专利名称：利用晶圆间结合的中子检测器的制作方法
技术领域：
本公开一般地涉及半导体器件。
背景技术：
中子粒子检测是一种用于裂变核材料检测的方法。因为中子无任何电荷，所以它们的检测通常依赖于它们在核反应中的参与。某些中子检测器包括气体填充管，气体填充管包含与中子反应以形成能够随后通过电离而检测的二级带电粒子的中子敏感材料诸如或者3He或者BF3气体。这种气体填充比例中子检测器能够是比较昂贵的、比较庞大的、非机械稳健(rugged)的，并且要求大量的电力进行操作。

发明内容
通常，本公开涉及制造一种能够被用作中子检测器的半导体器件。通过在基板上形成包括氧化物层、活性半导体层和互连层的第一晶圆、在第一晶圆和第二晶圆之间形成电路转移结合部、移除基板并且在氧化物层上沉积结合垫、阻挡层和中子转换层而制造该半导体器件。在一个方面，本公开涉及一种制造中子检测器的方法，该方法包括:通过至少在基板上形成氧化物层、在氧化物层上形成活性半导体层并且在活性半导体层上形成互连层而形成第一晶圆；形成从互连层通过活性半导体层和氧化物层延伸的至少一条导电径路；在第一晶圆的互连层和第二晶圆之间形成电路转移结合部；在形成电路转移结合部之后移除第一晶圆的基板；在移除第一晶圆的基板之后在第一晶圆的氧化物层上沉积结合垫，其中结合垫被电连接到导电径路；在移除第一晶圆的基板之后在第一晶圆的氧化物层上沉积阻挡层；和，在沉积阻挡层之后在阻挡层上沉积中子转换层。在另一个方面，本公开涉及一种半导体器件，其包括:第一晶圆，包括基板、在基板上的氧化物层、在氧化物层上的活性半导体层和在活性半导体层上的互连层，其中该活性半导体层包括被配置为检测二级带电粒子的电荷敏感电路的阵列；包括基板和在基板上的接触层的第二晶圆；和，在第一晶圆的接触层和第二晶圆的接触层之间形成的电路转移结合部。在以下附图和说明中阐述了本公开的一个或者多个实例的细节。


图1是实例中子检测器的概略侧视表。图2是图1的中子检测器的概略侧视表并且示意在中子转换层中的核反应和在活性半导体层中检测的所产生的二级带电粒子。图3是可以用于制造中子检测器的实例器件晶圆的概略侧视表。图4是在器件晶圆被结合到操作晶圆(handle wafer)之前在随后的处理阶段中图3的实例器件晶圆的概略侧视表。
图5是在器件晶圆已经被结合到操作晶圆之后在随后的处理阶段中图4的实例结构的概略侧视表。图6是在移除器件晶圆的基板之后在随后的处理阶段中图5的实例结构的概略侧视表。图7是在沉积结合垫和阻挡层并且图案化结合垫开口之后在随后的处理阶段中图6的实例结构的概略侧视表。图8是在沉积阻挡层和接触垫之后在可替代的随后的处理阶段中图6的实例结构的概略侧视表。图9是在沉积中子转换层之后在随后的处理阶段中图7的实例结构的概略侧视表。图10A -10F是包括多个中子检测管芯的晶圆的处理的概略侧视表。图11是可以用于制造中子检测器的另一个实例器件晶圆的概略侧视表。图12是由图11的器件晶圆制成的另一个中子检测器的概略侧视表。图13是包括多个中子检测器件的堆叠的中子检测器的概略侧视表。图14是制造中子检测器的实例方法的流程图。
