CN110471099B - 一种离子传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于离子探测技术领域，涉及一种离子传感器，包括硅衬底，多个第一类金属电极，多个第二类金属电极，以及依次形成在该硅衬底上的基础绝缘层、多层复合层、多晶硅层；其中，复合层由多晶硅层及其上的绝缘层构成，复合层的宽度随着远离硅衬底而依次减小；多个第一类金属电极的一个电极与多晶硅层的一个侧面直接接触，多个第一金属电极的剩余电极中的每一个分别与一层复合层的一个侧面直接接触；多个第二类金属电极的一个电极与多晶硅层的另一个侧面直接接触，多个第二金属电极的剩余电极中的每一个分别与一层复合层的另一个侧面直接接触；第一类电极以及第二类电极中的每一个电极彼此用绝缘物层隔离。本发明提高离子能量探测方法的分辨率。

Description

一种离子传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及离子探测技术领域，尤其涉及一种离子传感器及其制备方法。
背景技术
离子注入技术是将掺杂剂的离子引入固体中的材料改性方法。由于离子注入技术具有掺杂纯净度高、掺杂离子浓度不受平衡固溶度的限制、注入的离子浓度和深度分布精确可控、固体温度可自由选择等特点，其被广泛的应用在半导体材料、以及光电材料的电学性能控制方面。
离子注入剂量和离子注入能量是离子注入技术的两个关键性参数，离子注入能量决定了离子注入的深度，离子注入能量越高，离子注入的深度越深。传统对离子能量探测的方法是通过测量硅片注入区域的电阻率改变来实现的，其误差较大。为了克服传统离子注入能量探测的上述缺点，申请号为CN201710564681.8的专利申请文献提出了一种新型的离子能量探测方法以及实施该探测方法的装置。但该离子能量探测方法也存在分辨率低的问题。
发明内容
本发明提供一种离子传感器及其制备方法，从而提高离子能量探测方法的分辨率。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种离子传感器，包括硅衬底(1)，多个第一类金属电极(5)，多个第二类金属电极(6)，以及依次形成在该硅衬底(1)上的基础绝缘层(2)、多层复合层、多晶硅层(7)；其中，复合层由多晶硅层(3)及其上的绝缘层(4)构成，复合层的宽度随着远离硅衬底(1)而依次减小；多个第一类金属电极(5)的一个电极与多晶硅层(7)的一个侧面直接接触，多个第一金属电极(5)的剩余电极中的每一个分别与一层复合层的一个侧面直接接触；多个第二类金属电极(6)的一个电极与多晶硅层(7)的另一个侧面直接接触，多个第二金属电极(6)的剩余电极中的每一个分别与一层复合层的另一个侧面直接接触；第一类电极(5)以及第二类电极(6)中的每一个电极彼此用绝缘物层(8)隔离。
作为优选方案，所述基础绝缘层(2)、复合层中的绝缘层(4)、绝缘物层(8)的材料为二氧化硅、氮化铝或者氧化铝。
作为优选方案，所述基础绝缘层(2)、复合层中的绝缘层(4)、绝缘物层(8)的材料为二氧化硅。
本发明还提供一种离子传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
第一步，在硅衬底(1)上，依次制备基础绝缘层(2)、第一层复合层至第N层复合层、以及多晶硅层(7)；其中，每层复合层由多晶硅层(3)及其上的绝缘层(4)构成；N为大于1的正整数。
第二步，依次经过蚀刻工艺形成，复合层的宽度随着远离硅衬底(1)而依次减小，多晶硅层(7)的宽度小于第N层复合层的宽度，且复合层、多晶硅层(7)的两侧均为阶梯状；
第三步，制备绝缘物层(8)；
第四步，对涂覆于表面的光刻胶进行曝光和显影，形成相对的两蚀刻区(a-1)；其中，蚀刻区(a-1)横跨绝缘物层(8)和多晶硅层(7)；
第五步，对蚀刻区(a-1)进行蚀刻，形成相对的两电极区(b-1)；其中，蚀刻深度大于或等于多晶硅层(7)的厚度，且小于多晶硅层(7)与第N层复合层的绝缘层(4)的厚度之和；
第六步，对涂覆于表面的光刻胶进行曝光和显影，形成相对的两蚀刻区(a-2)；其中，蚀刻区(a-2)横跨绝缘物层(8)和第N层复合层；
第七步，对蚀刻区(a-2)进行蚀刻，形成相对的两电极区(b-2)；其中，蚀刻深度大于或等于多晶硅层(7)与第N层复合层的厚度，且小于多晶硅层(7)、第N层复合层、第N-1层复合层的绝缘层(3)的厚度之和；
