双面漂浮环的三维沟槽电极探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电探测器领域，特别一种双面漂浮环的三维沟槽电极探测器及其制备方法。

背景技术

三维沟槽电极硅探测器摆脱了芯片厚度的限制，电极间距可实现自由调节，耗尽电压可远小于平板型探测器。但对于中央电极贯穿式3D探测器，由于表面电荷存在，电极上下表面附近均存在较高的电场，中央电极底部电场分布不均匀(如图1所述的电场分布图)，电场较低，影响载流子收集。即使采用如图2所示的漂浮环设计，无法对电极底部高电场进行缓解或电极底部仍然存在高电场提前击穿的可能性。为此，提出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种双面漂浮环的三维沟槽电极探测器及其制备方法，以解决底部电场分布不均、存在探测死区、电极上下表面提前击穿等技术问题。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。

本发明的第一方面提供了一种双面漂浮环的三维沟槽电极探测器，包括：

衬底，以及设置在所述衬底中央的中央电极，设置在所述衬底外周的沟槽电极，所述沟槽电极呈环形；

在所述衬底的上表面以及下表面上均设置有多重漂浮环，所述多重漂浮环位于所述中央电极和所述沟槽电极之间。

进一步地，所述多重漂浮环的漂移电极呈环形。

进一步地，所述中央电极贯穿所述衬底。

进一步地，还包括分别电连接所述沟槽电极、中央电极的沟槽电极引出端和中央电极引出端，所述沟槽电极引出端和中央电极引出端分别设置在所述衬底的上表面和下表面。

进一步地，所述沟槽电极具有中央空腔。

进一步地，所述衬底的下表面的多重漂浮环中的至少一个漂移电极具有金属化的表面。

本发明的第二方面提供了一种双面漂浮环的三维沟槽电极探测器的制备方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底的外周刻蚀环形沟槽；

在所述环形沟槽内形成环形的沟槽电极；

分别在所述衬底的上下表面形成多重漂浮环；

在所述衬底的中央刻蚀深沟槽，并在深沟槽内形成中央电极，且使所述多重漂浮环位于所述中央电极和所述沟槽电极之间。

进一步地，形成所述沟槽电极的方法包括：

对所述环形沟槽的侧壁进行离子注入，然后在环形沟槽的侧壁及底壁覆盖氧化物层，使所述环形沟槽内充满氧化物或留有空腔。

进一步地，形成所述沟槽电极的方法包括：在所述环形沟槽内填充原位掺杂的多晶硅。

进一步地，还包括：在所述衬底的上下表面分别形成所述沟槽电极的电极引出端、所述中央电极的电极引出端。

与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

(1)采用双面设置漂移电极的方式解决了底部探测死区、底部电场分布不均、电极上下表面提前击穿等问题。

(2)通过将中央电极和沟槽电极的引出端设置于不同方向实现了读出电路和电源电路分离的效果，更利于金属布线，提高产品良率以及使用寿命。

(3)合理布局沟槽内的空腔以改善衬底的应力平衡问题，提高了产品稳定性。

附图说明

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。

图1为现有中央电极贯穿式三维沟槽电极硅探测器工作中底部电场分布图；

图2为现有单面漂浮环三维沟槽电极硅探测器的结构图；

图3至9为本发明提供的双面漂浮环的三维沟槽电极探测器制备工艺中各步骤形成的结构示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

如背景技术所述，现有的三维沟槽电极探测器仍存在表面电场高、底部电场分布不均的问题，为此，本发明设计了具有“双面漂浮环”的三维沟槽电极探测器，其在衬底的上下两面均设置了漂移电极，当漂移电极呈环形时，称为“双面漂浮环”，具体介绍如下。

如图9所示的探测器，其包括：衬底1，以及设置在所述衬底1中央的中央电极9，设置在所述衬底1外周的沟槽电极2，所述沟槽电极2呈环形。

其中，在所述衬底的上表面以及下表面上均设置有多重漂浮环，上表面的多重漂浮环包括至少一个漂移电极7，下表面包括至少一个漂移电极13，所述多重漂浮环位于所述中央电极9和所述沟槽电极2之间。

