RU2575939C1 - Method of making ionising radiation sensor - Google Patents
Method of making ionising radiation sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2575939C1 RU2575939C1 RU2014148677/28A RU2014148677A RU2575939C1 RU 2575939 C1 RU2575939 C1 RU 2575939C1 RU 2014148677/28 A RU2014148677/28 A RU 2014148677/28A RU 2014148677 A RU2014148677 A RU 2014148677A RU 2575939 C1 RU2575939 C1 RU 2575939C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- implantation
- plate
- plates
- temperature
- working side
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title description 26
- 238000002513 implantation Methods 0.000 claims abstract description 92
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 76
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 53
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 42
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 34
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 30
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 26
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 20
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 17
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 17
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 16
- -1 ion ions Chemical class 0.000 claims description 15
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 15
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 10
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 9
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 9
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 claims description 8
- 239000013543 active substance Substances 0.000 claims description 7
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Natural products N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 6
- 150000002825 nitriles Chemical class 0.000 claims description 6
- 150000003009 phosphonic acids Chemical class 0.000 claims description 6
- ILJSQTXMGCGYMG-UHFFFAOYSA-N triacetic acid Chemical compound CC(=O)CC(=O)CC(O)=O ILJSQTXMGCGYMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- OEYIOHPDSNJKLS-UHFFFAOYSA-N choline Chemical compound C[N+](C)(C)CCO OEYIOHPDSNJKLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229960001231 choline Drugs 0.000 claims description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 15
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 25
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 11
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 10
- 238000005247 gettering Methods 0.000 description 9
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 8
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 8
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 4
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 4
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 3
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 3
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 2
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 2
- BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N ammonium sulfate Chemical compound N.N.OS(O)(=O)=O BFNBIHQBYMNNAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052921 ammonium sulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000011130 ammonium sulphate Nutrition 0.000 description 2
- 239000001166 ammonium sulphate Substances 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical group 0.000 description 2
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 2
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 2
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000000344 soap Substances 0.000 description 2
- 239000000271 synthetic detergent Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- XZXYQEHISUMZAT-UHFFFAOYSA-N 2-[(2-hydroxy-5-methylphenyl)methyl]-4-methylphenol Chemical compound CC1=CC=C(O)C(CC=2C(=CC=C(C)C=2)O)=C1 XZXYQEHISUMZAT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N EDTA Chemical compound OC(=O)CN(CC(O)=O)CCN(CC(O)=O)CC(O)=O KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229940107816 ammonium iodide Drugs 0.000 description 1
- 201000007197 atypical autism Diseases 0.000 description 1
- 208000029560 autism spectrum disease Diseases 0.000 description 1
- FFBHFFJDDLITSX-UHFFFAOYSA-N benzyl N-[2-hydroxy-4-(3-oxomorpholin-4-yl)phenyl]carbamate Chemical compound OC1=C(NC(=O)OCC2=CC=CC=C2)C=CC(=C1)N1CCOCC1=O FFBHFFJDDLITSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000004980 dosimetry Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004209 hair Anatomy 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002147 killing effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000001407 pulse-discharge detection Methods 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/115—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Weting (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов, предназначенных для преобразования воздействия ионизирующего излучения в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации или набранную дозу облучения и параметры самого ионизирующего излучения. В частности, изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых чувствительных элементов (сенсор или счетчик числа частиц или детектор), представляющих собой p-i-n-диод, предназначенный для использования в различных системах измерения уровней радиации, дозиметрах, индикаторах превышения фона, в т.ч. для индивидуального контроля радиоактивного облучения и для предупреждения о радиоактивной опасности. В настоящее время сенсоры на основе p-i-n-диодов продолжают совершенствоваться с учетом современных достижений технологии микроэлектроники.The invention relates to the technology of semiconductor devices designed to convert the effects of ionizing radiation into an electrical signal, the measurement of which allows you to determine the level of radiation or the dose of radiation and the parameters of the ionizing radiation itself. In particular, the invention relates to a technology for manufacturing semiconductor sensitive elements (a sensor or particle counter or detector), which are a p-i-n-diode intended for use in various systems for measuring radiation levels, dosimeters, background excess indicators, including for individual control of radiation exposure and for warning of radioactive hazard. Currently, sensors based on p-i-n-diodes continue to be improved taking into account modern advances in microelectronics technology.
Изобретение представляет собой технологический процесс (способ) изготовления сенсора по планарной технологии, позволяющий получить сенсоры с уникально высоким значением времени жизни неосновных носителей заряда, что обеспечивается применением последовательности специальных операций и условий обработки кремниевых пластин.The invention is a technological process (method) of manufacturing a sensor according to planar technology, which allows to obtain sensors with a uniquely high value of the lifetime of minority charge carriers, which is ensured by the application of a sequence of special operations and processing conditions of silicon wafers.
Уровень техникиState of the art
Полупроводниковые детекторы (ППД) на основе p-i-n-диодов получили широкое распространение как счетчики числа частиц и как приборы для измерения энергии частиц (спектрометры) с высокой разрешающей способностью. Принцип их работы основан на том, что при прохождении через счетчик (чувствительный элемент) ионизующей частицы заряды, образованные в веществе счетчика, собираются на электродах.Semiconductor detectors (PDDs) based on p-i-n-diodes are widely used as particle counters and as high-resolution particle energy meters (spectrometers). The principle of their work is based on the fact that when passing through the counter (sensitive element) of an ionizing particle, the charges formed in the substance of the counter are collected on the electrodes.
Важной особенностью полупроводниковых счетчиков являются их малые габариты. Это сильно расширило возможности применения таких детекторов не только в области физического эксперимента, но и в технике - в приборах технологического контроля и в медицине.An important feature of semiconductor counters is their small size. This greatly expanded the possibilities of using such detectors not only in the field of physical experiment, but also in technology - in technological control devices and in medicine.
Из уровня техники известен полупроводниковый p-i-n-диодный преобразователь воздействий радиационного излучения, преимущественно нейтронного, в электрический сигнал, содержащий высокоомную подложку кремния n-типа проводимости и несколько инжектирующих электродов p-типа проводимости, при этом эмиттеры p-типа проводимости p-i-n-диодного преобразователя нейтронного излучения расположены в виде матрицы на лицевой стороне подложки, а значение длины базы варьируется глубиной травления кремния на обратной стороне подложки, в области между эмиттером и контактом к области n-типа проводимости. Это позволяет обеспечить у реального изделия широкий диапазон рабочих доз облучения за счет интегрального исполнения кремниевых p-i-n-диодов в виде матрицы на единой подложке с изменяемой длиной области базы и размеров электродов, а также позволяет расширить диапазон измерений дозы излучения, и осуществляет регистрацию нейтронного излучение, однако, способ изготовления (технологический процесс) такого преобразователя не приведен (RU 2408955).A semiconductor pin-diode converter of the effects of radiation, mainly neutron, into an electrical signal containing a high-resistance n-type silicon substrate and several p-type injection electrodes, p-type emitters of a pin-diode neutron radiation converter, are known from the prior art. located in the form of a matrix on the front side of the substrate, and the value of the base length varies with the etching depth of silicon on the back of the substrate, in the region between the emit erom and the contact area to the n-type conductivity. This allows a real product to provide a wide range of operating radiation doses due to the integral design of silicon pin diodes in the form of a matrix on a single substrate with a variable length of the base region and electrode sizes, and also allows to expand the range of radiation dose measurements, and detects neutron radiation, however , a manufacturing method (process) of such a converter is not given (RU 2408955).
Известен полупроводниковый детектор излучения, используемый в мобильном радиоустройстве с функцией контроля радиационной обстановки. Полупроводниковый детектор излучения выполнен в виде сотовой структуры из параллельно включенных своими парными электродами чувствительных элементов из неорганического кристаллического полупроводникового материала. Чувствительные элементы выполнены в форме прямоугольных параллелепипедов из кремния, а оба электрода выполнены напыленными на одной стороне (поверхности) каждого чувствительного элемента и подключены микроэлектронной пайкой (золотыми волосками) через усилитель к процессору. При этом наилучший результат достигается при выполнении чувствительных элементов из пластины особо чистого кремния в форме кубиков, которые окислены с пяти сторон с образованием изолирующей пленки окиси кремния, а на шестую сторону нанесены электроды. Чувствительные элементы наклеены на общую подложку с высоким сопротивлением изоляции и электрической прочностью, низкой диэлектрической проницаемостью, например, из керамики. Однако такое устройство не содержит p-n перехода, и, соответственно поэтому, имеет высокие токи утечки, что позволяет ему устойчиво работать только для регистрации больших потоков излучения и делает невозможным регистрацию одиночных частиц или квантов (RU 116725).Known semiconductor radiation detector used in a mobile radio device with the function of monitoring the radiation situation. The semiconductor radiation detector is made in the form of a honeycomb structure of sensitive elements made of inorganic crystalline semiconductor material connected in parallel with its paired electrodes. The sensitive elements are made in the form of rectangular parallelepipeds made of silicon, and both electrodes are sprayed on one side (surface) of each sensitive element and are connected by microelectronic soldering (golden hairs) through the amplifier to the processor. In this case, the best result is achieved when sensitive elements are made from a plate of highly pure silicon in the form of cubes, which are oxidized on five sides with the formation of an insulating film of silicon oxide, and electrodes are deposited on the sixth side. Sensitive elements are glued onto a common substrate with high insulation resistance and electric strength, low dielectric constant, for example, of ceramic. However, such a device does not contain a pn junction, and therefore, therefore, has high leakage currents, which allows it to operate stably only to detect large radiation fluxes and makes it impossible to register single particles or quanta (RU 116725).
