硅基探测器的制造方法及用于其的热处理装置与流程

1.本发明涉及半导体探测制作技术领域，具体涉及一种硅基探测器的制造方法及用于其的热处理装置。


背景技术：

2.目前基于硅基的p
‑
i
‑
n结构的像素探测器具有较高的增益，但是其灵敏度主要由暗电流以及击穿电压决定。
3.然而，获得合适的暗电流以及击穿电压受加工工艺的影响较大，这对制备工艺和设备提出了较高的要求。例如，需要提高氧化层质量，减少氧化层内电荷数量，消除工艺损伤等。
4.目前常规是通过氢气合金退火工艺来提高器件性能，但其改善效果有限，因此需要使用更为有效的方法。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种硅基探测器的制造方法及用于其的热处理装置，该制造方法通过增加真空热处理工艺，对经流片完成后的探测器晶圆进行热处理，因而能够降低探测器晶圆的暗电流，并提高其击穿电压，提高了器件性能，以解决常规工艺无法有效改善硅基探测器件性能的技术问题。
6.根据一个或多个实施例，一种硅基探测器的制造方法包括以下步骤：
7.提供经流片完成后的探测器晶圆；
8.将所述探测器晶圆进行真空加热处理。
9.根据一个或多个实施例，一种用于硅基探测器制造中的热处理装置包括加热器以及与所述加热器配合的加热盒体；
10.所述加热盒体放置于所述加热器内部，所述加热盒体包括设置在其内部的过滤器和置物架，所述置物架用于放置待热处理晶圆。
11.根据一个或多个实施例，一种用于硅基探测器制造中的热处理装置包括加热盒体以及设置在所述加热盒体上的第一连接阀、第二连接阀和电源，所述加热盒体的内部设置有加热板，用于待热处理晶圆的加热。
12.本发明的创新之处是通过增加真空热处理工艺，对经流片完成后的探测器晶圆进行热处理，极大降低了器件的暗电流，提高了器件表面击穿电压，还可以部分替代合金炉管使用以降低成本。
13.而且热处理装置通过引入加热盒体，提高晶圆加热的均与性，降低颗粒污染，不但可以进行负压加热工艺也可以进行一定压力下的正压加热工艺。
附图说明
14.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通
技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
15.图1～图7为本发明实施例中硅基探测器制造方法的流程示意图；
16.图8为本发明的一种实施例中热处理装置的结构示意图；
17.图9为本发明的另一种实施例中热处理装置的结构示意图；
18.图10为本发明的另一种实施例中热处理装置的结构示意图；
19.图11为现有技术中常规制备工艺制得的硅基探测器晶圆在150μm像素8
×
8阵列并联下的暗电流图；
20.图12为本发明实施例中制备得到的硅基探测器晶圆在150μm像素8
×
8阵列并联下的暗电流图；
21.图13为现有技术中常规制备工艺制得的硅基探测器晶圆在50μm像素8
×
8阵列并联下的暗电流图；
22.图14为本发明实施例中制备得到的硅基探测器晶圆在50μm像素8
×
8阵列并联下的暗电流图。
23.图中：
24.100、衬底；200、第一氧化层；300、第二氧化层；400、第一掺杂；500、第二掺杂区；600、第一电极层；700、第二电极层；800、钝化层；
25.1、加热盒体；2、过滤器；3、置物架；4、流片完成后的探测器晶圆；5、加热桶；6、第一连接阀；7、第二连接阀；8、电源；9、加热板；
26.10、凹槽；20、接触孔。
具体实施方式
27.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
28.根据本发明的实施方式，提供一种硅基探测器的制造方法，包括如下步骤：
29.参见图1所示，将衬底100进行场氧生长，由于场氧生长是在炉管中进行，因此在衬底100的表面，也即衬底100相对的上下两个表面上均形成第一氧化层200，第一氧化层200也称为场氧化层，形成如图1所示的结构。
