谭继廉 靳根明 李占奎 徐瑚珊 李海霞 韩励想 魏计房 戎欣娟 王秀华 卢子伟 张宏斌 王柱生 祖凯玲 鲍志勤 李春艳 龚伟

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1 谭继廉 靳根明 李占奎 徐瑚珊 李海霞 韩励想 魏计房 戎欣娟 王秀华 卢子伟 张宏斌 王柱生 祖凯玲 鲍志勤 李春艳 龚伟
双面Si条两维位置灵敏探测器的研制 谭继廉 靳根明 李占奎 徐瑚珊 李海霞 韩励想 魏计房 戎欣娟 王秀华 卢子伟 张宏斌 王柱生 祖凯玲 鲍志勤 李春艳 龚伟 （中国科学院近代物理研究所 兰州 ） 田大宇 于 民 王金延 张 录 （北京大学微电子所 北京 ）

2 摘要：介绍了在核物理和高能物理实验研究中使用的新型探测器--双面硅条两位位置灵敏探测器的结构，工作原理，制备工艺及测试结果。该探测器的灵敏面积为50×50 mm2,前面和背面都被分为相等宽度的16条（每条的面积为50×3mm2）,在微电子工艺线上采用平面工艺和离子注入技术制备。在-25伏偏压下，各条的反向漏电流都<10nA,对前面16条的能量分辨进行了初步测量，得到2.2%的能量分辨率（对5.486MeVα-粒子）。 关键词：平面工艺 双面Si 条探测器 反向漏电流 能量分辨

3 利用双面硅条探测器可以同时在很大的角度范围内对出射产物进行关联测量，从而大大节省宝贵的束流时间。
在不能太多增加束流时间的条件下，对实验测量精度提出了更高要求。特别是在放射性束核物理实验研究中，为了更精确地确定反应产物的空间位置，以及两个出射粒子之间的关联，需要在更大的角度范围内对出射产物进行测量。 利用双面硅条探测器可以同时在很大的角度范围内对出射产物进行关联测量，从而大大节省宝贵的束流时间。

4 双面硅多条两维位置灵敏探测器 及工作原理

5 双面硅多条探测器12# 实物照片 （正面）

6 双面硅多条探测器12# 实物照片 （背面）

7 三、平面工艺技术制备半导体探测器的主要工艺:
根据使用者对不同厚度探测器全耗尽电压的要求而选定不同电阻率的N型Si材料。本研究中所使用的都是双面抛光的直径为10.16cm（4英寸）的优质N型Si片。 主要工艺流程： (1) 表面氧化（钝化），标准的4英寸硅片经清洗后在1030ºC下生成700nm的氧化层。 (2) 光刻探测器灵敏窗口（留下70nm的薄氧化层作为表面注入的保护层）。 (3) 离子注入，探测器开窗的区域注入B+离子，退火形成P-N结。 (4) 去掉基片背面的SiO2层，注入磷离子（高浓度），退火形成欧姆接触。 (5) 注B的P+面刻孔，溅射Al，低温合金形成电极。 (6) 氧化区域反刻去掉Al层。 (7) 注磷的N+面Al金属化 该工艺流程必须在优良的微电子工艺线上完成，每一步都十分重要，要求也非常严格。

8 三、双面Si条两维位置灵敏探测器制备的主要工艺:
Si片材料：双面抛光的直径为10.16cm（4英寸）的优质N型Si片。 主要工艺流程： (1) 表面氧化（钝化），标准的4英寸硅片经清洗后在1030ºC下生成700nm的氧化层。 (2) 根据设计版图，光刻探测器前面灵敏区窗口；（留下70nm的薄氧化层作为表面注入的保护层）。 (3) 离子注入：探测器开窗的一面注入B离子，每个硅条的两端进行高浓度掺杂，退火形成PN结; (4)根据设计版图，光刻探测器背面灵敏区窗口，注入磷离子（高浓度）退火形成欧姆接触； (5)根据设计版图，光刻探测背面N+条之间的隔离区并进行B注入。 (6) P面Si条溅射Al，低温合金形成电极； (7)氧化层区域反刻去掉Al层； (8)N+面Si条溅射Al并合金。 （9）氧化层区域反刻去掉Al层。 除了硅多条制备工艺中所必须严格控制的各种参数和条件外，双面硅多条两维位置灵敏探测器的制备有两个工艺难点：

