ГИБРИДНЫЙ ПИКСЕЛЬНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК - ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЙ, КОНСТРУКЦИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01L31/115 H01L27/146 

Изобретение относится к гибридным пиксельным полупроводниковым фотоприемникам - детекторам ионизирующих излучений (ГПДИИ) и может быть использовано в качестве приемника оптического, рентгеновского, гамма, электронного и других видов радиационных излучений и для получения видеоизображений различных объектов.

В частности, такой детектор может быть использован в медицине, таможенном контроле, контроле качества и неразрушающем контроле материалов, рентгеновской астрономии, спектроскопии, фундаментальных исследованиях синхротронных излучений и т.д.

Известны конструкции гибридных пиксельных детекторов, содержащие первую - кремниевую подложку - пластину, на нижней (верхней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, содержащая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности этих пикселей расположены контактные электроды, и вторую полупроводниковую подложку n^-(p^-) типа проводимости, выполненную из материала, оптимального для поглощения конкретного вида излучения, например германия (Ge) или арсенида галлия (AsGa) [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»; 2. G.D. Hallewell «Development of active pixel vertex detectors for high luminosity particle physics applications original research article», Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, Volume 348, Issues 2-3, 1 September 1994, pages 388-398; 3. United states patent US 7157300 B2 Date of filing 02.01.2007 «Fabrication of thin film germanium infrared sensor by bonding to silicon wafer»; 4. United states patent US 5729020 «Hybrid type infrared detector»; 5. United states patent US 6204087 B1 Date of filing 20.03.2001 «Fabrication of three-dimensional architecture for solid state radiation detectors»; 6. United states patent US 2009 0045346 A1 Date of filing 19.02.2009 «Х-ray imaging device and method for the manufacturing thereof], содержащую на своей нижней (верхней) поверхности сильно легированный n⁺(p⁺) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее верхней (нижней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов или диодов Шоттки, которые через контактные электроды (индиевые столбиковые выводы [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»; 2. G.D. Hallewell «Development of active pixel vertex detectors for high luminosity particle physics applications original research article», Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, Volume 348, Issues 2-3, 1 September 1994, pages 388-398], либо иного материала [3. United states patent US 7157300 B2 Date of filing 02.01.2007 «Fabrication of thin film germanium infrared sensor by bonding to silicon wafer»]) соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на верхней (нижней) поверхности второй подложки. Недостатком таких конструкций детекторов является:

- ограничение координатной разрешающей способности из-за относительно больших размеров контактных электродов пиксель и необходимости топологического совмещения пиксель обеих пластин-подложек;

- относительно высокая стоимость из-за высокого процента брака при совмещении электродов пиксель пластин.

Наиболее близкой по технической сущности является широко распространенная конструкция гибридного пиксельного детектора, представленная в [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»] и [G.D. Hallewell «Development of active pixel vertex detectors for high luminosity particle physics applications original research article», Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, Volume 348, Issues 2-3, 1 September 1994, pages 388-398], которая взята за прототип. Она содержит первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, содержащая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности этих пикселей расположены контактные электроды (столбиковые выводы), и вторую полупроводниковую подложку n^-(p^-) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n⁺(p⁺) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды (столбиковые выводы) соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки.

Недостатком конструкции детектора-прототипа также является:

- ограничение координатной разрешающей способности детекторов из-за относительно больших размеров контактных электродов пикселей ввиду необходимости топологического совмещения пикселей обеих пластин.

Техническим результатом изобретения является повышение координатной разрешающей способности детекторов.

Цель достигается тем, что вторая подложка одного n^-(p^-) типа проводимости, является общей - анодной (катодной) областью и образует с полупроводниковыми контактными электродами n⁺(p⁺) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов.

