專利名稱：核輻射探測器及其制作工藝的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明主要涉及一種核輻射探測器，尤其涉及在高能物理和核物理中使用的位置靈敏探測器及其制作工藝。
背景技術(shù)：
探測器對于高能物理和核物理都非常重要。在核反應中，為了得到核-核碰撞過程及其動力學信息，必須知道出射粒子的角分布或者出射粒子的角關聯(lián)。為此核反應產(chǎn)物的能量及位置(角分布)的測量是最重要的，例如在核反應中，彈性散射的角分布直接反映了核勢的大小和角動量的貢獻。上述的測量必須借助于位置靈敏探測器完成。幾十年來，隨著高能物理和核物理的發(fā)展，位置靈敏探測器的發(fā)展也經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，采用不同的工藝、技術(shù)來制備。已有多種探測器來實現(xiàn)核反應產(chǎn)物的能量和位置(角分布)的同時測量，就半導體Si位置靈敏探測器而言，曾采用面壘，擴散及離子注入等技術(shù)制備。如Au-Si面壘探測器，表面漏電流很大，其反向漏電流主要由表面漏電流決定，為此其反向漏電流也很大，所以噪聲大，能量分辨率差，長期穩(wěn)定性不好，不適于高溫。此前的離子注入電阻分布式位置靈敏探測器，雖能得到好的位置分辨，但其能量分辨很差，差4～5倍。且不能實現(xiàn)有數(shù)個探測器同時測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種核輻射探測器及其制作工藝。這種核輻射探測器可用于高粒子多重性的中能重離子碰撞研究，作為粒子鑒別的ΔE探測器；在低能區(qū)超重核合成中，用作余核注入探測器，通過對相繼衰變的α粒子進行時間、位置的關聯(lián)測量來指認目標核等。這種核輻射探測器在核物理實驗中能同時測量核反應產(chǎn)物的能量和位置(角分布)信息，在得到非常好的位置分辨的同時得到相當好的能量分辨率。
本發(fā)明的目的可以通過采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種核輻射探測器，包括有硅基片，N型，其主要特點是還包括有探測窗口(1)由相互平行的多個探測窗口(1)組成，有B+摻雜區(qū)(3)，形成PN結(jié)，其上有Al層(2)，并設有引線(7)；兩探測窗口(1)之間設有絕緣分割區(qū)(4)；硅基片背面有P-摻雜區(qū)(5)，形成N+歐姆接觸，其上復有Al層(6)，形成背電極。
所述的核輻射探測器還包括有硅基片的電阻率為6000-12000Ω·cm，厚度為300μm～400μm，晶向[111]，荷電載流子壽命為1～3ms，無位錯。
所述的絕緣分割區(qū)(4)為SiO2分割。SiO2分割區(qū)的寬度為100μm-150μm。
本發(fā)明核輻射探測器的相互平行的多個探測窗口(1)為1-40條。
所述的核輻射探測器的引線(7)連接射頻電纜插座。
本發(fā)明的核輻射探測器的制作工藝，其主要特點在于A.表面氧化鈍化采用N型硅片，清洗后，在1010℃-1050℃下生成6500-7500的氧化層，表面氧化鈍化時，在含有氯離子的氣氛中進行。
B.光刻探測器探測窗口(1)。
C.離子注入在探測器探測窗口(1)一面注入B+離子，其注入離子濃度為5×1013/cm2-1×1014/cm2。
D.去掉硅基片背面的SiO2層，注入P-磷離子濃度為5×1015/cm2-1×1016/cm2。
E.離子注入之后，退火分別形成PN結(jié)和N+歐姆接觸，退火溫度為880℃-920℃降到溫度660℃-700℃，時間為25～50秒；然后低溫退火，溫度從660℃-700℃降到室溫，時間為25～40分鐘，真空氣氛。