第八步，依次类推，对涂覆于表面的光刻胶进行曝光和显影，形成相对的两蚀刻区(a-N-i+2)；其中，蚀刻区(a-N-i+2)横跨绝缘物层(8)和第i层复合层；对蚀刻区(a-N-i+2)进行蚀刻，形成相对的两电极区(b-N-i+2)；其中，蚀刻深度大于或等于多晶硅(7)与第N层至第i层的复合层厚度之和；其中，i取值依次为N-1，……1；直至i取值为1时，相应的蚀刻深度大于或等于多晶硅层(7)与第N层至第1层复合层的厚度之和，且小于多晶硅层(7)、第N层至第1层的复合层及基础绝缘层(2)的厚度之和；
第九步，在相对的两电极区内分别形成第一类金属电极(5)和第二类金属电极(6)。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的离子传感器提高了离子能量探测方法的分辨率，且制备方法简单。
附图说明
图1是本发明实施例的离子传感器的俯视图。
图2是本发明实施例的离子传感器沿着图1A-A’线的剖面图。
图3是本发明实施例的离子传感器沿着图1B-B’线的剖面图。
图4-1～10是本发明实施例的离子传感器的制备方法中各步骤对应的结构示意图。
图5是本发明离子传感器的分辨率和现有技术的离子传感器装置的分辨率比较结果。
具体实施例
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
图1是本发明实施例的离子传感器的俯视图，图2-3分别是本发明实施例的离子传感器沿着图1中A-A’和B-B’线的剖面图。该离子传感器包括硅衬底1、多个第一类金属电极5，多个第二类金属电极6，以及依次形成在该硅衬底1上的基础绝缘层2、多晶硅层3-绝缘层4构成的多个复合层、多晶硅层7，其中复合层的宽度随着远离硅衬底1而依次减小，多个第一类金属电极5的一个电极和多晶硅层7的一个侧面直接接触，多个第一类金属电极5的剩余电极中的每一个和一个复合层的一个侧面直接接触，多个第二类金属电极6的一个电极和多晶硅层7的另一个侧面直接接触，多个第二类金属电极6的剩余电极中的每一个和每个复合层的另一个侧面直接接触，第一类电极5以及第二类电极6中的每一个电极彼此用绝缘物层8隔离。
需要说明的是基础绝缘层2、复合层中的绝缘层4、绝缘物层8的材料可为二氧化硅、氮化铝、氧化铝等绝缘材料、但从降低分析误差以及制备工艺角度来讲，优选二氧化硅。另外，复合层至少为两层。
图4是本发明离子传感器的制备方法一个例子，以2层复合层为例来说明。
第一步，如图4-1，在硅衬底1上，制备基础绝缘层2、多晶硅层3-绝缘层4构成的第一复合层、多晶硅层3-绝缘层4构成的第二复合层、以及多晶硅层7。上述各层的制备方法可以参考相关现有技术，本发明实施例在此不做赘述。
第二步，如图4-2，4-3、以及4-4，依次经过三次蚀刻工艺形成，第一复合层和第二复合层的宽度随着远离硅衬底1而依次减小，多晶硅层7的宽度小于第二复合层的宽度，且第一复合层、第二复合层、多晶硅层7的两侧为阶梯状。
第三步，如图4-5，制备绝缘物层8。该绝缘物层8可以采用化学气相沉积、或者磁控溅射的方法制备。
第四步，如图4-6，对涂覆于表面的光刻胶进行曝光和显影，形成等离子蚀刻区a-1，其中蚀刻区a-1横跨绝缘物层8和多晶硅层7。
第五步，如图4-7，对蚀刻区a-1进行等离子蚀刻，形成电极区b-1；其中，蚀刻深度大于或等于多晶硅层7的厚度，但小于多晶硅层7和第二复合层的绝缘层3的厚度之和。
第六步，如图4-8，对涂覆于表面的光刻胶进行曝光和显影，形成等离子蚀刻区a-2，其中蚀刻区a-2横跨绝缘层8和第二复合层。
第七步，如图4-9，对蚀刻区a-2进行等离子蚀刻，形成电极区b-2；其中，蚀刻深度大于或等于多晶硅层7和第二复合层的厚度，但小于多晶硅层7、第二复合层、第一复合层的绝缘层3的厚度之和。
第八步，如图4-10，重复第六步和第七步，形成电极区b-3。
第九步，在电极区b-1、b-2、以及b-3处形成多个第一类金属电极5，多个第二类金属电极6。
图5是本发明离子传感器的分辨率和现有技术离子传感器的分辨率。其中多晶硅层7、以及复合层的多晶硅层3厚度为25nm，复合层的绝缘层4为二氧化硅层，其厚度为5nm。同时，为了和现有技术的离子传感器比较，在本发明的离子传感器的表面制备一层5nm的二氧化硅层。现有技术的离子传感器的复合层中的多晶硅层和二氧化硅层也分别为25nm和5nm，其结构可参考CN201710564681.8的专利中国申请文献。以砷离子注入为例，且正常情况下离子注入深度峰值在从器件表面数第三复合层的多晶硅层中。本申请的离子传感器的使用方法是通过测量离子注入深度峰值所在的多晶硅层的电阻值变化，来反映离子注入能量变化。所以本实施例是以监控第三复合层的多晶硅层电阻。另外，现有技术以及本发明的离子传感器，都是通过测量电阻的改变，来反映离子能量变化。所以，离子传感器的分辨率可定义为：