Известны способы изготовления гибридных пиксельных детекторов [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»; 2. G.D. Hallewell «Development of active pixel vertex detectors for high luminosity particle physics applications original research article», Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, Volume 348, Issues 2-3, 1 September 1994, pages 388-398; 3. United states patent US 7157300 B2 Date of filing 02.01.2007 «Fabrication of thin film germanium infrared sensor by bonding to silicon wafer»; 4. United states patent US 5729020 «Hybrid type infrared detector»], включающие:

- подготовку первой - кремниевой подложки, изготовление на ее поверхности интегральной СБИС - микросхемы с матрицей пикселей с контактными электродами;

- подготовку второй подложки n^-(p^-) типа проводимости и формирование на ее поверхности n⁺(p⁺) сильно легированного слоя;

- утонение второй подложки и изготовление в ней матрицы пикселей - p-i-n-диодов с контактными электродами;

- соединение подложек с топологическим (геометрическим) совмещением соответствующих контактных электродов подложек.

Или способы изготовления детекторов [3. United states patent US 7157300 B2 Date of filing 02.01.2007 «Fabrication of thin film germanium infrared sensor by bonding to silicon wafer»; 4. United states patent US 5,729,020 «Hybrid type infrared detector»], включающие:

- подготовку первой - кремниевой подложки, изготовление на ней интегральной СБИС - микросхемы с матрицей пикселей, формирование на ней контактных электродов (столбиковых выводов);

- подготовку второй подложки и создание на ее нижней (верхней) поверхности сильно легированного n⁺(p⁺) слоя и общего контактного электрода, изготовление на ее верхней (нижней) поверхности матрицы пикселей p-i-n-диодов;

- соединение подложек с совмещением контактных электродов (столбиковых выводов) первой подложки с контактными электродами p-i-n-диодов второй подложки.

Недостатком таких способов изготовления гибридных пиксельных детекторов является: технологическая сложность (соответственно высокая стоимость технологии) создания большого числа межсоединений между пластинами из-за проблемы совмещения контактных электродов, особенно если пластины имеют значительную толщину (300 мкм).

Наиболее близким по технической сущности широко применяемым и обладающим наилучшей технологичностью является способ изготовления детектора, который взят за прототип [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»], включающий:

- подготовку первой - кремниевой подложки, изготовление на ней интегральной СБИС - микросхемы с матрицей пикселей с контактными электродами (столбиковыми выводами);

- подготовку второй подложки и создание на ее верхней (нижней) поверхности сильно легированного n⁺(p⁺) слоя и общего контактного электрода, изготовление на ее нижней (верхней) поверхности матрицы пикселей p-i-n-диодов;

- соединение подложек с совмещением контактных электродов (столбиковых выводов) первой подложки с контактными электродами p-i-n-диодов второй подложки.

Однако при таком способе также существует проблема совмещения соответствующих пикселей пластин.

Техническим результатом изобретения является уменьшение стоимости, повышение надежности и повышение разрешающей способности гибридных пиксельных детекторов.

Цель достигается тем, что контактные электроды первой подложки выполняются из полупроводникового материала сильно легированного примесью n⁺(p⁺) типа, при этом соединение подложек происходит при температуре интенсивной диффузии этой примеси из контактных электродов первой - кремниевой подложки во вторую подложку с одновременным формированием в ней p-i-n-диодов.

С целью надежности работы путем исключения утечек между p-i-n-диодами по поверхности второй подложки, например пластины германия, ее следует пассивировать путем смыкания под давлением, поверхности второй подложки - пластины германия с диэлектриком (оксидом кремния, нитридом кремния и т.д.), расположенном на кремниевом чипе. При этом возможны варианты, в частности, когда:

- контактные электроды выполняются из «твердого» материала, например, поликремния, который углубляется во вторую подложку (пластину) при соединении пластин;

- контактные электроды выполняются ниже уровня поверхности диэлектрика, а во вторую подложку (пластину) углубляется диэлектрик, расположенный на кремниевом чипе.

Изобретение поясняется фиг. 1-6.

