достижение желаемого эффекта геттерирования требует более высокой концентрации атомов фосфора, либо повышения температуры или времени геттерирующего отжига. Увеличение как температуры, так и времени отжига для детекторов короткопробежных частиц, как упоминалось выше, крайне нежелательно в силу отмеченного выше увеличения толщины входных окон детектора.
+
Применение в заявляемом способе увеличение энергии имплантации ионов фосфора приводит к заглублению нарушенного слоя и снижению стока междоузельных атомов на поверхность. При этом концентрация междоузлий в слое повышается, что приводит к повышению его геттерирующей эффективности. В результате становится возможным снизить температуру геттерирующего отжига и/или его длительность и тем самым в меньшей мере видоизменять профили легирующей примеси в контактах. В детекторах с входным окном на р стороне новый процесс геттерирования не требует каких-либо дополнительных операций. При необходимости обеспечения чувствительности детектора со стороны контакта, легированного фосфором, требуется дополнительная операция удаления имплантированного слоя до глубины, где концентрация атомов фосфора максимальна. Эта операция может быть выполнена одним из способов травления кремния (химическое или ионное травление) после выполнения геттерирующего отжига.
Заявляемый способ изготовления детектора короткопробежных частиц осуществляют следующим образом.
+
+
18
-3
15
16
-2
15
-2
16
-2
Окисление пластины кремния выполняют по стандартной технологии при температуре 1150-1300°С в атмосфере кислорода. При этом на всей поверхности пластины образуется слой окисла толщиной до 1 мкм, который впоследствии используют для создания маски в процессе имплантационного легирования. Создание химическим травлением окон в окисном слое, соответствующих топологии p-n перехода и омического контакта, производят методом фотолитографии. На первом этапе формируют топологию окон на фоторезисте, а затем посредством травления ее переносят на окисную пленку. Легирование техникой ионной имплантации поверхностного слоя кремния на стороне p-n перехода примесью p-типа кремния создает тонкий p контакт, обеспечивающий низкий темновой ток детектора. Легирование ионной имплантацией поверхностного слоя кремния на омической стороне примесью n-типа создает n контакт, используемый для механического крепления детектора. При этом диапазон доз имплантации бора со стороны минимальной дозы определяется ее минимальной величиной, достаточной для создания концентрации в слое не менее 10 см. При этой концентрации генерация электронно-дырочных пар на дефектах существующих на поверхности пластины изолируется от объема детектора высокой эффективностью их рекомбинации по механизму Оже в легированном слое. Верхний предел дозы связан с возникновением кластеров радиационных дефектов в слое, снижающих электрофизические свойства имплантированного слоя, даже после геттерирующего отжига. На омической стороне детектора контакт создается имплантацией примеси n-типа дозой 10-10 см. Здесь пределы дозы связаны со свойствами имплантированного слоя как источника междоузельных атомов. При дозе менее 10 см поток междоузельных атомов из слоя недостаточен для эффективного геттерирования объема детектора. При дозе больше 10 см происходит кластеризация радиационных дефектов и достигается предел растворимости атомов фосфора в кремнии. При этом, несмотря на повышение геттерирующей активности такого слоя, ухудшение его электрофизических свойств не дает совокупного положительного эффекта. Диапазон энергии ионов 500-2000 кэВ определяется свойствами слоя как источника междоузельных атомов, так и профилем распределения атомов фосфора на границе их пробега. При энергии ионов меньше 500 кэВ малая глубина Брегговского пика в концентрации имплантированных атомов и соответственно междоузельных атомов приводит к доминированию эффекта рекомбинации междоузельных атомов на поверхности и снижению эффекта геттерирования. При энергии ионов больше 2000 кэВ ширина Брегговского пика имплантированного фосфора становится достаточно большой (доли микрона). Его спад в направлении объема может достигать единиц микрон, что противоречит желаемому положительному эффекту достижения малой толщины входного окна на омической стороне. Интервал температур отжига имплантированных слоев 850-950°С обусловлен следующими обстоятельствами. При уменьшении температуры ниже 850°С геттерирование неэффективно, а при повышении ее выше 950°С уширение профилей имплантированных атомов превосходит величину 1000 ангстрем, что становится критичным для достижения разрешающей способности по энергии менее 20 кэВ. Длительность отжига 1-2 ч является компромиссной величиной и зависит от температуры отжига имплантированных слоев. Минимальная длительность соответствует большей температуре геттерирующего отжига, максимальная длительность - минимуму температуры. Химическое травление кремния в окне на омической стороне на глубину среднего пробега имплантированных в кремний ионов удаляет слой, увеличивающий толщину входного окна и являющийся пассивным, поскольку все электронно-дырочные пары, образовавшиеся в нем регистрируемым излучением, будут потеряны в силу высокой скорости рекомбинации. Толщина слоя, подлежащего удалению, зависит от энергии имплантации ионов фосфора и содержится в справочной литературе. Металлизация контакта напылением в вакууме создает слой металла, покрывающего имплантированные области. В результате уменьшается сопротивления растекания контакта и создается слой для ультразвуковой разварки контактов детектора на устройства регистрации электрических сигналов.
