具有輻射屏蔽的半導(dǎo)體探測(cè)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的實(shí)施方式涉及具有輻射屏蔽的半導(dǎo)體探測(cè)器。一種半導(dǎo)體輻射探測(cè)器包括半導(dǎo)體材料的主體層。在所述主體層的第一側(cè)上為場(chǎng)電極以及用于從所述主體層收集輻射誘發(fā)的信號(hào)電荷的收集電極的布置。輻射屏蔽存在于所述主體層的與所述第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)上，該輻射屏蔽選擇性地與所述收集電極的位置重疊。
【專利說明】具有輻射屏蔽的半導(dǎo)體探測(cè)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的一般【技術(shù)領(lǐng)域】。特別地，本發(fā)明涉及使得半導(dǎo)體 輻射探測(cè)器在操作中更準(zhǔn)確、更可靠且更為魯棒的任務(wù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 漂移探測(cè)器是在一種半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，其中在一塊半導(dǎo)體材料內(nèi)產(chǎn)生的橫向電 場(chǎng)將輻射誘發(fā)的信號(hào)電荷驅(qū)動(dòng)至收集電極。所公知的是SDD或硅漂移探測(cè)器，其中半導(dǎo)體 材料是具有非常低的泄漏電流的高純度硅，并且橫向電場(chǎng)由其表面上同心環(huán)狀或同心弧狀 場(chǎng)電極所產(chǎn)生。收集電極是接近于電極環(huán)的共同中心點(diǎn)定位的陽(yáng)極。
[0003] 對(duì)于SDD而言，已知有兩種基本的電極布局。更為傳統(tǒng)的SDD是環(huán)形的，具有位于 中心處的收集陽(yáng)極。最近已經(jīng)引入了所謂的液滴狀SSD，其具有一個(gè)寬的末端和一個(gè)尖的末 端。電極環(huán)跨大的末端展開，而收集電極則相對(duì)接近于窄的一端進(jìn)行定位。
[0004] 通常包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET)的放大器經(jīng)常與SDD相結(jié)合，這通過直接將其構(gòu)建 到同一件半導(dǎo)體材料中或者通過將其與SDD芯片相結(jié)合，例如通過鍵合至其表面上的接觸 焊盤的凸塊。SDD中的電極環(huán)為p+半導(dǎo)電類型并且它們通過離子注入而制成。通常由二氧 化硅所制成的電絕緣層覆蓋SDD芯片的承載電極環(huán)、收集陽(yáng)極和放大器（如果存在）的一 側(cè)。
[0005] 雖然輻射探測(cè)器的任務(wù)是吸收輻射，但是其與所有半導(dǎo)體設(shè)備一樣受到隨時(shí)間 所吸收的離子化輻射的不利影響。作為輻射導(dǎo)致的老化的示例，在粒子注入P +環(huán)之間的 Si02-Si界面處的表面生成電流通過輻射而有所增大。而且，并不表現(xiàn)為與所述表面電流 相關(guān)的其它類型的輻射導(dǎo)致的老化隨時(shí)間而發(fā)展，減弱了測(cè)量準(zhǔn)確性并最終導(dǎo)致需要更換 整個(gè)探測(cè)器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 以下給出簡(jiǎn)化的概要以便提供對(duì)各個(gè)發(fā)明實(shí)施例的一些方面的基本理解。該發(fā)明 內(nèi)容并非是本發(fā)明的擴(kuò)展性概述。其并非意在標(biāo)識(shí)出本發(fā)明的關(guān)鍵或必要要素也并非對(duì)本 發(fā)明的范圍加以描繪。以下
【發(fā)明內(nèi)容】
僅是以簡(jiǎn)化形式給出本發(fā)明的一些概念，作為對(duì)本發(fā) 明的示例實(shí)施例的更為詳細(xì)的描述的前序。
[0007] 依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，其包括：
[0008] -半導(dǎo)體材料的主體層，
[0009] -在所述主體層的第一側(cè)上的場(chǎng)電極和用于從所述主體層收集輻射誘發(fā)的信號(hào)電 荷的收集電極的布置，和