Известен 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 утонения, 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 (SU 1371475).A known method of manufacturing a detector of short-range charged particles, including the oxidation of an n-type silicon substrate, etching of the oxide layer on the front side of the substrate in the working area and on its reverse side, the formation of a p + -n junction from the working side of the substrate by introducing boron and a heavily doped layer n + -type of conductivity on its reverse side and the creation of contacts by sputtering in vacuum, characterized in that, in order to improve the resolution of the detector, the oxidation is etched after oxidation layer on the reverse side of the substrate in the working region and etching the substrate in the same region to thin it, and after the formation of a heavily doped layer of n + type conductivity, the oxide layer is etched from the front side of the substrate in the working region and then p + -n- junction (SU 1371475).
Известны публикации, в которых представлены способы производства детекторов по планарной технологии для обнаружения радиации и имеющие полупроводниковые p-n переходы. Однако в них не рассматриваются способы увеличения времени жизни носителей, способы дополнительной очистки материала (объема) пластины с целью снижения тока утечки (темнового тока). (Kemmer J. Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process // Nuclear Instruments and Methods. - 1980. - V. 169. - P. 499-502).Publications are known in which methods for producing detectors using planar technology for detecting radiation and having semiconductor pn junctions are presented. However, they do not consider ways to increase the lifetime of carriers, methods of additional cleaning the material (volume) of the plate in order to reduce the leakage current (dark current). (Kemmer J. Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process // Nuclear Instruments and Methods. - 1980. - V. 169. - P. 499-502).
Известен способ изготовления кремниевого детектора слабого ионизирующего излучения (заряженных частиц, гамма - и рентгеновского излучения), создающего низкий уровень сигнала в электронике считывания. Способ предусматривает следующие операции: изготовление исходных кремниевых пластин толщиной 300 мкм; окисление 0.2 мкм, утонение окисла по периферии рабочей области детектора, ионная имплантация бора с энергией 15 кэВ, дозой 5∙1014 см-2 в переднюю сторону пластины, ионная имплантация мышьяка в обратную сторону пластины с энергией 30 кэВ и дозой 5∙1015 см-2, термическая обработка для активации введенной примеси при температуре 600°С. Приведена вольтамперная характеристика детектора площадью 1 см2 с величиной обратного тока более 4 нА (US 4442592).A known method of manufacturing a silicon detector of weak ionizing radiation (charged particles, gamma and x-rays), which creates a low signal level in the readout electronics. The method involves the following operations: manufacturing of initial silicon wafers 300 microns thick; oxidation of 0.2 μm, thinning of the oxide around the periphery of the detector’s working area, ion implantation of boron with an energy of 15 keV, a dose of 5 ∙ 10 14 cm -2 in the front side of the plate, ion implantation of arsenic in the back of the plate with an energy of 30 keV and a dose of 5 ∙ 10 15 cm -2 , heat treatment to activate the introduced impurities at a temperature of 600 ° C. The current-voltage characteristic of a detector with an area of 1 cm 2 and a reverse current of more than 4 nA is given (US 4442592).
Однако, получаемые известными способами кремниевые детекторы имеют недостаточную чувствительность, так как содержат нежелательно много собственных свободных электронов так как известными способами невозможно минимизировать содержание быстродиффундирующих примесей, остатков органических загрязнений и остатков приповерхностного нарушенного слоя, снижающих время жизни неравновесных носителей заряда и увеличивающих обратный ток детектора, что приводит к уменьшению отношения «сигнал/шум». Наличие указанных примесей препятствует получению значения обратного тока при напряжении полного обеднения менее 1 нА/см2.However, silicon detectors obtained by known methods have insufficient sensitivity, since they contain undesirably many intrinsic free electrons, since it is not possible to minimize the content of rapidly diffusing impurities, residues of organic impurities and residues of the near-surface disturbed layer, which reduce the lifetime of nonequilibrium charge carriers and increase the reverse current of the detector, by known methods. which leads to a decrease in the signal-to-noise ratio. The presence of these impurities prevents the return current from being obtained when the voltage is full depletion of less than 1 nA / cm 2 .
При этом время жизни неосновных носителей заряда изделия, получаемого способом, применяемым в ближайшем аналоге, менее 10 мс, ток утечки более 10 нА/см2, эффективность сбора заряда (уровень сигнала элемента) не более 90%.At the same time, the lifetime of minority charge carriers of the product obtained by the method used in the closest analogue is less than 10 ms, leakage current is more than 10 nA / cm 2 , charge collection efficiency (element signal level) is not more than 90%.
Для повышения чувствительности, необходимо увеличивать объем полупроводника, чтобы повысить вероятность попадания и рассеяния в нем, например, гамма-кванта и, соответственно повысить скорость счета частиц радиационного потока. Но с ростом объема, увеличиваются его габариты, а также пропорционально увеличивается и число собственных носителей, на фоне которых добавочные носители, вызванные действием кванта излучения, становятся малозаметными и выделение их для регистрации событий проникающей радиации оказывается непростой задачей требующей именно увеличения времени жизни неосновных носителей и создания области обедненной основными носителями.To increase the sensitivity, it is necessary to increase the volume of the semiconductor in order to increase the likelihood of hitting and scattering in it, for example, a gamma quantum and, accordingly, increase the count rate of particles of the radiation flux. But with an increase in volume, its dimensions increase, and the number of intrinsic carriers also increases proportionally, against which additional carriers caused by the action of a radiation quantum become invisible, and isolating them for recording penetrating radiation events is not an easy task requiring precisely an increase in the lifetime of minority carriers and creating an area depleted in major carriers.
Раскрытие изобретения;Disclosure of invention;
Задачей изобретения является разработка эффективного серийно пригодного способа изготовления полупроводникового чувствительного элемента для регистрации ионизирующего излучения и расширение арсенала таких способов.The objective of the invention is to develop an effective commercially suitable method of manufacturing a semiconductor sensor for detecting ionizing radiation and expanding the arsenal of such methods.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является обеспечение производства более высоко чувствительного элемента детектора на базе планарной технологии, работающего в режиме полного обеднения при обратном смещении за счет минимизации количества быстродиффундирующих примесей, остатков органических загрязнений и остатков приповерхностного нарушенного слоя, и, тем самым, сокращения количества собственных свободных электронов. При этом более высокая, по сравнению с аналогами, чувствительность определяется тем, что время жизни неосновных носителей заряда составляет не менее 15 мс, ток утечки не более 10 нА/см2, эффективность сбора заряда (уровень сигнала элемента) не менее 99%.The technical result to which the claimed invention is directed is to ensure the production of a more highly sensitive detector element based on planar technology, operating in the mode of complete depletion at reverse bias by minimizing the amount of rapidly diffusing impurities, residues of organic impurities and residues of the surface disturbed layer, and, thereby thereby, reducing the number of intrinsic free electrons. Moreover, a higher sensitivity compared to analogs is determined by the fact that the lifetime of minority charge carriers is at least 15 ms, the leakage current is not more than 10 nA / cm 2 , and the charge collection efficiency (element signal level) is at least 99%.
Сущность изобретения состоит в том, что способ изготовления сенсора ионизирующего излучения, предусматривает, что на полированной пластине, вырезанной из слитка сверхчистого кремния n-типа проводимости формируется сенсор, для чего последовательно производятся первая химическая отмывка пластины в растворе поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов, имплантация ионов примеси р-типа проводимости в рабочую сторону пластины и ионов примеси п-типа проводимости в нерабочую сторону пластины при температуре не менее 50°C с энергией имплантации не более 200 кэВ и с дозой имплантации не более 1000 мкКл/см2, повторная химическая отмывка пластины в растворе поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов, повторная имплантация ионов примеси p-типа проводимости в рабочую сторону пластин и ионов примеси п-типа проводимости в нерабочую сторону пластин при температуре не более 25°C с энергией имплантации не более 200 кэВ, нанесение слоя алюминия на обе стороны пластин, формирование омического контакта путем вжигания алюминия и осаждение пассивирующего покрытия на рабочую сторону пластин, а затем проведение двухстадийного постимлантационного отжига.The essence of the invention lies in the fact that the method of manufacturing a sensor of ionizing radiation, provides that a sensor is formed on a polished plate cut from an ultrapure n-type silicon ingot, for which the first chemical washing of the plate in a solution of surface-active substances containing complexones is performed, forming layer of silicon oxide by thermal oxidation in an atmosphere of dry oxygen with the addition of chlorine-containing components, implantation of p-type impurity ion ions in the working side of the plate and the impurity ions of the n-type conductivity to the non-working side of the plate at a temperature of at least 50 ° C with an implantation energy of not more than 200 keV and with an implantation dose of not more than 1000 μC / cm 2 , repeated chemical washing of the plate in a solution of surface-active substances, containing complexones, the formation of a layer of silicon oxide by thermal oxidation in an atmosphere of dry oxygen with the addition of chlorine-containing components, re-implantation of p-type impurity ions into the working side of the plates and p-type impurity ions the irreducibility of the non-working side of the plates at a temperature of no more than 25 ° C with an implantation energy of no more than 200 keV, the deposition of an aluminum layer on both sides of the plates, the formation of an ohmic contact by burning aluminum and the deposition of a passivating coating on the working side of the plates, and then two-stage post-implantation annealing.
Предпочтительно, используют пластину толщиной от 250 мкм до 1000 мкм вырезанную из слитка сверхчистого кремния выращенного методом бестигельной зонной плавкой (БЗП), с удельным сопротивлением кремния 1000-800000 Ом∙см.Preferably, a plate with a thickness of 250 μm to 1000 μm is used, cut from an ultrapure silicon ingot grown by a crucible-free zone melting (BZP) method, with a specific silicon resistance of 1000-800000 Ohm ∙ cm.