Таким образом, предлагаемый процесс позволяет получить p-i-n структуры, сочетающие геттерированный объем и, следовательно, низкие темновые токи, и тонкие контактные слои. Наибольший эффект метод дает при создании p-i-n структур, оптимизированных для детектирования излучений. Поскольку он позволяет исключить специальные условия технологической гигиены, то его применение обеспечивает более низкую себестоимость получаемых структур.
4
3
14
-2
15
-2
Пример. Кремниевую монокристаллическую пластину n-типа проводимости с удельным сопротивлением 10000 Oм·cм и ориентацией [111] толщиной 270 мкм окисляли при температуре 1150°С в атмосфере сухого кислорода в течение 6 часов. Затем фотолитографией с использованием фоторезиста ФП383 вскрывали окна в окисле на одной из ее сторон путем химического травления слоя окисла в буферном травителе, содержащем на 1 ч. 49%-ной HF и 10 частей насыщенного раствора NHF. Затем проводили имплантацию бора в окна при энергии ионов 15 кэВ и дозой 5·10 см. После этого слой окисла с обратной стороны пластины стравливали и проводили имплантацию ионов фосфора с энергией 800 кэВ и дозой 7·10 см. Затем проводили процесс геттерирования путем прогрева пластины при температуре 950°С 1 час в атмосфере кислорода. Далее сторону с имплантированным бором защищали упомянутым фоторезистом и с обратной стороны удаляли слой кремния толщиной 0,95 мкм, равной среднему пробегу иона фосфора с энергией 800 кэВ в кремнии. Для этого использовался изотропный травитель, содержащий 3 части HNO,
2
3
4
3
3
+
+
+
22
-3
+
-2
1 часть HF и 1 часть НO. Затем методом вакуумного напыления на лицевую сторону структуры наносили слой сплава алюминия и 1% кремния, после чего с помощью фотолитографии с использованием фоторезиста ФП383 и химического травления в травителе, на основе НРO, 15% СНСООН и 15% 70%-ной HNO, формировали контакт к p-области. Затем формировали контакт к n-слою путем вакуумного напыления на обратную сторону структуры слоя аналогичного состава, имевшего форму рамки по краям чувствительной площади детектора. Реализация заявленного способа осуществлялась и при других параметрах, а именно удельном сопротивлении, толщине подложки, глубине залегания p-n-перехода и концентрации примеси на лицевой поверхности p-области соответственно 1000 Oм·cм; 30 мкм; 0,04 мкм; 1·10 см. При этом толщина входного окна на n стороне детектора не превосходила 850 ангстрем. Измерения толщины входного окна выполняли по методике угловой зависимости потерь заряда (см. Вербицкая Е.М. и др. «Методика измерения параметров, определяющих потери энергии и заряда в Si детекторах ионов», ПТЭ №6, стр.64-67, 1980) с использованием препарата 241 Am из набора образцовых альфа-источников типа ОСАИ. В качестве электронной аппаратуры использовали спектроскопический тракт фирмы EG8G ORTEC. Плотность темнового тока структуры измеряли прибором Keitley 487, она составляла при рабочем напряжении 50 В величину 12 нА см.
Основное техническое преимущество заявляемого способа изготовления детектора состоит в обеспечении тонкого входного окна на n+стороне и низкой величины темнового тока. При этом весь технологический процесс проводится в условиях стандартной технологической гигиены в помещениях класса 100. Вытекающим из этого следствием является удешевление изготовления детекторов и достижение лучшего соотношения цена - качество. Заявляемый способ был применен при выполнении гос. контракта №02-516-11.6098 для изготовления структур позиционно чувствительных детекторов с субсегментированными пикселями.
2
+
Метод был опробован при создании структур с n+стороной, чувствительной к альфа-частицам. Плотность темнового тока, которая была получена в p-i-n структурах, составляла менее 5 нА/см при напряжении полного обеднения и толщине i-области 300 мкм. При этом толщина входного окна на n стороне составила 820 Å.