На фиг. 1 показана конструкция детектора-прототипа, из которой видно, что раздельное изготовление пластин приводит к проблеме их совмещения и соответственно к браку либо к нежелательному увеличению площади пикселей (ухудшению разрешающей способности).

На фиг. 2 показана конструкция гибридного пиксельного детектора ионизирующих излучений. Она содержит первую - кремниевую подложку - 1 n-типа проводимости, вторую германиевую подложку - 2 n-типа проводимости. На верхней поверхности подложки - 2 расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей - 3 с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности этих пикселей расположены контактные электроды - 4. Вторая германиевая подложка содержит на своей верхней поверхности сильно легированный n⁺-слой - 5 с расположенным на нем металлическим общим катодным электродом - 6, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов - 7, которые через контактные электроды - 4 соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки - 1. Матрица пикселей - 3 содержит n-МОП и р-МОП транзисторы, имеющие соответствующие области карманов - 8, стоков и истоков n-типа - 9, стоков и истоков р-типа - 10, затворов - 11, и выводам к ним - 12, на поверхности кремниевой подложки расположен диэлектрик - 13.

На фиг. 2 показана основная операция изготовления конструкции гибридного пиксельного детектора ионизирующих излучений.

Принцип действия гибридного пиксельного детектора

Квант ионизирующего излучения, например рентгеновского, взаимодействует с атомом материала детектирующей пластины-подложки и генерирует фотоэлектрон, который в свою очередь возбуждает определенное количество внешних электронов (порядка нескольких тысяч) с соседних атомов и таким образом создает облако электронов (и дырок) в области пространственного заряда соответствующего p-i-n-диода, которое под действием электрического поля, приложенного к пластине, создает импульс ионизационного тока.

Импульс тока поступает на вход пикселей матрицы микросхемы считывания, расположенной в кремниевой пластине. Здесь он усиливается КМОП электронными схемами и, если его величина превышает некое пороговое значение, суммируется в счетчике импульсов пикселей.

Различное количество одиночных импульсов, накопленных в матрице пикселей, формируют контрастный образ изображения, т.е. изображение объекта. В экспериментах по дифракции рентгеновских лучей одиночные импульсы пикселей формируют двумерную дифракционную картину рентгеновских лучей, а также они могут быть специально интегрированы или разбиты на интервалы для формирования дифрактограмм.

Пример конкретной технологической реализации

Гибридного пиксельного фотоприемника - детектора излучений состоит в следующих технологических операциях:

- формирование диффузией фосфора n⁺-контактной области в верхней германиевой (или кремниевой) пластине с низкой концентрацией примеси фосфора или бора (10¹⁴ см^-3 - 10¹⁷ см^-3) и осаждение на нее металла общего электрода из алюминия (A1) (фиг. 2, а);

- изготовление в кремниевой пластине КМОП интегральных схем, содержащих матрицы пикселей с входными электродами из сильно легированного бором поликремния (полигермания) (см. фиг. 2, б);

- соединение (сварка) пластин при температуре T=500-800°C интенсивной диффузии примеси из поликремния (полигермания) в германиевую подложку (см. фиг. 2, а).

С целью исключения утечек между p-i-n-диодами по поверхности германия ее можно улучшить - пассивировать - путем смыкания под давлением поверхности германия с диэлектриком (оксидом кремния, нитридом кремния и т.д.), расположенным на кремниевом чипе. При этом возможны варианты, в частности, когда:

- контактные электроды выполняются из «твердого» материала - например, поликремния, который углубляется в германий (фиг. 3);

- контактные электроды выполняются из «мягкого» материала, например, германия, а в германиевую пластину углубляется диэлектрик, расположенный на кремниевом чипе (фиг. 4).

Особенности и преимущества использования

1. Например, для регистрации рентгеновских квантов синхротронных излучений (фотонов) с низкими энергиями 3-10 кэВ возможна конструкция детектора, состоящая из двух кремниевых Si пластин, в которой кремниевая пластина, содержащая электронику, выполняется по технологии «кремний на изоляторе». В этом случае имеется возможность утонения кремниевой пластины до минимальных значений 0,2-0,5 мкм (до оксидного слоя - 14) (фиг. 5).