Предпочтительно, формирование слоя окисла кремния производят термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов.Preferably, the formation of a layer of silicon oxide is produced by thermal oxidation in an atmosphere of dry oxygen with the addition of chlorine-containing components.
Предпочтительно, химическая отмывка пластины в растворе поверхностно активных веществ производится в растворе поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны из группы: фосфоновые кислоты, нитрилтриуксусную кислоту, холин.Preferably, the chemical washing of the plate in a solution of surfactants is carried out in a solution of surfactants containing complexones from the group: phosphonic acids, nitrile triacetic acid, choline.
Предпочтительно, перед имплантацией ионов примесей осуществляют вскрытие окон в фоторезисте для последующего вытравливания локальных областей окисла кремния путем фотолитографии и травление окисла кремния в локальных областях до остаточной толщины от 0.01 мкм до 0.10 мкм, а также химическую отмывку пластин в растворе, содержащим перекись водорода и серную кислоту в соотношении 1:3 при температуре 90-120°.Preferably, before implantation of impurity ions, windows are opened in the photoresist for subsequent etching of local areas of silicon oxide by photolithography and etching of silicon oxide in local areas to a residual thickness of 0.01 μm to 0.10 μm, as well as chemical washing of the plates in a solution containing hydrogen peroxide and sulfur acid in a ratio of 1: 3 at a temperature of 90-120 °.
Предпочтительно, первоначальная имплантация ионов примеси p-типа проводимости в рабочую сторону пластин проводится с энергией имплантации 10-200 кэВ, дозой имплантации 50-1000 мкКл/см2, а повторная имплантация ионов примеси p-типа проводимости в рабочую сторону пластин проводится с энергией имплантации 1-200 кэВ, дозой имплантации 1-500 мкКл/см2.Preferably, the initial implantation of p-type impurity ion ions to the working side of the plates is carried out with an implantation energy of 10-200 keV, an implantation dose of 50-1000 μC / cm 2 , and the p-type impurity ion is re-implanted into the working side of the plates with implantation energy 1-200 keV, implantation dose of 1-500 μC / cm 2 .
Предпочтительно, первоначальная имплантация ионов примеси п-типа проводимости в нерабочую сторону пластин проводится с энергией имплантации 10-200 кэВ, дозой имплантации 10-1000 мкКл/см2, а повторная имплантация ионов примеси п-типа проводимости в нерабочую сторону пластин проводится с энергией имплантации 10-200 кэВ, дозой имплантации 10-1000 мкКл/см2.Preferably, the initial implantation of p-type impurity ion ions into the non-working side of the plates is carried out with an implantation energy of 10-200 keV, an implantation dose of 10-1000 μC / cm 2 , and the second implantation of p-type impurity ion ions into the non-working side of the plates is carried out with implantation energy 10-200 keV, implantation dose of 10-1000 μC / cm 2 .
Предпочтительно, первоначальная имплантация ионов примесей в рабочую и в нерабочую стороны пластины осуществляется при температуре пластин выше 50°С, а повторная имплантация ионов примесей в рабочую и в нерабочую стороны пластин - при температуре пластин (-196°С)-(+25°С).Preferably, the initial implantation of impurity ions into the working and non-working sides of the plate is carried out at a plate temperature above 50 ° C, and the second implantation of impurity ions into the working and non-working sides of the plate is carried out at a plate temperature (-196 ° C) - (+ 25 ° C )
Предпочтительно, формирование слоя окисла кремния термическим окислением в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов осуществляется термической обработкой пластины при температуре 650-1300°С в атмосфере сухого кислорода, азота или аргона, хлорсодержащих компонент, при хлорсодержащих компонент 1-10 объемных процентов.Preferably, the formation of a layer of silicon oxide by thermal oxidation in an atmosphere of dry oxygen with the addition of chlorine-containing components is carried out by heat treatment of the plate at a temperature of 650-1300 ° C in an atmosphere of dry oxygen, nitrogen or argon, chlorine-containing components, with a chlorine-containing component of 1-10 volume percent.
Предпочтительно, имплантация ионов примеси p-типа проводимости в рабочую сторону пластины производится с энергией имплантации 1-200 кэВ, дозой имплантации 1-500 мкКл/см2 при температуре пластин при имплантации (-196°С)-(+25°С).Preferably, the implantation of p-type impurity ion ions into the working side of the plate is carried out with an implantation energy of 1-200 keV, an implantation dose of 1-500 μC / cm 2 at a plate temperature of implantation (-196 ° С) - (+ 25 ° С).
Предпочтительно, после имплантации ионов перед нанесением слоя алюминия проводится термическая обработка пластин при температуре 500-900°С в атмосфере, содержащей кислород, азот(аргон), хлорсодержащие компоненты при содержании хлорсодержащих компонент 1-10 объемных процентов, а затем травление окисла кремния толщиной 0.01-0.1 мкм в водном растворе плавиковой кислоты, отмывка пластины в деионизованной воде и химическая отмывка пластины в растворе, содержащем перекись водорода и водный раствор аммиака.Preferably, after the implantation of ions before applying the aluminum layer, the plates are heat treated at a temperature of 500-900 ° C in an atmosphere containing oxygen, nitrogen (argon), chlorine-containing components with a content of chlorine-containing components 1-10 volume percent, and then etching of silicon oxide with a thickness of 0.01 -0.1 μm in an aqueous solution of hydrofluoric acid, washing the plate in deionized water and chemical washing of the plate in a solution containing hydrogen peroxide and aqueous ammonia.
Предпочтительно, производится нанесение слоя алюминия 0.1-1 мкм с содержанием кремния не более 1% на обе стороны пластины.Preferably, an aluminum layer of 0.1-1 μm is applied with a silicon content of not more than 1% on both sides of the wafer.
Предпочтительно, вжигание алюминия производится при температуре 400-500°С в атмосфере азота или аргона.Preferably, the burning of aluminum is carried out at a temperature of 400-500 ° C in an atmosphere of nitrogen or argon.
Предпочтительно, осаждение пассивирующего покрытия на рабочую сторону пластины проводят с использованием окиси кремния и/или фософорносиликатного стекла с содержанием фосфора 1-4%, и с последующим травлением пассивирующего покрытия до слоя алюминия и снижением положительного заряда в окисле кремния путем повторного вжигания алюминия при температуре 400-500°С в атмосфере азота (аргона).Preferably, the passivation coating is deposited on the working side of the wafer using silicon oxide and / or phosphorosilicate glass with a phosphorus content of 1-4%, and then etching the passivation coating to an aluminum layer and reducing the positive charge in silicon oxide by re-burning aluminum at a temperature of 400 -500 ° C in an atmosphere of nitrogen (argon).
Как правило, производят скрайбирование пластины.As a rule, plate scribing is performed.
Перечень фигур чертежейList of drawings
На чертежах 1-8 схемно изображена общая последовательность операций обработки пластины. При этом на чертеже фиг. 1 изображена начальная пластина, вырезанная из слитка сверхчистого высокоомного кремния бестигельной зонной плавки (БЗП), на фиг. 2 - формирование маскирующего окисла кремния, на фиг. 3 - создание топологического рисунка на планарной (рабочей) стороне пластины, на фиг. 4 - ионная имплантация в планарную и заднюю сторону, разгонка примеси, отмывка пластин, на фиг. 5 - снятие фоторезиста, отмывки, подготовка к нанесению алюминия, на фиг. 6 - нанесение алюминия, на фиг. 7 - фотолитография по алюминию, на фиг. 8 - создание контактов на непланарной (нерабочей) стороне, проведение отжигов, вжигания алюминия, и ряда отмывок.In drawings 1-8, a diagram illustrates the overall sequence of operations for processing a plate. Moreover, in the drawing of FIG. 1 shows an initial plate cut from an ultrapure high-resistance silicon ingot of a crucible-free zone melting (BZP), in FIG. 2 - formation of masking silicon oxide, in FIG. 3 - creation of a topological drawing on the planar (working) side of the plate, in FIG. 4 - ion implantation in the planar and posterior side, distillation of the impurity, washing of the plates, in FIG. 5 - removal of photoresist, washing, preparation for applying aluminum, FIG. 6 - deposition of aluminum, in FIG. 7 - photolithography on aluminum, in FIG. 8 - making contacts on the non-planar (non-working) side, conducting annealing, burning aluminum, and a series of washes.
Детальное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Способ изготовления полупроводникового сенсора (детектора) ионизирующих излучений реализуется следующим образом.A method of manufacturing a semiconductor sensor (detector) of ionizing radiation is implemented as follows.
Полупроводниковый сенсор ионизирующего излучения формируется на полированной пластине, вырезанной из слитка высокоомного сверхчистого кремния n-типа проводимости, выращенного методом бестигельной зонной плавки (БЗП). Толщина пластин от 250 мкм до 1000 мкм. Удельное сопротивление кремния 1000-800000 Ом∙см. Время жизни неравновесных носителей заряда более 12 мс.A semiconductor ionizing radiation sensor is formed on a polished wafer cut from an ingot of high-resistance ultra-pure n-type silicon, grown by the crucible-free zone melting (BZP). Plate thickness from 250 microns to 1000 microns. The specific resistance of silicon is 1000-800000 Ohm ∙ cm. The lifetime of nonequilibrium charge carriers is more than 12 ms.