[0010]-在所述主體層的與所述第一側(cè)相反的第二側(cè)上的輻射屏蔽，該輻射屏蔽選擇性 地與所述收集電極的位置重疊。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)，通過防止或減少了介電損耗的由于在陽(yáng)極區(qū)域附近的輻 射導(dǎo)致的缺陷而導(dǎo)致的增加，而避免或至少明顯降低由于老化所引起的不利影響。最為有 利的是，還防止或減少了在放大器組件中自然發(fā)生的1/f噪聲的輻射導(dǎo)致的增加。
[0012] 本發(fā)明的這些和另外的目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)通過針對(duì)到來的輻射至少對(duì)陽(yáng)極區(qū)域（或者 更一般地，收集電極區(qū)域）進(jìn)行屏蔽而得以實(shí)現(xiàn)。最為有利地，如果放大器鄰近陽(yáng)極區(qū)域進(jìn) 行定位，則相同的輻射屏蔽還對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。該屏蔽可以包括所定位的相對(duì)沉重的材料而 使得其中斷到來的輻射向陽(yáng)極區(qū)域和放大器的傳播。
[0013] 在本專利申請(qǐng)中所給出的本發(fā)明的示例性實(shí)施例并不被解釋為對(duì)所附權(quán)利要求 的應(yīng)用性加以限制。動(dòng)詞"包括"在本專利申請(qǐng)中被用作開放式限制，其并不排除還存在未 被記載的特征。除非另外明確指出，否則從屬權(quán)利要求中所記載的特征可互相自由組合。
[0014] 被認(rèn)為作為本發(fā)明特性的新穎特征特別在所附權(quán)利要求中給出。然而，當(dāng)結(jié)合附 圖閱讀時(shí)，作為其構(gòu)造及其操作方法的本發(fā)明自身連同其附加目標(biāo)和優(yōu)勢(shì)一起將從以下對(duì) 具體實(shí)施例的描述中獲得最佳理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1圖示了硅漂移探測(cè)器，
[0016] 圖2圖示了半導(dǎo)體輻射探測(cè)器中的輻射屏蔽的原理，
[0017] 圖3圖示了另一個(gè)半導(dǎo)體輻射探測(cè)器中的輻射屏蔽的原理，
[0018] 圖4圖示了另一個(gè)半導(dǎo)體輻射探測(cè)器中的輻射屏蔽的原理，
[0019] 圖5至8圖示了層狀輻射屏蔽的各種結(jié)構(gòu)化解決方案，
[0020] 圖9和10圖示了被單獨(dú)支撐的輻射屏蔽的各種結(jié)構(gòu)化解決方案，以及
[0021] 圖11圖示了液滴形態(tài)的探測(cè)器中的輻射屏蔽。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 圖1是圖示出SDD的一般結(jié)構(gòu)的熟悉的部分剖切圖，SDD在此用作半導(dǎo)體輻射探 測(cè)器的示例。其包括半導(dǎo)體材料的主體層101。在主體層的第一側(cè)上，在這里是上側(cè)，半導(dǎo) 體輻射探測(cè)器包括同心的場(chǎng)電極102和位于中心的收集電極103的布置。主體層101可以 是n_半導(dǎo)電類型的高純度硅，在這種情況下，場(chǎng)電極102可以是p+半導(dǎo)電類型的離子注入。 n_半導(dǎo)電類型的主體層101中的信號(hào)電荷是電子，并且收集電極103的任務(wù)是收集輻射誘 發(fā)的信號(hào)電荷，為此原因，收集電極103可以被稱作陽(yáng)極。它例如可以是n+半導(dǎo)電類型的 環(huán)形離子注入半導(dǎo)體區(qū)域。
[0023] 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器還包括與陽(yáng)極相鄰的放大器。在圖1的情況下，該放大器包括 直接構(gòu)建到同一芯片之中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。附圖標(biāo)記104總體上指代構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 源極、漏極和柵極的離子注入?yún)^(qū)域。例如可以作為P+半導(dǎo)電類型的離子注入層或者主體層 的后表面上的金屬層的后側(cè)接觸層105覆蓋主體層的相對(duì)一側(cè)。