采用離子注入技術(shù)，使得注入結(jié)淺且整齊，PN結(jié)為突變結(jié)，從而使探測器有好的電特性及探測特性。
F.P+面刻孔，濺射Al，低溫合金形成電極。
G.氧化層區(qū)域反刻，去掉Al層，形成絕緣分割區(qū)(4)。
H.N+面蒸Al(6)，形成背電極。
采用低溫慢降溫退火和芯片背面磷吸雜工藝，保持高阻硅晶片完美晶格和長的少子壽命，有效減小暗電流。
所述的核輻射探測器的制作工藝的氯離子的氣氛為由氮氣通過三氯乙烯液體將氯離子帶入，流量為0.1-0.3升/分鐘，氧氣流量為5-8升/分鐘，溫度為950℃～1050℃。
所述的核輻射探測器的制作工藝，所述的P-摻雜區(qū)(5)形成N+層的厚度為1.5～2.0μm。所述的背電極Al層(6)，厚為0.3-0.6μm。
上述工藝流程的每一步都是十分重要的，要求也非常嚴格，尤其以下幾方面是關鍵a.氧化層的質(zhì)量對探測器的性能有決定性影響，尤其是漏電流，所以，嚴格控制氧化條件非常重要。而在氧化層生長前和生長時，系統(tǒng)都經(jīng)Cl離子處理，這主要是因為Cl-離子主要分布在Si-SiO2界面附近，它能較多地填補氧的空位，形成Si-Cl負離子中心，從而控制和減少氧化層的固定正電荷和可動正電荷，減少界面態(tài)密度。Cl-離子還能明顯地吸除晶體中的有害雜質(zhì)和缺陷，提高少子壽命和氧化層質(zhì)量，減少漏電流。
b.少子壽命是晶體材料完整性和摻雜濃度的重要表征，漏電流和少子壽命成反比關系，長壽命的芯片做成PN結(jié)后，如能保持或增加少子壽命，則可望得到很低的漏電流。但高阻材料很容易引入雜質(zhì)污染，所以要從清洗液、器具、氧化氣體和管道、離子注入和退火工藝、光刻以及金屬化每道工序都要嚴格操作，保持高度清潔，并盡量簡化工藝流程來嚴防雜質(zhì)污染。
c.另外，為了保持材料晶格完整，避免少子壽命減少，本發(fā)明，采用高溫工藝后的緩降溫和背面磷吸雜技術(shù)，保持高阻晶片完美晶格和長的少子壽命，可有效減少漏電流。
本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明的核輻射探測器具有優(yōu)良的電特性和探測特性。在核物理實驗中能同時測量核反應產(chǎn)物的能量和位置(角分布)信息，在得到非常好的位置分辨的同時得到相當好的能量分辨率。
2.由于在工藝流程中嚴格控制和嚴格操作，采取特殊Cl離子處理，減少了SiO2層中的正電荷。并減少了SiO2-Si界面附近的表面態(tài)，使探測器的反向漏電流比其他工藝例如面壘工藝制備的探測器下降1～2個量級，達到nA量級。
具有非常好的位置分辨率，優(yōu)良的能量分辨率，非?？斓臅r間響應及很寬的線性范圍等優(yōu)點。
以下結(jié)合附圖所示之最佳實施例作進一步詳述

圖1為本發(fā)明實施例的主視圖。
具體實施例方式實施例1見圖1，核輻射探測器，將有效面積為50×20mm2的硅基片，N型，探測窗口1由相互平行的16個探測窗口1組成，每個硅條寬3mm，長20mm，有B+摻雜區(qū)3，形成PN結(jié)，其上有Al層2，并設有引線7；兩探測窗口1之間設有SiO2絕緣分割區(qū)4，SiO2分割區(qū)的寬度為140μm；硅基片背面有P-摻雜區(qū)5，形成N+歐姆接觸，其上復有Al層6，形成背電極。硅基片的電阻率為8000-12000Ω·cm，厚度為300μm，晶向[111]，荷電載流子壽命為1～3ms，無位錯。引線7連接射頻電纜插座。
實施例2核輻射探測器的制作工藝A.表面氧化鈍化采用N型硅片，清洗后，在1030℃下生成7000的氧化層，表面氧化鈍化時，氯離子的氣氛為由氮氣通過三氯乙烯液體將氯離子帶入，流量為0.2升/分鐘，氧氣流量為6升/分鐘，溫度為950℃～1050℃。
B.光刻探測器探測窗口1。
C.離子注入在探測器探測窗口1一面注入B+離子，其注入離子濃度為5×1013/cm2-1×1014/cm2。