Для улучшения качества контактов к германию на его поверхность могут быть нанесены молекулярные эпитаксиальные слои кремния (фиг. 6).

2. Важным преимуществом предлагаемого детектора является также отсутствие экранирования излучения индиевыми электродами (столбиковыми выводами), которое имеется в традиционных гибридных детекторах.

3. При попадании рентгеновского излучения с лицевой стороны германиевой пластины имеется возможность получения максимально высокой квантовой эффективности (около 98%) и координатного разрешения (размера пикселей) - менее 20 мкм, что существенно превышает аналогичные параметры выпускаемых детекторов, мирового лидера - компании DECTRIS Ltd (соответственно 80% и 172 мкм) (https://www.dectris.com/products.html).

4. Использование германиевой Ge - детектирующей подложки позволяет получить для рентгеновских излучений диапазона 10-35 кэВ квантовую эффективность 98% и координатную разрешающую способность не хуже 20 мкм, а для диапазона 30-150 кэВ не хуже 80% и 100 мкм соответственно, что удовлетворяет предельным требованиям, предъявляемым к детекторам медицинского назначения (табл. 1).

5. Исключение совмещения пластин и отказ от дорогого материала индиевых столбов приводит к существенному уменьшению стоимости детектора и повышению качества полученных изображений.

На фиг. 7 показана блок-схема технологической реализации конструкции гибридного пиксельного детектора ионизирующих излучений.

Изобретение может быть использовано в медицине, кристаллографии, ядерной физике и т.д. Гибридный пиксельный фотоприемник согласно изобретению содержит первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности пикселей расположены контактные электроды и она содержит вторую полупроводниковую подложку n^-(p^-) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n⁺(p⁺) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки, при этом вторая подложка одного n^-(p^-) типа проводимости является общей - анодной (катодной) областью и она образует с полупроводниковыми контактными электродами p⁺(n⁺) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов. Изобретение обеспечивает повышение координатной разрешающей способности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

1. Гибридный пиксельный фотоприемник, содержащий первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности пикселей расположены контактные электроды и она содержит вторую полупроводниковую подложку n^-(p^-) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n⁺(p⁺) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки, отличающаяся тем, что вторая подложка одного n^-(p^-) типа проводимости является общей - анодной (катодной) областью и она образует с полупроводниковыми контактными электродами p⁺(n⁺) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов.

2. Способ изготовления гибридного пиксельного фотоприемника по п. 1, включающий подготовку первой - кремниевой подложки, изготовление на ней интегральной СБИС - микросхемы с матрицей пикселей, формирование контактных электродов, подготовку второй подложки, создание на ее верхней (нижней) поверхности сильно легированного n⁺(p⁺) слоя и общего контактного электрода, соединение подложки, отличающийся тем, что контактные электроды первой подложки выполняют из полупроводникового материала сильно легированного примесью p⁺(n⁺) типа, при этом соединение подложек происходит при температуре интенсивной диффузии этой примеси из контактных электродов первой - кремниевой подложки во вторую подложку с одновременным формированием в ней p-i-n-диодов.

3. Способ изготовления по п. 2, отличающийся тем, что поверхность второй подложки пассивируют путем смыкания (контактирования) поверхности второй подложки с диэлектриком, расположенным на кремниевой подложке.

4. Способ изготовления по п. 3, отличающийся тем, что контактные электроды выполняют из поликремния, который углубляют в материал второй подложки при соединении подложек.

5. Способ изготовления по п. 3, отличающийся тем, что контактные электроды выполняют ниже уровня поверхности диэлектрика, расположенного на кремниевой подложке, а во вторую подложку углубляется диэлектрик, расположенный на кремниевой подложке.