В процессе изготовления выполняются следующие операции:In the manufacturing process, the following operations are performed:
1. Химическая отмывка пластин с помощью поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны (органические соединения, сочетающие в молекуле основные и кислотные центры и способные связывать ионы металлов и тем самым способствовать очистке поверхности от быстродиффундирующих металлических примесей) например: фосфоновые кислоты, нитрилтриуксусную кислоту, холин, и т.п. Поверхностные активные вещества (ПАВ) - органические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы имеют в своем составе полярную часть, гидрофильный компонент (функциональные группы -ОН, -СООН, -SOOOH, -О- и т.п., или, чаще, их соли -ONa, -COONa, -SOOONa и т.п.) и неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент. Примером ПАВ могут служить обычное мыло и CMC (синтетические моющие средства), а также спирты, карбоновые кислоты, амины и т.п. Цель операции: снижение концентрации быстородиффундирующих металлических примесей с поверхности пластин, удаление остатков органических загрязнений и остатков приповерхностного нарушенного слоя. На фиг. 1 изображена исходная (заготовка) пластина высокоомного БЗП кремния n-Si после данной операции способа (технологического процесса).1. Chemical washing of the plates with the help of surfactants containing complexones (organic compounds that combine basic and acid centers in the molecule and are able to bind metal ions and thereby contribute to cleaning the surface of rapidly diffusing metal impurities), for example: phosphonic acids, nitrile triacetic acid, choline, etc. Surface active substances (surfactants) - organic compounds having an amphiphilic structure, that is, their molecules include a polar part, a hydrophilic component (functional groups —OH, —COOH, —SOOOH, —O—, etc., or, more often, their salts are -ONa, -COONa, -SOOONa, etc.) and non-polar (hydrocarbon) part, hydrophobic component. An example of a surfactant is ordinary soap and CMC (synthetic detergents), as well as alcohols, carboxylic acids, amines, etc. The purpose of the operation: reducing the concentration of rapidly diffusing metal impurities from the surface of the plates, removing residues of organic contaminants and residues of the near-surface disturbed layer. In FIG. 1 shows the initial (blank) plate of high-resistance BZP silicon n-Si after this operation of the method (process).
2. Формирование слоя окисла кремния SiO2 термическим окислением при температуре 650-1300°С в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов в концентрации от 1 до 10 объемных процентов. Цель операции: создание маскирующего окисла перед ионной имплантацией. На фиг. 2 изображена пластина после формирования маскирующего слоя окисла.2. The formation of a layer of silicon oxide SiO 2 by thermal oxidation at a temperature of 650-1300 ° C in an atmosphere of dry oxygen with the addition of chlorine-containing components in a concentration of from 1 to 10 volume percent. The purpose of the operation: the creation of a masking oxide before ion implantation. In FIG. 2 shows a plate after the formation of a masking oxide layer.
3. Проведение процесса первой фотолитографии1. (1 Фотолитография - многоступенчатый процесс, состоящий из операций:3. Conducting the first photolithography process 1. ( 1 Photolithography is a multi-stage process consisting of operations:
- нанесение фоторезиста (защитное светочувствительное вещество, стойкое к кислотам и другим травителям после проявления и задубливания);- application of a photoresist (protective photosensitive, resistant to acids and other etchants after manifestation and subduing);
- засветка фоторезиста, через фотошаблон;- Photoresist flare, through a photomask;
- проявление фоторезиста, в результате чего в нем появляются «окна» (отверстия в нужных местах);- the manifestation of photoresist, as a result of which “windows” appear in it (holes in the right places);
- задубливание фоторезиста - обработка реактивом вызывающим полимеризацию вещества.) Цель операции: нанесение фоторезиста с последующим вскрытием в нем окон для последующего вытравливания локальных областей окисла кремния.- killing of the photoresist - treatment with a reagent causing the polymerization of the substance.) Purpose of the operation: applying a photoresist with subsequent opening of windows in it for subsequent etching of the local areas of silicon oxide.
4. Частичное травление окисла кремния в локальных областях до остаточной толщины от 0.01 мкм до 0.10 мкм. Цель: вытравливание окон в окисле кремния для последующей имплантации ионов p-типа.4. Partial etching of silicon oxide in local areas to a residual thickness of 0.01 μm to 0.10 μm. Purpose: window etching in silicon oxide for subsequent implantation of p-type ions.
5. Удаление фоторезиста с поверхности пластин.5. Removing the photoresist from the surface of the plates.
6. Химическая отмывка пластин в растворе, содержащем перекись водорода и серную кислоту в соотношении 1:3 при температуре 90-120°.6. Chemical washing of the plates in a solution containing hydrogen peroxide and sulfuric acid in a ratio of 1: 3 at a temperature of 90-120 °.
7. Отмывка пластин в деионизованной воде.7. Washing plates in deionized water.
8. Химическая отмывка пластин в растворе, содержащем перекись водорода и водный раствор аммиака.8. Chemical washing of the plates in a solution containing hydrogen peroxide and aqueous ammonia.
9. Отмывка пластин в деионизованной воде. На фиг. 3 изображена пластина после создания топологического рисунка на планарной стороне пластины в результате описанных операций №№3-9.9. Washing plates in deionized water. In FIG. 3 shows the plate after creating a topological pattern on the planar side of the plate as a result of the described operations No. 3-9.
10. Первоначальная имплантация ионов примеси p-типа (например, ионов бора В) проводимости в рабочую (планарную) сторону пластин. Энергия имплантации 10-200 кэВ, доза имплантации 50-1000 мкКл/см2, температура пластин при имплантации выше 50°С.10. Initial implantation of p-type impurity ions (for example, boron ions B) of conductivity in the working (planar) side of the plates. The implantation energy of 10-200 keV, the implantation dose of 50-1000 µC / cm 2 , the temperature of the plates during implantation above 50 ° C.
11. Первоначальная имплантация ионов примеси п-типа (например, ионов мышьяка -As) проводимости в нерабочую сторону пластин. Энергия имплантации 10-200 кэВ, доза имплантации 10-1000 мкКл/см2, температура пластин при имплантации выше 50°С.11. Initial implantation of p-type impurity ions (for example, arsenic -As ions) of conduction into the non-working side of the plates. The implantation energy of 10-200 keV, the implantation dose of 10-1000 µC / cm 2 , the temperature of the plates during implantation above 50 ° C.
12. Химическая отмывка пластин с помощью поверхностно активных веществ, содержащих комплексоны (органические соединения, сочетающие в молекуле основные и кислотные центры и способные связывать ионы металлов и тем самым способствовать очистке поверхности от быстродиффундирующих металлических примесей) например: фосфоновые кислоты, нитрилтриуксусную кислоту, холин, и т.п. Поверхностные активные вещества (ПАВ) - органические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы имеют в своем составе полярную часть, гидрофильный компонент (функциональные группы -ОН, -СООН, -SOOOH, -О- и т.п., или, чаще, их соли -ONa, -COONa, -SOOONa и т.п.) и неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент. Примером ПАВ могут служить обычное мыло и CMC (синтетические моющие средства), а также спирты, карбоновые кислоты, амины и т.п. Цель операции: удаление быстродиффундирующих металлических примесей и следов органических загрязнений с поверхности пластин.12. Chemical washing of plates with the help of surfactants containing complexones (organic compounds that combine basic and acid centers in the molecule and are able to bind metal ions and thereby contribute to cleaning the surface of rapidly diffusing metal impurities), for example: phosphonic acids, nitrile triacetic acid, choline, etc. Surface active substances (surfactants) - organic compounds having an amphiphilic structure, that is, their molecules include a polar part, a hydrophilic component (functional groups —OH, —COOH, —SOOOH, —O—, etc., or, more often, their salts are -ONa, -COONa, -SOOONa, etc.) and non-polar (hydrocarbon) part, hydrophobic component. An example of a surfactant is ordinary soap and CMC (synthetic detergents), as well as alcohols, carboxylic acids, amines, etc. The purpose of the operation: the removal of rapidly diffusing metal impurities and traces of organic contaminants from the surface of the plates.
13. Термическая обработка пластин при температуре 650°С-1300°С в атмосфере сухого кислорода, азота или аргона, хлорсодержащих компонент. Содержание хлорсодержащих компонент 1-10 объемных процентов. Цель операций по п.п. 10-13: создание p+-п перехода в рабочих областях пластины и изотипного п+-п перехода с обратной стороны пластины. На фиг. 4 изображена пластина после первоначальной ионной имплантации в планарную и заднюю сторону, т.е. после описанных операций №№10-13.13. Heat treatment of plates at a temperature of 650 ° C-1300 ° C in an atmosphere of dry oxygen, nitrogen or argon, chlorine-containing components. The content of chlorine-containing components is 1-10 volume percent. Purpose of operations 10-13: creating a p + p transition in the working areas of the plate and an isotype p + p transition on the back of the plate. In FIG. 4 shows the plate after the initial ion implantation in the planar and posterior sides, i.e. after the described operations No. 10-13.
14. Проведение процесса второй фотолитографии.14. The process of the second photolithography.
15. Частичное травление окисла кремния в локальных областях до остаточной толщины от 0.01 мкм до 0.10 мкм. Цель: вытравливание окон в окисле кремния для последующей имплантации ионов p-типа.15. Partial etching of silicon oxide in local areas to a residual thickness of 0.01 μm to 0.10 μm. Purpose: window etching in silicon oxide for subsequent implantation of p-type ions.
16. Удаление фоторезиста с поверхности пластин.16. Removing the photoresist from the surface of the plates.