30.在本发明的实施例中，衬底100可以为n型高阻硅衬底。
31.第一氧化层200的材质为二氧化硅。
32.第一氧化层200的厚度可以为500～600nm，当然也可以根据实际需要进行选择，不作具体限定。
33.参见图2所示，采用光刻工艺和刻蚀工艺刻蚀衬底100上表面的第一氧化层200，以在第一氧化层200上形成裸露衬底100上表面的多个凹槽10，从而在衬底100上限定出有源区，而有源区又可以划分为像素探测器(pixel)区、环状电流收集(ccr)区和环状保护(gr)区，并且像素探测器区位于环状电流收集区内部，环状保护区包围在环状电流收集区外部。
34.其中，刻蚀工艺为湿法腐蚀工艺，腐蚀液为氢氟酸与氟化铵的混合液。
35.在本发明的实施例中，利用腐蚀液腐蚀衬底100上表面的第一氧化层200的过程中，会一并将衬底100下表面的第一氧化层200全部腐蚀去除，形成如图2所示的结构。
36.参见图3所示，对形成凹槽10后的衬底100进行栅氧生长，在衬底100相对的上下两个表面上均形成第二氧化层300，第二氧化层300也称为栅氧化层，而且位于衬底100上表面的第二氧化层300不完全填充凹槽10。
37.在本发明的实施例中，第二氧化层300的材质为二氧化硅。
38.第二氧化层300的厚度可以为100～200nm，当然也可以根据实际需要进行选择，不作具体限定。
39.需要说明的是，第一氧化层200和第二氧化层300的材质相同，可以合并称为氧化层。
40.继续参见图3所示，通过离子注入在衬底100的上表面的浅表层形成多个第一掺杂区400；其中，多个第一掺杂区400分别与多个凹槽10一一对应，也即多个第一掺杂区400形成在多个凹槽10所限定的有源区内，多个第一掺杂区400分别形成为像素探测器(pixel)区、环状电流收集(ccr)区和环状保护(gr)区。
41.通过离子注入在衬底100的下表面的浅表层形成第二掺杂区500，并且第二掺杂区500的掺杂类型与第一掺杂区400的掺杂类型不同。
42.在本发明的实施例中，第一掺杂区400可以为p型掺杂区域，掺杂离子可以为硼(b)、铝(al)、镓(ga)或铟(in)等。
43.第二掺杂区500可以为n型掺杂区，掺杂离子可以为磷(p)、砷(as)、锑(sb)、铋(bi)等。
44.继续参见图3所示，经离子注入后的第一掺杂区400和第二掺杂区500还将进行退火激活处理。
45.参见图4所示，采用光刻工艺和刻蚀工艺刻蚀衬底100上表面的第二氧化层300，以在第二氧化层300上形成裸露衬底100上表面的多个接触孔20，以用于电极的接触。
46.其中，刻蚀工艺为湿法腐蚀工艺，腐蚀液为氢氟酸与氟化铵的混合液。
47.在本发明的实施例中，利用腐蚀液腐蚀衬底100上表面的第二氧化层300的过程中，会一并将衬底100下表面的第二氧化层300全部腐蚀去除，形成如图4所示的结构。
48.参见图5所示，采用溅射工艺覆盖接触孔20、凹槽10以及第一氧化层200的表面形成第一金属层(未图示)；然后对第一金属层进行光刻工艺和湿法腐蚀工艺，以将覆盖在第一氧化层200上的至少部分第一金属层去除，形成与第一掺杂区400以及凹槽10相对应的第一电极层600，也称为正面电极，得到如图5所示的结构。
49.在本发明的实施例中，湿法腐蚀工艺采用的腐蚀液为铝腐蚀液，为常规腐蚀工艺。
50.参见图6所示，采用溅射工艺覆盖第二掺杂区500形成第二电极层700，也称为背面电极。
51.在本发明的实施例中，第一电极层600和第二电极层700的材质均为铝，当然也可以根据需要选择其他电极材料。
52.继续参见图6所示，在形成第一电极层600和第二电极层700之后，对第一电极层600和第二电极层700进行退火激活处理。
53.需要说明的是，电极层的退火激活处理也可以在形成钝化层800之后，可以根据具
体的工艺进行选择。