D.去掉硅基片背面的SiO2層，注入P-磷離子濃度為5×1015/cm2-1×1016/cm2。P-摻雜區(qū)5形成N+層的厚度為1.5～2.0μm。
E.離子注入之后，退火分別形成PN結(jié)和N+歐姆接觸，退火溫度為900℃降到溫度680℃，時間為25～50秒；然后低溫退火，溫度從680℃降到室溫，時間為30分鐘，真空氣氛。
F.P+面刻孔，濺射Al，低溫合金形成電極。
G.氧化層區(qū)域反刻，去掉Al層，形成絕緣分割區(qū)4。
H.N+面蒸Al，形成背電極。背電極Al層，厚為0.5μm。
經(jīng)上述工藝制作的探測器，其測試結(jié)果如下本發(fā)明探測器的性能測試1.電特性a.I-V特性(漏電流與電壓的依賴關系)本發(fā)明的I-V特性是使用HP4156B半導體參數(shù)測試儀在屏蔽探針臺中逐條測量而得到的。當反向工作偏壓由0V增加到100V(掃描)時，漏電流可動態(tài)顯示成一條曲線。
表1本發(fā)明的核輻射探測器的反向漏電流(工作偏壓50V，室溫25℃)

由上表可得出本發(fā)明的核輻射探測器在室溫25℃，50V工作偏壓下的漏電流，在此條件下，漏電流均小于2nA。
探測器的反向漏電流主要由三部分組成產(chǎn)生電流、擴散電流和表面漏電流。在室溫下，硅PN結(jié)反向擴散電流典型值為10-12A/cm2，其反向產(chǎn)生電流典型值在10-9A/cm2量級。本發(fā)明由于采用表面鈍化及Cl離子處理等措施使其表面漏電流降到與反向產(chǎn)生電流相比擬的水平。反向產(chǎn)生電流有關系式Igen∝(Vbi+V)1/2，可見，器件未達到全耗盡以前其反向產(chǎn)生電流會隨著反向工作偏壓的增加而增加。
b.C-V特性(探測器電容對工作偏壓的關系)本發(fā)明的核輻射探測器的電容是隨著工作偏壓的增加而減少的。當工作偏壓到達30V時，曲線有一拐點，其后基本上不再變化，這表明，此時探測器已全耗盡。
2.探測特性a.用放射源檢測本發(fā)明的核輻射探測器已用239Puα-源(在真空中)進行了檢測。在核輻射探測器處在全耗盡情況下，當α粒子從前窗(P面)入射探測器時，得到能量分辨為0.48％-0.99％?？梢娺@種探測器的能量分辨是非常好的。當α-粒子從本發(fā)明的核輻射探測器背面(N面)入射時，得到的能量分辨為1.17％～1.49％，α粒子從探測器背面入射能量分辨變差，主要原因在背面有約1.5～2.0μm的N+層以及厚約0.5μm的Al層，這兩部分構(gòu)成了探測器背面的死層，造成α粒子的能量分散。
b.加速器束流能量測量核輻射探測器已用于精確測量蘭州重離子加速器SFC的出射粒子能量。用本發(fā)明的核輻射探測器所測得的SFC C離子能譜。測得C離子能量7.2MeV/u，能量分辨0.27％。
c.Si條間信號的相互影響與其他探測器相比，本發(fā)明的核輻射探測器的一個特殊問題是相鄰Si條之間的相互影響，即當帶電粒子從一個硅基片上的兩相鄰探測窗口1之間的邊界區(qū)域入射時，會有相互影響發(fā)生，當α粒子從我們測試的本發(fā)明的核輻射探測器的第9條探測窗口1和第10條探測窗口1間的邊界區(qū)域，包括它們之間的間隔區(qū)域入射時，所發(fā)生相互影響的情況，測量結(jié)果表明，當α粒子從P面入射時，相互影響大約為8％，當α粒子從背面(N面)入射時，相互影響大約為4％。但相隔探測窗口1間沒有影響。
使用時，當探測器加上反向偏壓時，隨著偏壓的增加，其耗盡層不斷加厚。反向偏壓適當高時，例如≥30V，探測器處于全耗盡狀態(tài)。當探測器工作在全耗盡偏壓下，每一條的反向漏電流的典型值＜2nA。對239Puα粒子的能量分辨為0.5～0.9％，相鄰條之間的相互影響為4％～8％。當帶電粒子穿過或被阻止時，該粒子所損失的能量要產(chǎn)生其數(shù)量與該能量成正比的電子—空穴對。在電場作用下，這些電子、空穴分別向背電極和前電極運動，電極上的收集信號即反映了粒子能損的信息。每一條探測窗口1可視為一獨立的探測器，從每一條的前電極可引出能損信號。