K＝|R1-R2|/R1
其中，K表示分辨率，R1表示离子能量没变化前的，所测得电阻；R2表示离子能量发生变化后，所测得电阻。
从图5中可以看出，本发明公开的离子传感器的分辨率要高于现有技术的离子传感器的分辨率。
需要说明的是，为了易于对多晶硅层的电阻进行检测，在多晶硅层制备完成以后，对其离子探测区以外的部分进掺杂。同时，为了降低离子对离子探测区以外的部分的影响，也可以在离子探测区以外的表面设置离子阻挡层。另外，尽管本发明的实施例以探测离子注入时的离子为例，但也适于其它离子。
上述实施例仅以复合层为三层进行示例说明，其它层数的复合层在此不赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种离子传感器，其特征在于，包括硅衬底(1)，多个第一金属电极(5)，多个第二金属电极(6)，以及依次形成在该硅衬底(1)上的基础绝缘层(2)、多层复合层、第一多晶硅层(7)；其中，复合层由第二多晶硅层(3)及其上方的绝缘层(4)构成，复合层的宽度随着远离硅衬底(1)而依次减小；多个第一金属电极(5)的一个电极与第一多晶硅层(7)的一个侧面直接接触，多个第一金属电极(5)的剩余电极中的每一个分别与一层复合层的一个侧面直接接触；多个第二金属电极(6)的一个电极与第一多晶硅层(7)的另一个侧面直接接触，多个第二金属电极(6)的剩余电极中的每一个分别与一层复合层的另一个侧面直接接触；第一金属电极(5)以及第二金属电极(6)中的每一个电极彼此用绝缘物层(8)隔离。
2.根据权利要求1所述的离子传感器，其特征在于，所述基础绝缘层(2)、复合层中的绝缘层(4)、绝缘物层(8)的材料为二氧化硅、氮化铝、或者氧化铝。
3.一种离子传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步，在硅衬底(1)上，依次制备基础绝缘层(2)、第一层复合层至第N层复合层、以及第一多晶硅层(7)；其中，每层复合层由第二多晶硅层(3)及其上的绝缘层(4)构成；N为大于1的正整数；
第二步，依次经过蚀刻工艺形成，复合层的宽度随着远离硅衬底(1)而依次减小，第一多晶硅层(7)的宽度小于第N层复合层的宽度，且所有复合层、第一多晶硅层(7)的两侧均为阶梯状；
第三步，制备绝缘物层(8)；
第四步，对涂覆于表面的光刻胶进行曝光和显影，形成相对的两蚀刻区(a-1)；其中，蚀刻区(a-1)横跨绝缘物层(8)和第一多晶硅层（7）；
第五步，对蚀刻区（a-1）进行蚀刻，形成相对的两电极区(b-1)；其中，蚀刻深度大于或等于第一多晶硅层(7)的厚度，且小于第一多晶硅层(7)与第N层复合层的绝缘层(4)的厚度之和；
第六步，对涂覆于表面的光刻胶进行曝光和显影，形成相对的两蚀刻区(a-2)；其中，蚀刻区(a-2)横跨绝缘物层(8)和第N层复合层；
第七步，对蚀刻区(a-2)进行蚀刻，形成相对的两电极区(b-2)；其中，蚀刻深度大于或等于第一多晶硅层(7)与第N层复合层的厚度之和，且小于第一多晶硅层(7)、第N层复合层、第N-1层复合层的绝缘层(4)的厚度之和；
第八步，依此类推，对涂覆于表面的光刻胶进行曝光和显影，形成相对的两蚀刻区(a-N-i+2)；其中，蚀刻区(a-N-i+2)横跨绝缘物层(8)和第i层复合层；对蚀刻区(a-N-i+2)进行蚀刻，形成相对的两电极区(b-N-i+2)；其中，蚀刻深度大于或等于第一多晶硅层(7)与第N层至第i层的复合层的厚度之和，且小于第一多晶硅层(7)、第N层复合层至第i-1层复合层的绝缘层(4)的厚度之和；其中，i取值依次为N-1，…，1；直至i取值为1时，相应的蚀刻深度大于或等于第一多晶硅层(7)与第N层至第1层的复合层的厚度之和，且小于第一多晶硅层(7)、第N层至第1层的复合层及基础绝缘层（2）的厚度之和；
第九步，在各相对的两电极区内分别形成第一金属电极（5）和第二金属电极（6）。
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