17. Химическая отмывка пластин в растворе, содержащем перекись водорода и серную кислоту в соотношении 1:3 при температуре 90°-120°.17. Chemical washing of the plates in a solution containing hydrogen peroxide and sulfuric acid in a ratio of 1: 3 at a temperature of 90 ° -120 °.
18. Отмывка пластин в деионизованной воде.18. Washing plates in deionized water.
19. Химическая отмывка пластин в растворе, содержащем перекись водорода и водный раствор аммиака.19. Chemical washing of the plates in a solution containing hydrogen peroxide and aqueous ammonia.
20. Отмывка пластин в деионизованной воде.20. Washing plates in deionized water.
21. Повторная имплантация ионов примеси p-типа (например, ионов бора В) проводимости в рабочую сторону пластин. Энергия имплантации 1-200 кэВ, доза имплантации 1-500 мкКл/см2, температура пластин при имплантации (-196°С)-(+25°С).21. Re-implantation of p-type impurity ions (for example, boron ions B) of conductivity in the working side of the plates. The implantation energy is 1-200 keV, the implantation dose is 1-500 μC / cm 2 , the temperature of the plates during implantation (-196 ° С) is (+ 25 ° С).
22. Повторная имплантация ионов примеси п-типа (например, ионов мышьяка -As) проводимости в нерабочую сторону пластин. Энергия имплантации 10-200 кэВ, доза имплантации 10-1000 мкКл/см2, температура пластин при имплантации (-196°С)-(+25°С).22. Re-implantation of p-type impurity ions (for example, arsenic ions -As) conductivity in the non-working side of the plates. The implantation energy of 10-200 keV, the implantation dose of 10-1000 μC / cm 2 , the temperature of the plates during implantation (-196 ° C) - (+ 25 ° C).
23. Химическая отмывка пластин с помощью поверхностно активных веществ содержащих комплексоны (фосфоновые кислоты, нитрилтриуксусную кислоту, холин, и т.п.)23. Chemical washing of plates with the help of surfactants containing complexones (phosphonic acids, nitrile triacetic acid, choline, etc.)
24. Термическая обработка пластин при температуре 500°-900°С в атмосфере, содержащей кислород, азот(аргон), хлорсодержащие компоненты. Содержание хлорсодержащих компонент 1-10 объемных процентов (не менее 1% хлорсодержащих компонент). Цель операций по пп. 21-24 - активация имплантированных примесей, геттерирование2 (2 Геттерирование - процесс связывания в электрически нейтральные ассоциации подвижных, нежелательных примесей и дефектов на границах раздела, образованных внешней поверхностью кристаллов или поверхностью границ объемных дефектов. Процесс геттерирования происходит за счет следующих физических эффектов:24. Heat treatment of plates at a temperature of 500 ° -900 ° C in an atmosphere containing oxygen, nitrogen (argon), chlorine-containing components. The content of chlorine-containing components is 1-10 volume percent (at least 1% of chlorine-containing components). The purpose of operations for PP. 21-24 - activation of implanted impurities, gettering 2 ( 2 Gettering - the process of binding to electrically neutral associations of mobile, undesirable impurities and defects at the interfaces formed by the outer surface of the crystals or the surface of the boundaries of bulk defects. The process of gettering occurs due to the following physical effects:
1 - высвобождение примесей или распад протяженных дефектов на более мелкие составные части; 2 - диффузия примесей или составных частей дислокаций; 3 - поглощение примесей или собственных междоузельных атомов некоторым стоком;) быстродиффундирующих металлических примесей.1 - the release of impurities or the decay of extended defects into smaller components; 2 - diffusion of impurities or components of dislocations; 3 - absorption of impurities or intrinsic interstitial atoms by some sink;) of rapidly diffusing metal impurities.
25. Травление окисла кремния толщиной 0.01-0.1 мкм в водном растворе плавиковой кислоты.25. Etching of silicon oxide with a thickness of 0.01-0.1 microns in an aqueous solution of hydrofluoric acid.
26. Отмывка пластин в деионизованной воде.26. Washing plates in deionized water.
27. Химическая отмывка пластин в растворе, содержащем перекись водорода и водный раствор аммиака. На фиг. 5 изображена пластина после снятия фоторезиста, отмывки, подготовка к нанесению алюминия, т.е. после описанных операций №№14-27 способа.27. Chemical washing of the plates in a solution containing hydrogen peroxide and aqueous ammonia. In FIG. 5 shows the plate after removing the photoresist, washing, preparation for applying aluminum, i.e. after the described operations No. 14-27 of the method.
28. Нанесение слоя алюминия с содержанием кремния не более 1% на обе стороны пластин. Толщина слоя алюминия 0.1-1 мкм. На фиг. 6 изображена пластина после нанесения алюминия согласно операции №28 способа.28. Application of a layer of aluminum with a silicon content of not more than 1% on both sides of the plates. The thickness of the aluminum layer is 0.1-1 μm. In FIG. 6 shows a plate after applying aluminum according to operation No. 28 of the method.
29. Проведение процесса третьей фотолитографии по слою алюминия с защитой стороны пластины слоем фоторезиста. На фиг. 7 изображена пластина после фотолитографии по алюминию, т.е. после операции №29 способа.29. Carrying out the process of the third photolithography on an aluminum layer with protection of the side of the plate by a layer of photoresist. In FIG. 7 shows a plate after photolithography on aluminum, i.e. after operation No. 29 of the method.
30. Травление алюминия в локальных областях на рабочей стороне пластины.30. Etching of aluminum in local areas on the working side of the plate.
31. Удаление фоторезиста в ацетоне, изопропиловом спирте при температуре 20-25°С.31. Removing photoresist in acetone, isopropyl alcohol at a temperature of 20-25 ° C.
32. Отмывка пластин в деионизованной воде.32. Washing plates in deionized water.
33. Вжигание алюминия при температуре 400-500°С в атмосфере азота (аргона). Цель операции - формирование омического контакта. На фиг. 8 изображена пластина после создания контактов на непланарной (обратной) стороне, т.е. после проведения отжигов, вжигания алюминия, и ряда отмывок, т.е. после операций №№30-33 способа.33. The burning of aluminum at a temperature of 400-500 ° C in an atmosphere of nitrogen (argon). The purpose of the operation is the formation of an ohmic contact. In FIG. Figure 8 shows the plate after creating contacts on the non-planar (back) side, i.e. after annealing, burning aluminum, and a series of washes, i.e. after operations No. 30-33 of the method.
34. Осаждение пассивирующего (окись кремния, фосфорносиликатное стекло с содержанием фосфора 1-4%) покрытия на рабочую сторону пластин.34. The deposition of a passivating (silicon oxide, phosphorosilicate glass with a phosphorus content of 1-4%) coating on the working side of the plates.
35. Проведение процесса четвертой фотолитографии по пассивирующему покрытию с защитой фоторезистом обратной стороны пластины.35. Carrying out the process of the fourth photolithography on a passivating coating with photoresist protection on the back of the plate.
36. Травление (жидкостное или сухое) пассивирующего покрытия до слоя алюминия.36. Etching (liquid or dry) of a passivating coating to an aluminum layer.
37. Удаление фоторезиста в ацетоне, изопропиловом спирте при температуре 20-25°С.37. Removal of the photoresist in acetone, isopropyl alcohol at a temperature of 20-25 ° C.
38. Отмывка пластин в деионизованной воде.38. Washing plates in deionized water.
39. Вжигание алюминия при температуре 400°-500°С в атмосфере азота (аргона). Цель операции - снижение положительно заряда в окисле кремния.39. The burning of aluminum at a temperature of 400 ° -500 ° C in an atmosphere of nitrogen (argon). The purpose of the operation is to reduce the positive charge in silicon oxide.
40. Скрайбирование пластин3. (3 Скрайбирование - это технологический процесс в электронной промышленности, а именно - процесс разделения полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы. Скрайбирование включает в себя в данном случае, сквозное разрезание, при котором пластину прорезают насквозь за одну стадию режущим инструментом (алмазным диском, проволокой) - что позволяет резать пластину толщиной до 1 мм и диаметром 100-150 мм со скоростью до 150 мм/с, на глубину 300 мкм и более за один проход.)40. Scribing plates 3 . ( 3 Scribing is a technological process in the electronics industry, namely, the process of dividing semiconductor wafers into individual crystals. Scribing includes in this case, through cutting, in which the plate is cut through in one step by a cutting tool (diamond blade, wire) - which allows you to cut a plate with a thickness of up to 1 mm and a diameter of 100-150 mm at a speed of up to 150 mm / s, to a depth of 300 microns or more in one pass.)
Операции №34-39 обеспечивают защиту изготовленного сенсора от механических воздействий и воздействия окружающей среды. Указанная операция №40 предназначена для получения конечного изделия заданных размеровOperations No. 34-39 provide protection for the manufactured sensor from mechanical and environmental influences. The specified operation No. 40 is intended to obtain the final product of a given size
В частных случаях реализации после п. 21 можно выполнить химическую обработку пластин в растворе поверхностно активных веществ, затем провести двухступенчатую термическую обработку пластин при температуре 400-650°С в атмосфере азота (аргона), далее отжиг при температуре 500-900°С в атмосфере азота(аргона).In special cases of implementation, after step 21, it is possible to perform the chemical treatment of the plates in a solution of surfactants, then carry out a two-stage heat treatment of the plates at a temperature of 400-650 ° C in an atmosphere of nitrogen (argon), then anneal at a temperature of 500-900 ° C in the atmosphere nitrogen (argon).