權(quán)利要求
1.一種核輻射探測器，包括有硅基片，N型，其特征是還包括有探測窗口(1)由相互平行的多個探測窗口(1)組成，有B+摻雜區(qū)(3)，形成PN結(jié)，其上有Al層(2)，并設有引線(7)；兩探測窗口(1)之間設有絕緣分割區(qū)(4)；硅基片背面有P-摻雜區(qū)(5)，形成N+歐姆接觸，其上復有Al層(6)，形成背電極。
2.如權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征是還包括有硅基片的電阻率為6000-12000Ω·cm，厚度為300μm～400μm，晶向[111]，荷電載流子壽命為1～3ms，無位錯。
3.如權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征是絕緣分割區(qū)(4)為SiO2分割。
4.如權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征是SiO2分割區(qū)的寬度為100μm-150μm。
5.如權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征是所述的相互平行的多個探測窗口(1)為1-40條。
6.如權(quán)利要求1所述的核輻射探測器，其特征是還包括有引線(7)連接射頻電纜插座。
7.如權(quán)利要求1所述的核輻射探測器的制作工藝，其特征在于A.表面氧化鈍化采用N型硅片，清洗后，在1010℃-1050℃下生成6500-7500的氧化層，表面氧化鈍化時，在含有氯離子的氣氛中進行。B.光刻探測器探測窗口(1)。C.離子注入在探測器探測窗口(1)一面注入B+離子，其注入離子濃度為5×1013/cm2-1×1014/cm2。D.去掉硅基片背面的SiO2層，注入P-磷離子濃度為5×1015/cm2-1×1016/cm2。E.離子注入之后，退火分別形成PN結(jié)和N+歐姆接觸，退火溫度為880℃-920℃降到溫度660℃-700℃，時間為25～50秒；然后低溫退火，溫度從660℃-700℃降到室溫，時間為25～40分鐘，真空氣氛。F.P+面刻孔，濺射Al，低溫合金形成電極。G.氧化層區(qū)域反刻，去掉Al層，形成絕緣分割區(qū)(4)。H.N+面蒸Al(6)，形成背電極。
8.如權(quán)利要求7所述的核輻射探測器的制作工藝，其特征在于所述的氯離子的氣氛為由氮氣通過三氯乙烯液體將氯離子帶入，流量為0.1-0.3升/分鐘，氧氣流量為5-8升/分鐘，溫度為950℃～1050℃。
9.如權(quán)利要求7所述的核輻射探測器的制作工藝，其特征在于所述的P-摻雜區(qū)(5)形成N+層的厚度為1.5～2.0μm。
10.如權(quán)利要求7所述的核輻射探測器的制作工藝，其特征在于所述的背電極Al層(6)，厚為0.3-0.6μm。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及一種核輻射探測器，尤其涉及在高能物理和核物理中使用的位置靈敏探測器及其制作工藝。一種核輻射探測器，包括有硅基片，N型，其主要特點是還包括有探測窗口(1)由相互平行的多個探測窗口(1)組成，有B
文檔編號G01T1/24GK1773309SQ20041007328
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月11日
發(fā)明者譚繼廉, 靳根明, 田大宇, 寧寶俊, 王小兵, 王宏偉, 段利敏, 袁小華, 李松林, 盧子偉, 馬連榮, 徐瑚珊 申請人:中國科學院近代物理研究所