9 双面硅多条两维位置灵敏探测器的制备有两个工艺难点：
1 相邻N+条之间的硅表面下的电子堆积， 解决办法：“P-STOP”方法； 整个N+面进行P型注入； 采用加适当偏压的MOS结构使电 子层被破坏。

10 双面硅多条两维位置灵敏探测器的制备有两个工艺难点：
2 光刻工艺中的P面和N+面的对准问题和更多的光刻版和光刻次数。光刻次数越多，越容易出问题。

11 1. 探测器的电特性： 表1 编号为7# 芯片各硅条在偏压为20伏和25伏时的漏电流 Si条序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
表1 编号为7# 芯片各硅条在偏压为20伏和25伏时的漏电流 Si条序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 漏电流 (nA) 20V 6.77 6.01 5.96 5.89 7.22 5.81 6.68 5.90 6.31 6.46 6.73 5.99 6.70 6.00 6.65 25V 7.43 6.61 6.57 6.52 8.29 6.48 7.46 6.56 6.69 7.07 7.51 6.63 7.39 7.30

12 表2 编号为7# 芯片背面各N+ 硅条间电阻（0偏压）
Si条 序号 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 电阻 （kΩ) 3.5 3.6 3.7 3.8 3.4

13 双面硅条探测器测试电路方框图

14 双面硅条探测器正面第三条测得的“三组分239Pu源能谱

15 近几年的相关工作 在最近几年，在硅条探测器方面我们还研制了 Si多条探测器， （单面 ）硅多条两维位置灵敏探测器。

16 （二） Si多条探测器： 1．Si多条探测器的结构及工作原理
a) 结构示意图 b) 实物照片 图3：Si多条探测器的结构示意图和实物照片

17 图4：一块芯片上的16硅条探测器的反向漏电流与工作偏压的关系曲线
2. 硅多条探测器的电特性： 硅多条探测器的I-V特性是使用HP4156B半导体参数测试仪在屏蔽探针台中逐条测量而得到的。当反向工作偏压由0V增加到100V（扫描）时，漏电流可动态显示成一条曲线。图4示出了某一块芯片（J3R）上的16硅条探测器的反向漏电流与工作偏压的关系，(室温25℃)，由图可见，这块芯片上的16Si条探测器的反向漏电流均小于3nA。 图4：一块芯片上的16硅条探测器的反向漏电流与工作偏压的关系曲线

18 表1：芯片J3R上16硅条探测器的反向漏电流 (工作偏压50V, 室温25℃)
硅条号 反向漏电流（nA） 1 1.215 9 1.261 2 1.439 10 1.145 3 1.563 11 0.919 4 1.551 12 0.937 5 1.113 13 1.032 6 1.037 14 1.016 7 1.469 15 1.056 8 1.434 16 1.026

19 2. 硅多条探测器的探测特性： 图5 用硅多条探测器（某一条）测得的 图6 用硅多条探测器测得的兰州
图5 用硅多条探测器（某一条）测得的 图6 用硅多条探测器测得的兰州 239Pu-Thc-c’ 粒子能谱（P面入射） 重离加速器SFC的C束流能量

20 （三）Si 多条两维位置灵敏探测器： 1. 单面Si 多条两维位置灵敏探测器: (1) 结构及工作原理：

21 图8：实物照片

22 (2) 探测特性： 图9：32T2芯片上一个硅条的 图10：32T2芯片上一个硅条的 位置谱(239Puα源) 能量谱(239Puα源)

23 2. 双面Si 多条两维位置灵敏探测器: 配上 2×16路前端电子学等电子线路，可形成16×16 =256个像素的两维成像系统。如果条宽提高到1mm,则一块50×50mm2的Si片，可组成具有2250个像素的系统 。

24 谢谢！