В частных случаях реализации п. 22 можно выполнить химическую обработку пластин в растворе поверхностно активных веществ, затем провести двухступенчатую термическую обработку пластин при температуре 400-650°С в атмосфере азота (аргона), далее отжиг при температуре 500-800°С в атмосфере азота(аргона).In particular cases of the implementation of Clause 22, it is possible to carry out the chemical treatment of the plates in a solution of surfactants, then conduct a two-stage heat treatment of the plates at a temperature of 400-650 ° C in an atmosphere of nitrogen (argon), then anneal at a temperature of 500-800 ° C in a nitrogen atmosphere (argon).
Предпочтительно, химическая обработка пластины в растворе поверхностно активных веществ производится следующим образом.Preferably, the chemical treatment of the plate in a solution of surfactants is as follows.
1. Отмывка пластин в деионизованной воде при температуре 50-100°С.1. Washing the plates in deionized water at a temperature of 50-100 ° C.
2. Отмывка пластин в проточной деионизованной воде при комнатной температуре.2. Washing the plates in flowing deionized water at room temperature.
3. Обработка пластин в окислительном растворе, содержащем надсернокислый аммоний и серную кислоту при температуре 50-100°С.3. Processing plates in an oxidizing solution containing ammonium sulphate and sulfuric acid at a temperature of 50-100 ° C.
4. Отмывка пластин в проточной деионизованной воде при комнатной температуре.4. Washing the plates in flowing deionized water at room temperature.
5. Травление пластин в водном растворе азотной и/или плавиковой кислот.5. Etching of the plates in an aqueous solution of nitric and / or hydrofluoric acid.
6. Отмывка пластин в проточной деионизованной воде при комнатной температуре.6. Washing the plates in flowing deionized water at room temperature.
7. Обработка пластин в окислительном растворе, содержащем надсернокислый аммоний и серную кислоту при температуре 50-100°С.7. Processing plates in an oxidizing solution containing ammonium sulphate and sulfuric acid at a temperature of 50-100 ° C.
8. Отмывка пластин в проточной деионизованной воде при комнатной температуре.8. Washing the plates in running deionized water at room temperature.
9. Обработка пластин в водном растворе плавиковой кислоты с добавлением водного раствора йодистого аммония и иодом.9. Processing plates in an aqueous solution of hydrofluoric acid with the addition of an aqueous solution of ammonium iodide and iodine.
10. Отмывка пластин в проточной деионизованной воде при комнатной температуре.10. Washing the plates in running deionized water at room temperature.
11. Химическая отмывка пластин в растворе, содержащем перекись водорода и водный раствор аммиака.11. Chemical washing of the plates in a solution containing hydrogen peroxide and aqueous ammonia.
12. Отмывка пластин в проточной деионизованной воде при комнатной температуре.12. Washing the plates in flowing deionized water at room temperature.
13. Обработка пластин в растворе, содержащем моноэтаноламин, нитрилтриуксусную кислоту, этилендиаминтетрауксусную кислоту, фосфоновые кислоты, раствор иода в моноэтаноламине.13. Processing of plates in a solution containing monoethanolamine, nitrile triacetic acid, ethylenediaminetetraacetic acid, phosphonic acids, a solution of iodine in monoethanolamine.
14. Отмывка пластин в проточной деионизованной воде при комнатной температуре.14. Washing the plates in running deionized water at room temperature.
В настоящем технологическом процессе в случае использования пластин изначально легированных фосфором, некоторые примеси, такие, например, как медь, распределяются так, что профиль распределения принимает форму, близкую профилю примесного фосфора. В результате образуются нейтральные пары вида Cu+Р- In the present technological process, in the case of using plates initially doped with phosphorus, some impurities, such as, for example, copper, are distributed so that the distribution profile takes the form close to the profile of impurity phosphorus. As a result, neutral pairs of the form Cu + P -
Так же используется геттерирование с использованием нарушенных слоев, а именно: используются пластины односторонней полировки, а обратная сторона шлифованная, она и является стоком для дефектов и примесей. Сильное легирование (до получения практически аморфных или сильно радиационно-поврежденных слоев) мышьяком или фосфором задней стороны могут значительно увеличить геттерирующую способность задней стороны пластины.Gettering is also used using broken layers, namely: single-sided polishing plates are used, and the reverse side is polished, it is the drain for defects and impurities. Strong doping (until practically amorphous or strongly radiation-damaged layers are obtained) with arsenic or phosphorus on the back side can significantly increase the gettering ability of the back side of the plate.
При реализации способа обеспечиваются двукратное (операции №№1, 12) снижение концентрации быстро диффундирующих металлических примесей с поверхности пластин, удаление остатков органических загрязнений и остатков приповерхностного нарушенного слоя отмывкой с помощью поверхностно активных веществ.When implementing the method, a two-fold (operations Nos. 1, 12) decrease in the concentration of rapidly diffusing metal impurities from the surface of the plates, the removal of residues of organic impurities and residues of the surface disturbed layer by washing with the help of surface-active substances are provided.
Формирование слоя окисла кремния в окислительной хлорсодержащей среде термическим окислением при температуре 650-1300°С в атмосфере сухого кислорода с добавлением хлорсодержащих компонентов в концентрации от 1 до 10 объемных процентов позволяет эффективно препятствовать попаданию и удалять загрязняющие металлические быстро диффундирующие примеси.The formation of a layer of silicon oxide in an oxidizing chlorine-containing medium by thermal oxidation at a temperature of 650-1300 ° C in an atmosphere of dry oxygen with the addition of chlorine-containing components in a concentration of 1 to 10 volume percent can effectively prevent the ingress and removal of contaminating metallic rapidly diffusing impurities.
Первоначальная имплантация ионов примеси p-типа проводимости в рабочую сторону пластин с параметрами процесса: энергия имплантации 10-200 кэВ, доза имплантации 50-1000 мкКл/см2, температура пластин при имплантации выше 50°С. Температура имплантации выше 50°С позволяет уменьшить количество радиационных дефектов. Первоначальная имплантация ионов примеси n-типа проводимости (фосфор или мышьяк) в нерабочую сторону пластин с параметрами процесса: энергия имплантации 10-200 кэВ, доза имплантации 10-1000 мкКл/см2, температура пластин при имплантации выше 50°С также позволяет уменьшить количество радиационных дефектов.Initial implantation of p-type impurity ion ions into the working side of the plates with process parameters: implantation energy of 10-200 keV, implantation dose of 50-1000 μC / cm 2 , the temperature of the plates during implantation is above 50 ° C. The implantation temperature above 50 ° C reduces the number of radiation defects. The initial implantation of n-type impurity ion ions (phosphorus or arsenic) into the non-working side of the plates with process parameters: implantation energy of 10-200 keV, implantation dose of 10-1000 μC / cm 2 , the temperature of the plates during implantation above 50 ° C also allows you to reduce the number radiation defects.
Все это позволяет при последующей химической обработке уменьшить абсорбцию имплантированными поверхностями (рабочей и нерабочей сторон), загрязняющих примесей из химических растворов, а также более эффективно отжигать радиационные дефекты4. (4 Радиационные дефекты образуются при ионной имплантации. Как правило, это междоузельные атомы кремния и вакансии (отсутствие регулярного атома в решетке)). Эффективность обеспечивается тем, что радиационные дефекты не объединяются в комплексы с быстродифундирующей примесью, и вследствие этого не образуют скоплений большого размера. Это дает возможность применять более низкую температуру отжига и низкотемпературные режимы гетерирования при последующих термообработках.All this allows, during subsequent chemical treatment, to reduce the absorption of contaminants from chemical solutions by implanted surfaces (working and non-working sides), as well as more effectively annealing radiation defects 4 . ( 4 Radiation defects are formed during ion implantation. As a rule, these are interstitial silicon atoms and vacancies (the absence of a regular atom in the lattice)). Efficiency is ensured by the fact that radiation defects do not combine into complexes with a rapidly diffusing impurity and, as a result, do not form large clusters. This makes it possible to apply a lower annealing temperature and low-temperature gettering conditions during subsequent heat treatments.
Термическая обработка пластин при температуре 650-1300°С в атмосфере сухого кислорода, азота или аргона, включающей хлорсодержащий компонент при содержании хлорсодержащих компонент 1-10 объемных процентов позволяет эффективно препятствовать попаданию и удалять загрязняющие металлические быстродиффундирующие примеси.The heat treatment of the plates at a temperature of 650-1300 ° C in an atmosphere of dry oxygen, nitrogen or argon, including a chlorine-containing component with a chlorine-containing component of 1-10 volume percent, can effectively prevent the ingress and remove contaminating metal rapidly diffusing impurities.
Повторная имплантация ионов примеси p-типа проводимости в рабочую сторону пластин с параметрами процесса: энергия имплантации 1-200 кэВ, доза имплантации 1-500 мкКл/см2, при температуре пластин при имплантации (-196°С)-(+25°С). При такой пониженной температуре имплантация выполняется для получения аморфизованного имплантированного слоя, облегчающего образование структурно совершенного p+ слоя при последующей термообработке.Re-implantation of p-type impurity ion ions into the working side of the plates with process parameters: implantation energy 1-200 keV, implantation dose 1-500 μC / cm 2 , at implant temperature (-196 ° С) - (+ 25 ° С ) At such a low temperature, implantation is performed to obtain an amorphized implanted layer that facilitates the formation of a structurally perfect p + layer during subsequent heat treatment.