如上文所述，多重漂浮环指包含至少一个漂移电极，通常由多个组成，并且上表面与下表面设置的漂移电极的数量可以相同或不同，图3列举的探测器上下表面设有不同数量的漂移电极。另外，漂移电极可以采用典型的环形结构，即俗称“漂浮环”。

与现有的单面漂移电极探测器相比，本发明采用“双面漂移电极”设计，这样更进一步降低了表面的电场，使中央电极底部的电场分布更均匀，更有利于载流子的充分和高效率收集。

对于上述双面漂移设计的探测器，其采用的材料及各电极、衬底的掺杂类型应产品用途而定，本发明对此并没有特殊限定。

例如，衬底1可以是硅基衬底，例如体硅、SOI、应变硅、超纯高阻硅、外延硅、GeSi中的一种，也可以采用三五族材料，也可以是叠层材料。

沟槽电极2可以是P型掺杂或N型掺杂，相应地，中央电极9为N型掺杂或P型掺杂。漂移电极7、13则可以任选P型掺杂或N型掺杂。掺杂的浓度及化学元素也是任选的，或者根据产品用途而定。

沟槽电极2可以是对衬底1刻蚀后填充的掺杂多晶硅，也可以是刻蚀后的离子注入形成。另外，由于现有的三维探测器还存在因沟槽高深宽比导致的应力大、结构不稳定的问题，因此本发明还可以对沟槽电极2的结构进一步改进，例如如图9所示的沟槽电极中央留有中央空腔4，以减小应力。当然，若不考虑此因素，沟槽电极2也可以充满掺杂半导体或者在掺杂后充满氧化物等绝缘材料(典型的为氧化硅)。另外，对于沟槽电极的“环形”形状特点不作特别限制，可以是规则的圆环、椭圆环、正方形环、多边形环等等。

中央电极9则可以完全贯穿衬底1，这样可以减少底部探测死区。

对于沟槽电极2和中央电极9的电路引出端，二者分别作为电源电路和读出电路的引出端，优选分别设置在衬底的相对的两个表面，以实现读出电路与电源电路分离，便于金属布线，提高电荷收集效率。例如图3所列举的，沟槽电极引出端8和中央电极引出端14分别设置在所述衬底1的上表面和下表面。

另外，对于中央电极9没有完全贯穿衬底1(没有相应附图)的探测器而言，存在衬底1其中一个表面的多重漂浮环距离中央电极9较远的问题，这样会降低场强，为此，对于远离中央电极多重漂浮环，优选对其中至少一个漂移电极的表面进行金属化处理。

对于多重漂浮环中的每个漂移电极，可以独立地选择其适合的形状，例如规则的圆环、椭圆环、正方形环、多边形环、螺旋环等等。

对于本发明各结构的尺寸不作特别限制。对于厚度为500μm的衬底，可能合适的漂移电极间距为135μm左右，沟槽电极深度达300μm左右，适于94V的外加电压，或者电极间距500μm适于350V外加电压等。以上仅为列举，并不对本发明的保护范围造成限制。

另外，本发明对中央电极的阵列形状也不做任何限制。

对于获得上述任意方案的双面漂浮环的三维沟槽电极探测器的制备方法有很多种，本发明提供了其中优选的一种，具体如下。

步骤s1，在提供的衬底1的外周刻蚀环形沟槽，此处以沟槽开口朝上为例，实际上本发明对沟槽的开口方向并不限制。这一步可以采用典型的光刻和刻蚀结合的方式，包括掩膜、曝光、显影等工序，也可以采用其他气体刻蚀、等离子体刻蚀等手段。

步骤s2，在步骤s1得到的环形沟槽内中形成环形的沟槽电极。形成手段包括离子注入或填充原位掺杂的多晶硅等，只要能满足沟槽电极导电性能的材料均可，本发明不作特别限制。另外，由于本发明的三维探测器的沟槽电极通常具有较大的深宽比，因此在填充时需要注意填充的均匀性。在形成电极后还可以覆盖一层氧化膜，以起到绝缘保护作用。