[0024] 圖2示意性圖示了使用輻射屏蔽201來保護(hù)緊鄰收集電極103之處免于輻射導(dǎo)致 的損壞的原理。在本發(fā)明所引起的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)過長(zhǎng)暴露于到來的輻射導(dǎo)致位于收集電極 附近的半導(dǎo)體材料中的介電損耗的增加；特別是在陽(yáng)極和最內(nèi)側(cè)的場(chǎng)電極之間。圖2中示 意性圖示的原理涉及將輻射屏蔽201放置在主體層101的另一側(cè)，即放置在與陽(yáng)極所處一 側(cè)相對(duì)的一側(cè)。這是輻射所來自的一側(cè)；我們因此考慮所謂的后側(cè)照射輻射探測(cè)器。
[0025] 所說的輻射屏蔽處于主體層的另一側(cè)上并不涉及到輻射屏蔽與主體層的恰好的 表面的確切關(guān)聯(lián)的任何位置。隨后將更為詳細(xì)地考慮關(guān)于主體層表面放置輻射屏蔽的各個(gè) 可替換實(shí)施例。
[0026] 輻射屏蔽201選擇性地與收集電極103的位置重疊。重疊意味著如果將輻射屏蔽 的輪廓在到來輻射的主要傳播方向上投射到主體層中收集電極所處的那一側(cè)，則所投射的 輪廓環(huán)繞能夠觀察到介電損耗有所增加的大部分區(qū)域。這是收集電極的區(qū)域，以及將收集 電極與最接近的場(chǎng)電極分隔開的電介質(zhì)材料的分區(qū)。重疊是選擇性的意味著輻射屏蔽允許 到來的輻射以盡可能大的程度到達(dá)主體層的其它部分：輻射屏蔽這樣設(shè)計(jì)而使得其令收集 電極區(qū)域處于陰影之中而緊鄰其的周邊則并非更多地處于陰影中。例如，在同心環(huán)形狀的 場(chǎng)電極的情況下，屏蔽效應(yīng)并不進(jìn)一步擴(kuò)展至最內(nèi)側(cè)的場(chǎng)電極環(huán)之外。
[0027] 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器可以包括放大器，其可以包括與收集電極相鄰的場(chǎng)效應(yīng)晶體 管。在這樣的情況下，有利的是使得輻射屏蔽還與放大器的實(shí)質(zhì)性部分的位置相重疊。如 果在探測(cè)器所要測(cè)量的到來輻射的能量易于出現(xiàn)輻射所導(dǎo)致的損壞，則放大器部分在這方 面是必要的。例如，在圖3所示的結(jié)構(gòu)中，收集電極103是環(huán)形陽(yáng)極，在其內(nèi)部是一體構(gòu)建 的FET，包括共同被稱作301的源極、柵極和漏極區(qū)域。收集電極103導(dǎo)電地耦合至它們之 一，例如柵極區(qū)域。盆區(qū)域302將FET與其余半導(dǎo)體材料的分隔開。僅在圖3中示意性示 出的屏蔽303足夠大而使得其與收集電極的位置和放大器組件的位置都發(fā)生重疊。
[0028] 圖4是又一個(gè)示意性圖示，其中與收集電極103相鄰定位的放大器包括構(gòu)建到單 獨(dú)芯片401之中的FET，該單獨(dú)芯片401通過凸塊鍵合而機(jī)械且電連接至主探測(cè)器芯片。這 樣，單獨(dú)芯片104可以遠(yuǎn)大于僅是構(gòu)成FET的植入?yún)^(qū)域，但是由于FET區(qū)域特別易于由于輻 射暴露而增加 Ι/f噪聲，所以對(duì)于屏蔽402(其同樣僅是示意性示出）而言，與實(shí)際放大器 的位置重疊就足矣。
[0029] 以上所有涉及到輻射屏蔽的有利大小及其與收集電極以及可能的放大器的位置 的重疊可應(yīng)用于以下如何實(shí)際實(shí)施輻射屏蔽的示例。
[0030] 圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的包括輻射屏蔽的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的示意性截 面圖。示出了主體層101和后側(cè)接觸層105,但是主體層前側(cè)上的電極結(jié)構(gòu)出于圖形上清楚 的原因而被省略。輻射屏蔽501是直接附接至還包括主體層101的同一件材料的材料層。 特別地，在圖5中，所述"一塊材料"是探測(cè)器芯片，其中已經(jīng)在主體層101的一個(gè)表面上形 成了后側(cè)接觸層105。輻射屏蔽501可以利用薄膜沉積技術(shù)形成為在后側(cè)接觸層105的表 面上的涂覆層，或者其可以是粘合或以其它方式附接至后側(cè)接觸層的一件材料。例如，可以 使用粘合劑附接一件之前制造的箔就位，或者例如可以對(duì)箔進(jìn)行焊接使其就位。
[0031] 在圖6的實(shí)施例中，后側(cè)接觸層105同樣位于主體層101的后側(cè)表面上。福射屏 蔽是處于后側(cè)接觸層105上的層堆疊中的層601。所述堆疊中的其它層可以具有各種功能， 包括但并不局限于：增強(qiáng)層材料之間的附接；吸收次級(jí)輻射；成形輻射屏蔽的吸收譜。