Повторная имплантация ионов примеси n-типа проводимости в нерабочую сторону пластин параметрами процесса: энергия имплантации 10-200 кэВ, доза имплантации 10-1000 мкКл/см2, при температуре пластин при имплантации (-196°С)-(+25°С). При такой пониженной температуре имплантация выполняется для предотвращения самоотжига радиационных дефектов, которые необходимы для эффективного геттерирования быстродиффундирующих металлических загрязняющих примесей из объема пластины.Re-implantation of n-type impurity ion ions into the non-working side of the plates by process parameters: implantation energy of 10-200 keV, implantation dose of 10-1000 μC / cm 2 , at implant temperature (-196 ° С) - (+ 25 ° С) . At such a low temperature, implantation is performed to prevent self-annealing of radiation defects, which are necessary for the efficient gettering of rapidly diffusing metal contaminants from the volume of the plate.
Проведение двух стадийного постимлантационного отжига необходимо для более полной активации примеси и эффективного геттерирования. В прототипе используется только одностадийный отжиг при температуре, не обеспечивающей полную активацию имплантированной примеси и эффективного геттерирования.Conducting two stages of post-implantation annealing is necessary for more complete activation of the impurity and effective gettering. The prototype uses only one-stage annealing at a temperature that does not provide complete activation of the implanted impurity and effective gettering.
Предлагаемая технология универсальна. Ее можно использовать для пластин толщиной до 1000 мкм, что важно для регистрации рентгеновского излучения. Также технология позволяет получать высокочувствительные детекторы для регистрации альфа-, бета-частиц и заряженных частиц высокой энергии.The proposed technology is universal. It can be used for plates up to 1000 microns thick, which is important for recording x-ray radiation. The technology also allows obtaining highly sensitive detectors for detecting alpha, beta particles and charged high-energy particles.
По сравнению с прототипом предлагаемая технология применима для использования кремниевых пластин с большим (от 100 до 80000 Ом∙см) диапазоном удельного сопротивления.Compared with the prototype, the proposed technology is applicable for the use of silicon wafers with a large (from 100 to 80,000 Ohm ∙ cm) resistivity range.
Получаемый чувствительный элемент представляет собой кремниевый p-i-n диод большой площади с резким p-n переходом. Площадь определяется размером пластины и областью применения. Так для бытовой дозиметрии достаточной будет активная площадь порядка 1 квадратного сантиметра, в то время как для высокоточных и быстрых измерений площадь может достигать 100 см2.The resulting sensing element is a large-area silicon pin diode with a sharp pn junction. The area is determined by the size of the plate and the scope. So for household dosimetry, an active area of the order of 1 square centimeter will be sufficient, while for high-precision and fast measurements, the area can reach 100 cm 2 .
Толщина слоя пассивации около 1 мкм, толщина слоя алюминия около 0,8 мкм, глубина p-области около 0,5 мкм, толщина слоя пассивации над p-областью 0,5 мкм.The thickness of the passivation layer is about 1 μm, the thickness of the aluminum layer is about 0.8 μm, the depth of the p-region is about 0.5 μm, the thickness of the passivation layer above the p-region is 0.5 μm.
Принцип действия кремниевых детекторов основан на регистрации первичной ионизации, вызванной прохождением ионизирующей частицы через детектор и, вообще говоря, ничем не отличается от принципа работы ионизационной камеры.The principle of operation of silicon detectors is based on the registration of primary ionization caused by the passage of an ionizing particle through the detector and, generally speaking, is no different from the principle of operation of the ionization chamber.
При прохождении ионизирующей частицы через объем детектора часть энергии частицы расходуется на ионизацию атомов материала. В результате, вдоль трека частицы за время около 10-12 с образуется область с высокой (до 1017 см-3) концентрацией свободных носителей, т.н. электронно-дырочных пар. Экспериментальные данные показывают, что для различных видов ионизирующих частиц в широком диапазоне их энергий, среднее число пар носителей заряда, образованных в кремнии прохождением ионизирующей частицы, линейно зависит от величины потерянной энергии, и средняя величина потерь энергии для образования одной электронно-дырочной пары составляет 3.66 эВ. Эта величина значительно превышает ширину запрещенной зоны в кремнии - 1.12 эВ, поскольку большая часть потерянной энергии расходуется на возбуждение колебаний решетки. Ионизационные потери энергии заряженной частицы в слое вещества обычно описывают формулой Бете-Блоха:When an ionizing particle passes through the detector volume, part of the particle’s energy is spent on the ionization of the atoms of the material. As a result, a region with a high (up to 10 17 cm -3 ) concentration of free carriers is formed along the particle’s track over a period of about 10 -12 s, the so-called electron-hole pairs. The experimental data show that for various types of ionizing particles in a wide range of their energies, the average number of carrier pairs formed in silicon by the passage of an ionizing particle linearly depends on the amount of energy lost, and the average energy loss for the formation of one electron-hole pair is 3.66 eV. This value significantly exceeds the band gap in silicon - 1.12 eV, since most of the lost energy is spent on exciting lattice vibrations. The ionization energy loss of a charged particle in a layer of matter is usually described by the Bethe Bloch formula:
где: =0.1535 МэВ·с2/г;where: = 0.1535 MeV · s 2 / g;
x - толщина слоя вещества в г/см2;x is the thickness of the layer of substance in g / cm 2 ;
re=2.817·10-13 см - классический радиус электрона;r e = 2.817 · 10 -13 cm is the classical radius of the electron;
me - масса электрона;m e is the mass of the electron;
NA=6.022·1023 моль-1 - число Авогадро;N A = 6.022 · 10 23 mol -1 is the Avogadro number;
I - эффективный потенциал ионизации атомов вещества усредненный по всем электронам (173 эВ для кремния);I is the effective ionization potential of the atoms of a substance averaged over all electrons (173 eV for silicon);
Z - атомный номер вещества;Z is the atomic number of the substance;
А - атомная масса вещества;A is the atomic mass of a substance;
ρ - плотность вещества;ρ is the density of the substance;
Z - заряд ионизирующей частицы;Z is the charge of the ionizing particle;
Wmax - максимальная энергия, отдаваемая падающей частицей в одном взаимодействии, в приближении, что М>>me, где М - масса падающей частицы;W max is the maximum energy given by the incident particle in one interaction, in the approximation that M >> m e , where M is the mass of the incident particle;
Тогда среднее количество электрон-дырочных пар, созданных ионизирующей частицей в детекторе толщиной d составит:Then the average number of electron-hole pairs created by an ionizing particle in a detector of thickness d will be:
Как и в любой ионизационной камере для регистрации сигнала от ионизирующей частицы необходимо собрать созданные носители заряда за время значительно меньшее времени их рекомбинации (или другими словами время жизни) - τr. Время рекомбинации показывает, какая часть N от первоначального заряда N0 сохранится (и может быть собрана) через время t.As in any ionization chamber, in order to register a signal from an ionizing particle, it is necessary to collect the created charge carriers in a time significantly shorter than their recombination time (or in other words, the lifetime) - τ r . The recombination time shows how much of N from the initial charge N 0 is retained (and can be collected) after time t.
N=N0exp(-t/τr).N = N 0 exp (-t / τ r ).
Время сбора заряда из объема детектора определяется напряженностью электрического поля внутри полупроводника и подвижностью собираемых носителей.The time of charge collection from the detector volume is determined by the electric field strength inside the semiconductor and the mobility of the collected carriers.
Быстрый сбор заряда достигается при достаточно большой величине напряженности электрического поля внутри детектора. Простейший путь создания высокой напряженности поля - повышение напряжения, приложенного к полупроводнику. Однако, при этом возрастает и текущий через полупроводник ток, флуктуации которого быстро начинают превышать сигнал от ионизирующих частиц. Чтобы решить эту проблему, в качестве детектора, используют специальную структуру, аналогичную высоковольтному, т.н. p-i-n-диоду. На сегодняшний день достижимый уровень чистоты монокристаллического кремния составляет ~1011 атомов примеси на см3. Технология получения такого материала включает два этапа: выращивание монокристалла из расплава предварительно очищенного кремния и многократную перекристаллизацию полученного слитка методом бестигельной зонной плавки (БЗП). При каждой перекристаллизации примеси вытягиваются на периферию слитка. Также на этапе перекристаллизации в слиток вводят фиксированное количество легирующей примеси, в нашем случае это фосфор с концентрацией Nd~1012 атом/см3. Такой способ позволяет добиться высокой однородности концентрации примеси в объеме слитка, и, следовательно, получить высокую однородность его электрических свойств.Quick charge collection is achieved with a sufficiently large value of the electric field inside the detector. The simplest way to create a high field strength is to increase the voltage applied to the semiconductor. However, this also increases the current flowing through the semiconductor, the fluctuations of which quickly begin to exceed the signal from ionizing particles. To solve this problem, as a detector, they use a special structure similar to a high-voltage one, the so-called pin diode. To date, the achievable purity level of single-crystal silicon is ~ 10 11 impurity atoms per cm 3 . The technology for producing such a material includes two stages: growing a single crystal from a melt of pre-purified silicon and repeated recrystallization of the obtained ingot by the method of crucible-free zone melting (BZP). With each recrystallization, impurities are pulled to the periphery of the ingot. Also, at the recrystallization stage, a fixed amount of dopant is introduced into the ingot, in our case it is phosphorus with a concentration of N d ~ 10 12 atom / cm 3 . This method allows to achieve high uniformity of the concentration of impurities in the volume of the ingot, and, therefore, to obtain a high uniformity of its electrical properties.