对于离子注入方式形成电极的方法可以采用如下步骤：

步骤s2a1，对所述环形沟槽的侧壁进行离子注入；注入浓度及元素类型根据产品性能要求而定。离子注入后完成了掺杂，改变了导电性，即将沟槽侧壁及底壁的浅表层转为沟槽电极2。

步骤s2a2，然后在环形沟槽的侧壁及底壁覆盖氧化物层3，一起到绝缘保护作用，同时平衡衬底的机械应力，氧化物可以是典型的氧化硅等材料。氧化物层的膜厚可以适当调整，最终使所述环形沟槽内充满氧化物或留有中央空腔4(如图4所示的结构)。充满氧化物的工艺更加简单，而留有中央空腔的工艺可以进一步平衡衬底的机械应力，有利于提高器件的机械稳定性。

对于原位掺杂多晶硅形成电极的方式，可以采用如下步骤：

步骤s2b1，直接在环形沟槽内沉积多晶硅，同时原位掺杂，多晶硅的厚度可自由调节。

任选步骤s2b2，覆盖氧化物膜，同步骤s2a2。

接下来步骤s3，在所述衬底1的上表面形成多重漂浮环，这一步由于漂移电极呈图案化分布，因此需要分步进行，具体可采用如下步骤。

步骤s301，在衬底的上下表面形成介质层5(如图3所示)，该介质层5可以是氧化硅、氮氧化硅或者其他绝缘性良好且刻蚀选择比高的材料。

步骤s302，对上表面的介质层5进行图案化处理，打开一个或多个窗口6，如图4所示的结构，以备形成一个或多个漂移电极。每个窗口6的形状根据漂移电极的形状而定，以典型的环形漂移电极为例，窗口6则为环形。图案化处理的手段可以干法刻蚀或湿法腐蚀等。

步骤s303，在步骤s302形成的窗口6中注入离子(例如硼、磷、砷等)，调节参数控制注入剂量、深度，即可形成一个或多个漂移电极7组成的上表面多重漂浮环，如图5所示。这一步还可以任选在离子注入后在窗口内填充氧化物，起到支撑作用。

步骤s304，形成沟槽电极引出端8，如图6所示。为了减少生产过程中衬底来回翻转的次数，当沟槽电极的电极引出端设于上表面时，可以先进行该步。当然也不排除先进行后续下表面漂移电极的制作再形成沟槽电极引出端的方案。

接下来步骤s4，在所述衬底1的中央刻蚀深沟槽，该深沟槽可以贯穿或不贯穿衬底，优选贯穿衬底1，并且优选开口设在下表面，效果同上文产品所介绍。

步骤s5，在深沟槽内形成中央电极9，且使所述多重漂浮环位于所述中央电极9和所述沟槽电极2之间。这一步的具体工序可以参照步骤s2a1至s2a2或者步骤s2b1至s2b2，即沟槽内形成中央电极9，其表面覆盖有氧化物层10，中央留有空腔11，如图7所示。

步骤s6，对衬底1下表面的介质层进行图案化处理，打开一个或多个窗口12，以备形成一个或多个漂移电极。每个窗口12的形状根据漂移电极的形状而定，以典型的环形漂移电极为例，窗口12则为环形。图案化处理的手段可以干法刻蚀或湿法腐蚀等。

步骤s7，在步骤s6形成的窗口中注入离子(例如硼、磷、砷等)，调节参数控制注入剂量、深度，即可形成一个或多个漂移电极13组成的下表面漂浮环，如图8所示。这一步还可以任选在离子注入后在窗口内填充氧化物，起到支撑作用。

步骤s8，形成中央电极引出端14，如图9所示。这一步也可以在形成下表面漂浮环之前进行。实际生产中根据需要适应性调整。

任选步骤s9，对衬底下表面的漂移电极13进行表面金属化处理。该处理对于中央电极没有贯穿衬底的产品具有突出优势。以衬底下表面的漂移电极距离中央电极更远为例，通过对表面的漂移电极金属化处理可以增大下表面的场强，提高载流子的收集效果。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。