[0032] 圖7圖示了針對(duì)目前所討論的概念的一些重要概括。首先，輻射屏蔽701并不需 要是連續(xù)的而是可以包括開口。在這種情況下，我們假設(shè)收集電極（未示出）在形式上是 環(huán)形的，但是其內(nèi)部并沒有放大器的明顯部分或者輻射屏蔽無需對(duì)放大器進(jìn)行屏蔽。因此， 輻射屏蔽701可以具有環(huán)形形式。第二，如果在探測(cè)器芯片的后側(cè)存在輻射屏蔽以外的其 他層，則并非所有分層都需要具有相同的橫向尺寸。在該示例中，電絕緣層702基本上覆蓋 整個(gè)后側(cè)接觸層，并且因此在橫向尺寸上明顯大于輻射屏蔽701。
[0033] 圖8圖示了另一個(gè)可替換實(shí)施例，其中輻射屏蔽801位于主體層101和后側(cè)接觸 層105之間。在制造過程中，這意味著輻射屏蔽首先被形成在主體層的后表面上，優(yōu)選地利 用薄膜沉積技術(shù)，并且隨后僅形成后側(cè)接觸層。
[0034] 輻射屏蔽無需與探測(cè)器芯片的后側(cè)直接接觸。圖9和10圖示了一些結(jié)構(gòu)替換形 式，其中輻射屏蔽是在主體層的第二側(cè)上進(jìn)行支撐并且通過空的空間與之間隔開的單獨(dú)的 一件材料。圖9的實(shí)施例包括三個(gè)支撐輻條901，其在中間從輻射屏蔽902向外徑向延伸。 支撐輻條的遠(yuǎn)端附接至探測(cè)器芯片的邊緣，或者附接至其它周邊結(jié)構(gòu)，使得輻射屏蔽在這 樣的位置保持就位，其在該位置選擇性地與至少收集電極（圖9中未示出）的位置重疊。根 據(jù)如材料剛性、所要求的陰影最小化和所要求的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之類的因素，可以有一個(gè)或多 個(gè)這樣的支撐輻條。在圖10的實(shí)施例中，利用堅(jiān)直支撐而實(shí)現(xiàn)相同的效果，該堅(jiān)直支撐將 輻射屏蔽1001附接至在半導(dǎo)體芯片的表面上直接處于其下方的點(diǎn)。
[0035] 輻射屏蔽的材料（多種）和厚度應(yīng)當(dāng)根據(jù)一組標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。首先，輻射屏蔽在 半導(dǎo)體輻射探測(cè)器的使用期間應(yīng)當(dāng)在將會(huì)最常遇到的能量范圍中有效地衰減到來的輻射。 第二，輻射屏蔽不應(yīng)當(dāng)使得可能會(huì)對(duì)實(shí)際到來輻射的檢測(cè)造成干擾的次級(jí)輻射的數(shù)量明顯 增加。第三，輻射屏蔽的材料應(yīng)當(dāng)與用來制造探測(cè)器芯片并且完成輻射探測(cè)器組裝的工藝 相兼容。為了有效衰減輻射，輻射屏蔽優(yōu)選地包括比鋁更重（即，具有更大原子序數(shù)）的材 料。用于輻射屏蔽的有利材料包括但并不局限于諸如金、鉬、鈀、鋯、鑰、銀、銦、錫、鉭、鎢、 銥、鉍之類的相對(duì)重的金屬。
[0036] 截至目前所描述的實(shí)施例假設(shè)主體層被成形為圓形盤，并且場(chǎng)電極構(gòu)成一組同心 環(huán)，從而特定大小的每個(gè)場(chǎng)電極環(huán)繞所有其它的在尺寸上更小的場(chǎng)電極。而且，假設(shè)收集電 極位于既是場(chǎng)電極的中心點(diǎn)又是主體層的側(cè)面的中心點(diǎn)的共同中心點(diǎn)或者與其鄰近。以這 樣的配置，現(xiàn)有技術(shù)的探測(cè)器的收集電極區(qū)域最易于受到輻射所導(dǎo)致的老化的影響。在實(shí) 行的探測(cè)器中，圓盤形式的探測(cè)器芯片并非必然是圓形的，其例如可能是矩形、六邊形或八 邊形；或者其可以具有一些其它形狀。而且，場(chǎng)電極并非必然是圓形環(huán)。其中場(chǎng)電極例如是 六邊形或八邊形的探測(cè)器是已知的。
[0037] 在其中探測(cè)器芯片具有大的末端和尖的末端并且收集電極位于尖的末端的液滴 狀探測(cè)器中，輻射窗口的邊緣無論如何都可能覆蓋陽(yáng)極區(qū)域（雖然并非是選擇性的，這是 因?yàn)檩椛浯翱诘倪吘壱哺采w相同結(jié)構(gòu)的大的其它部分），因此不需要單獨(dú)的輻射屏蔽。然 而，有可能的是陽(yáng)極區(qū)域或其緊鄰之處可能朝向探測(cè)器活動(dòng)區(qū)域遠(yuǎn)地延伸以致于以上提到 的輻射所導(dǎo)致的不利效果中的一些實(shí)際出現(xiàn)。