Фосфор в кремнии является донорной примесью - его уровень расположен вблизи верхней границы запрещенной зоны и при температуре ~300 K полностью ионизован. При этом в зоне проводимости появляются свободные носители - электроны с концентрацией близкой, к концентрации донорной примеси. Отметим, что введение примеси дающей один уровень близкий к верхней (донорная примесь) или нижней (акцепторная примесь) границе запрещенной зоны с небольшой концентрацией, незначительно изменяет время жизни носителей в полупроводнике. В гораздо большей степени время жизни зависит от концентрации остаточных примесей, дающих глубокие уровни, лежащие вблизи середины запрещенной зоны. В частности, такими примесями являются щелочные металлы, медь, золото, поэтому при изготовлении материала для кремниевых детекторов особое внимание уделяется низким уровням остаточной примеси этих элементов.Phosphorus in silicon is a donor impurity - its level is located near the upper boundary of the forbidden zone and is completely ionized at a temperature of ~ 300 K. In this case, free carriers appear in the conduction band — electrons with a concentration close to that of the donor impurity. Note that the introduction of an impurity giving one level close to the upper (donor impurity) or lower (acceptor impurity) boundary of the forbidden band with a low concentration slightly changes the carrier lifetime in the semiconductor. To a much greater extent, the lifetime depends on the concentration of residual impurities giving deep levels lying near the middle of the forbidden zone. In particular, such impurities are alkali metals, copper, gold, therefore, in the manufacture of the material for silicon detectors, special attention is paid to low levels of residual impurities of these elements.
Практическая проверка подтвердила, что для изделий, произведенных с помощью заявляемого способа, время жизни неосновных носителей заряда составляет не менее 15 мс, ток утечки не более 10 нА/см2, эффективность сбора заряда (уровень сигнала элемента) не менее 99%. Малые токи утечки обеспечивают низкое значение дробового (токового) шума, а высокая эффективность сбора заряда - избежать потерь сигнала в объеме сенсора.A practical test confirmed that for products manufactured using the proposed method, the lifetime of minority charge carriers is at least 15 ms, the leakage current is not more than 10 nA / cm 2 , the charge collection efficiency (element signal level) is at least 99%. Low leakage currents provide a low value of shot (current) noise, and high efficiency of charge collection - to avoid signal loss in the sensor volume.
Предлагаемая технология универсальна. Ее можно использовать для пластин толщиной до 1000 мкм, что важно для регистрации рентгеновского излучения. Также технология позволяет получать высокочувствительные детекторы для регистрации альфа-, бета-частиц и заряженных частиц высокой энергии.The proposed technology is universal. It can be used for plates up to 1000 microns thick, which is important for recording x-ray radiation. The technology also allows obtaining highly sensitive detectors for detecting alpha, beta particles and charged high-energy particles.
В результате использования настоящего способа обеспечивается производство чувствительного элемента на базе планарной технологии, время жизни неосновных носителей заряда составляет не менее 15 мс, ток утечки не более 10 нА/см2, эффективность сбора заряда (уровень сигнала элемента) не менее 99%. работающего в режиме полного обеднения при обратном смещении за счет минимизации количества быстродиффундирующих примесей, остатков органических загрязнений и остатков приповерхностного нарушенного слоя, и, тем самым, сокращения количества собственных свободных электронов.As a result of using this method, the production of a sensitive element based on planar technology is ensured, the lifetime of minority charge carriers is at least 15 ms, the leakage current is not more than 10 nA / cm 2 , the charge collection efficiency (element signal level) is at least 99%. operating in the mode of complete depletion at reverse bias by minimizing the amount of rapidly diffusing impurities, residues of organic impurities and residues of the surface disturbed layer, and, thereby, reducing the number of free free electrons.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Настоящее изобретение реализуется с помощью универсального оборудования, широко распространенного в промышленности.The present invention is implemented using universal equipment widely used in industry.
Claims (15)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014148677/28A RU2575939C1 (en) | 2014-12-03 | 2014-12-03 | Method of making ionising radiation sensor |
| PCT/RU2016/000043 WO2016089254A2 (en) | 2014-12-03 | 2016-02-02 | Method of ionizing radiation sensor manufacturing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014148677/28A RU2575939C1 (en) | 2014-12-03 | 2014-12-03 | Method of making ionising radiation sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2575939C1 true RU2575939C1 (en) | 2016-02-27 |
Family
ID=55435557
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014148677/28A RU2575939C1 (en) | 2014-12-03 | 2014-12-03 | Method of making ionising radiation sensor |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2575939C1 (en) |
| WO (1) | WO2016089254A2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634324C1 (en) * | 2016-05-18 | 2017-10-25 | Публичное акционерное общество "Интерсофт Евразия", ПАО "Интерсофт Евразия" | Ionizing radiation sensor based on silicon of crucible-free melting zone of p-type conductivity |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4442592A (en) * | 1980-01-31 | 1984-04-17 | Josef Kemmer | Passivated semiconductor pn junction of high electric strength and process for the production thereof |
| US4808542A (en) * | 1986-08-11 | 1989-02-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Process for the stabilization of PN junctions |
| US5283202A (en) * | 1986-03-21 | 1994-02-01 | Advanced Power Technology, Inc. | IGBT device with platinum lifetime control having gradient or profile tailored platinum diffusion regions |
| US6794734B2 (en) * | 2002-05-03 | 2004-09-21 | Mia-Com | Heterojunction P-I-N diode and method of making the same |
| EP2256820A2 (en) * | 2009-05-25 | 2010-12-01 | Nxp B.V. | Photo-electronic device comprising a vertical p-n or p-i-n junction and manufacturing method thereof |
| RU2408955C1 (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-10 | Федеральное государственное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ФГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) | P-i-n-diode neutron radiation converter |
-
2014
- 2014-12-03 RU RU2014148677/28A patent/RU2575939C1/en active IP Right Revival
-
2016
- 2016-02-02 WO PCT/RU2016/000043 patent/WO2016089254A2/en active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4442592A (en) * | 1980-01-31 | 1984-04-17 | Josef Kemmer | Passivated semiconductor pn junction of high electric strength and process for the production thereof |
| US5283202A (en) * | 1986-03-21 | 1994-02-01 | Advanced Power Technology, Inc. | IGBT device with platinum lifetime control having gradient or profile tailored platinum diffusion regions |
| US4808542A (en) * | 1986-08-11 | 1989-02-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Process for the stabilization of PN junctions |
| US6794734B2 (en) * | 2002-05-03 | 2004-09-21 | Mia-Com | Heterojunction P-I-N diode and method of making the same |
| EP2256820A2 (en) * | 2009-05-25 | 2010-12-01 | Nxp B.V. | Photo-electronic device comprising a vertical p-n or p-i-n junction and manufacturing method thereof |
| RU2408955C1 (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-10 | Федеральное государственное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ФГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) | P-i-n-diode neutron radiation converter |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634324C1 (en) * | 2016-05-18 | 2017-10-25 | Публичное акционерное общество "Интерсофт Евразия", ПАО "Интерсофт Евразия" | Ionizing radiation sensor based on silicon of crucible-free melting zone of p-type conductivity |
| WO2017200416A1 (en) * | 2016-05-18 | 2017-11-23 | Владимир Александрович Елин | Ionizing radiation sensor based on float-zone silicon with p-type conductivity |
| US10797195B2 (en) | 2016-05-18 | 2020-10-06 | Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo “Intersoft Evraziya” | Ionizing radiation sensor based on float-zone silicon with p-type conductivity |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2016089254A2 (en) | 2016-06-09 |
| WO2016089254A3 (en) | 2016-08-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20160209518A1 (en) | Ionizing radiation sensor | |
| CN109686812B (en) | Bonded silicon PIN radiation response detector based on tunneling oxide layer and preparation method | |
| Li et al. | Irradiation effect of primary knock-on atoms on conductivity compensation in N-type 4H-SiC Schottky diode under various irradiations | |
| RU2575939C1 (en) | Method of making ionising radiation sensor | |
| Kleinfelder et al. | Impurity distribution profiles in ion-implanted silicon | |
| Meek et al. | Silicon surface contamination: polishing and cleaning | |
| Kalinina et al. | Structure and characteristics of the high-temperature SiC detectors based on Al ion-implanted p+–n junctions | |
| CN114063140B (en) | Preparation method of diamond neutron detector for eliminating polarization effect | |
| Stab | Thin epitaxial silicon detectors | |
| EP3887869B1 (en) | Hydrogenated amorphous silicon detector | |
| Dahl et al. | Electrically active sodium-related defect centres in silicon | |
| Voss et al. | Smooth Bosch etch for improved Si diodes | |
| YP et al. | Novel methods to reduce leakage current in Si PIN photodiodes designed and fabricated with different dielectrics | |
| Chourasiya et al. | In-situ study of electrical transport in Pd/n-Si under high energy ion irradiation | |
| US3449177A (en) | Radiation detector | |
| Panth | Development and Characterization of Germanium Detectors for Searching Rare-Event Physics | |
| Myakon’kikh et al. | Photovoltaic effect in a structure based on amorphous and nanoporous silicon formed by plasma immersion ion implantation | |
| Protic et al. | Development of transmission Si (Li) detectors | |
| Kirichenko et al. | Advanced methods of increasing and monitoring the lifetime of nonequilibrium minority charge carriers in master dies for high-performance silicon solar cells | |
| JP2981712B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor radiation detector | |
| CN108281480A (en) | Device and preparation method thereof that is a kind of while generating ionization and displacement flaw indication | |
| Tuovinen | Processing of radiation hard particle detectors on Czochralski silicon | |
| RU2378738C1 (en) | Method of making short-range particle detector | |
| Singha et al. | Impact of boron rich layer on performance degradation in boric acid diffused emitters for n-type crystalline Si solar cells | |
| Sato et al. | Performance estimation of InSb compound semiconductor detectors as a function of active area using alpha particles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191204 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210622 |