54.参见图7所示，首先覆盖第一氧化层200上表面以及第一电极层600上表面淀积钝化材料，以形成钝化层800。
55.然后采用光刻工艺以及干法刻蚀工艺刻蚀钝化层800，形成裸露第一电极层600上表面的多个窗口，以露出用于正面电学接触的第一电极层600，并且多个窗口可以分别用于pixel区以及ccr区的电极接入，而gr区则被钝化层800覆盖，得到如图7所示的结构。
56.在本发明的实施例中，钝化层800的材料可以为氮化硅。
57.最后，将得到的如图7所示的探测器晶圆结构采用如图8～图10所示的热处理装置进行真空加热处理。
58.在本发明中，通过对探测器晶圆进行真空热处理，能够改善氧化层质量，极大降低晶圆表面的暗电流，提高晶圆表面击穿电压。
59.在本发明的实施例中，真空加热处理的温度可以为100～450℃，时间可以为8～24h。
60.需要说明的是，真空加热处理的时间可以根据温度的不同而适当延长或缩短，二者相辅相成。
61.在本发明中，对采用本发明实施例中的制造方法制备得到的探测器晶圆的性能进行了试验。
62.试验结果参见图11～图14所示，在常规尺寸像素参数正常的情况下，经过本发明中热处理步骤的探测器晶圆的漏电要比传统工艺中未经热处理的探测器晶圆的漏电小，而且对小像素的漏电改善更加显著。
63.根据本发明的实施方式，还提供了一种应用于上述硅基探测器的制造方法中的热处理装置，利用该热处理装置对流片完成后的探测器晶圆进行热处理。
64.图8示出了本发明实施例中的一种热处理装置，该热处理装置包括加热器(未图示)以及与加热器配合的加热盒体1，加热器可以用于为加热盒体提供热源。
65.在工作状态下，加热盒体1放置于加热器内部，加热盒体1包括设置在其内部的过滤器2和置物架3，其中，置物架3用于流片完成后的探测器晶圆4。
66.在上述实施例中，由于在加热盒体1内设置过滤器2，加热盒体1可以直接放入加热器中而无需担心颗粒污染。因此，通过引入加热盒体1，能够提高器件加热的均与性，降低颗粒污染，不但可以进行负压加热工艺也可以进行一定压力下的正压加热工艺。
67.在本发明的实施例中，热处理装置还包括真空泵以及分别用于实时监测温度和压力的温度传感器和压力传感器；真空泵与加热器或加热盒体1连通，真空泵使用涡轮真空泵，使加热盒体1真空度达到10帕以下。
68.在本发明的实施例中，加热器可以为烘箱。
69.图9示出了本发明实施例中的另一种热处理装置，该热处理装置包括加热器(未图示)以及与加热器配合的加热盒体1，加热盒体1包括设置在其内部的过滤器2、置物架3以及加热桶5；其中，加热桶5的外侧壁上缠绕有加热丝(未图示)，加热桶5设置在加热盒体1内部，并且置物架3设置在加热桶5内。
70.在上述的实施例中，加热盒体1内设置有加热桶5，使得加热盒体1具有加热功能。由于一般真空烘箱的加热是通过热辐射，而硅片距离热源比较远，温度不均匀，并且实际温
度与设置温度偏差大。因此，采用加热盒体1的内部设置加热桶5可以提高均匀性，还可以提高温度，解决常规烘箱不能加太高温度问题；而且提高温度可以使总体加热时间降低。
71.在图9所示的加热盒体1内部还设有分别用于实时监测温度和压力的温度传感器和压力传感器。
72.图10示出了本发明实施例中的另一种热处理装置，该热处理装置包括加热盒体1以及设置在加热盒体1上的第一连接阀6、第二连接阀7和电源8，第一连接阀6可以用于接真空发生器，第二连接阀可以用于通入惰性气体，以扩大该加热盒体的应用范围，惰性气体可以为氮气、氦气、氩气等。加热盒体1的内部设置有加热板9，电源8与加热板9电连接，用于流片完成后的探测器晶圆4的加热，并且在热处理操作中，可以直接将流片完成后的探测器晶圆4放置在加热板9上进行加热，加热板9同时具有加热和支撑功能。
73.在图10所示的加热盒体1内部还设置有温度传感器以及压力传感器，以实时监测加热盒体1内部的温度及压力。
74.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。