[0038] 圖11圖示了以上所解釋的原理可以被外延至液滴狀探測(cè)器的方式。探測(cè)器芯片 1101是液滴狀的，并且在其尖的末端或接近尖的末端之處包含收集電極區(qū)域1102。在所完 成的探測(cè)器組件中，輻射窗口 1103將被置于探測(cè)器芯片1101之上，該輻射窗口包括在基本 上使得所有輻射衰減的材料的框架中支撐的可忽略衰減的窗口箔。遵循以上所描述的原 貝1J，框架包括延伸1104,其如此形成而使得其在所完成的輻射探測(cè)器組件中選擇性地與收 集電極區(qū)域1102重疊。
【權(quán)利要求】
1. 一種半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，包括： -半導(dǎo)體材料的主體層； -在所述主體層的第一側(cè)上的場(chǎng)電極和用于從所述主體層收集輻射誘發(fā)的信號(hào)電荷的 收集電極的布置，和 -在所述主體層的與所述第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)上的輻射屏蔽，所述輻射屏蔽選擇性地 與所述收集電極的位置重疊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，包括與所述收集電極相鄰的放大器，其中所 述輻射屏蔽還與所述放大器的實(shí)質(zhì)性部分的位置重疊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，其中所述輻射屏蔽是直接附接至也包括所述 主體層的同一件材料的表面的材料層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，包括在所述主體層的所述第二側(cè)表面上的后 側(cè)接觸層，其中所述輻射屏蔽是在所述后側(cè)接觸層上的涂覆層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，包括在所述主體層的所述第二側(cè)表面上的后 側(cè)接觸層，其中所述輻射屏蔽是在所述后側(cè)接觸層上的層堆疊中的層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，包括在所述主體層的所述第二側(cè)表面上的后 側(cè)接觸層，其中所述輻射屏蔽是粘合或以其它方式附接至所述后側(cè)接觸層的一件材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，其中所述輻射屏蔽是支撐在所述主體層的所 述第二側(cè)上并且通過空的空間與所述第二側(cè)間隔開的單獨(dú)的一件材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，包括從所述輻射屏蔽向外延伸的一個(gè)或多個(gè) 支撐輻條。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，其中所述輻射屏蔽包括比鋁更重的材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，其中所述輻射屏蔽包括從以下項(xiàng)中選擇的 金屬：金、銷、鈕、錯(cuò)、鑰、銀、鋼、錫、組、鶴、依和秘。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，其中所述輻射屏蔽包括多個(gè)不同材料的層， 所述不同材料之一是從以下項(xiàng)中選擇的金屬：金、鉬、鈀、鋯、鑰、銀、銦、錫、鉭、鎢、銥和鉍。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體輻射探測(cè)器，其中： -所述主體層被成形為圓盤， -所述場(chǎng)電極構(gòu)成一組同心環(huán)，從而特定大小的每個(gè)場(chǎng)電極環(huán)繞所有其它的在尺寸上 更小的場(chǎng)電極，并且 -所述收集電極位于既是所述場(chǎng)電極的中心點(diǎn)又是所述主體層的側(cè)面的中心點(diǎn)的共同 中心點(diǎn)處或者與所述共同中心點(diǎn)鄰近。
【文檔編號(hào)】H01L27/144GK104215996SQ201410225306
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月31日
【發(fā)明者】H·安德森, P·科斯塔莫, V·卡瑪萊南, S·南諾南 申請(qǐng)人:牛津儀器分析公司