具体实施例方式一般地，本公开涉及一种制造可以被用作固态中子检测器的半导体器件的方法。利用在本公开中描述的方法制成的固态中子检测器通过使用检测电离辐射(诸如通过中子核反应产生的二级带电粒子)的活性半导体层而提供中子存在的指示。该固态中子检测器包括当中子遇到中子转换材料时形成二级带电粒子诸如阿尔法(α )粒子的中子转换材料诸如硼- ο的固体膜。在这里描述的实例中，中子转换材料被紧邻包括对于二级带电粒子敏感的电荷敏感电路的阵列(例如，一个或者多个存储电路阵列)的、还被称作活性半导体层的半导体器件层地置放，并且在半导体器件层中的变化的检测指示中子的存在。二级带电粒子能够在存在于半导体器件层中的电气元件中引起电场效应，并且可以检测电场效应以检测中子的存在。固态中子检测器能够利用规模制造的硅微电子器件的特征尺寸、成本、电压和功率缩放(power scaling),并且因此与使用包含中子敏感材料的气体填充管的中子检测器相比较，可以是较不昂贵的。在这里描述中子检测器中，在中子转换层中产生的二级带电粒子诸如来自硼-10同位素膜的那些，可以具有随机、各向同性轨迹和有限的在固体诸如硅或者二氧化硅中的穿透范围。至少由于这个原因，中子转换层可以实际上地尽可能地靠近活性半导体层定位从而足够数目的二级带电粒子能够到达活性半导体层以产生可检测的变化。在其中活性半导体层被沉积在薄氧化物层的前侧上的某些实例中，中子转换层被沉积在薄氧化物层的后侧上(例如关于前侧的相对侧上)从而二级带电粒子必须仅仅穿过薄氧化物层和可能包括的任何薄的阻挡层或者粘结层以到达活性半导体层。这种配置可以允许在中子转换层中产生的二级带电粒子的相当大的部分在活性半导体层中具有足够的离子径迹。以此方式，中子检测器提供通过中子与中子转换层的反应而产生的二级带电粒子的检测。制造在这里描述的固态中子检测器的实例方法包括晶圆间转移步骤，其中在第一晶圆基板上的活性半导体层、相关联的互连和薄氧化物层被结合和转移到第二操作晶圆基板，随后移除第一晶圆基板。晶圆间转移包括在半导体器件和晶圆基板之间形成永久电路转移结合部从而允许随后通过标准互补金属氧化物半导体(“CMOS”)技术进行半导体处理。该方法还允许作为在过程中最后的步骤之一或者甚至最后的步骤以晶圆级沉积中子转换材料从而它能够在标准半导体制造工厂之外沉积。在中子检测器形成过程中稍后(例如，作为最后的步骤或者几乎最后的步骤)沉积中子转换材料可以是有利的，因为中子转换层的材料可能对于制造过程诸如用于形成活性半导体层和互连层的设施具有不利的影响，并且通常是利用特殊的沉积规程操作的。在形成固态中子检测器的其余部分之后沉积中子转换材料可以允许半导体制造工厂使用处于管芯和组件级的库存制造技术，同时能够以晶圆级沉积中子转换层，与要求处于或者管芯级或者组件级或者这两者的相当多和昂贵的工艺研制和改变的中子转换材料沉积的某些现有方法相比较，这可以提供更加廉价的并且可靠的制造过程。图1示出还被称作中子检测器10的实例半导体器件10，半导体器件10包括基板
12、覆在基板12上面的接触层14、16、覆在接触层14、16上面的至少一个互连层18、覆在互连层18上面的活性半导体层20、覆在活性半导体层20上面的绝缘体层诸如氧化物层22(还被称作隐埋氧化物或者BOX层22)和覆在BOX层22上面的中子转换层24。在某些实例中，中子检测器10还可以包括在BOX层22和中子转换层24之间的阻挡层26以帮助防止活性半导体层20和/或互连层18受中子转换层24的中子转换材料污染。阻挡层26还可以帮助促进在中子转换层24和BOX层22之间的附着。可以被用作阻挡层26的材料的实例包括但是不限于氮化硅或者氮氧化物堆。还可以提供附着层(未示出)以将中子转换层24附着到BOX层22或者阻挡层26。在某些实例中，还可以在BOX层22和中子转换层24之间沉积钝化层。在图1所示实例中，中子检测器10还包括通过互连层18将活性半导体层20电连接到在中子检测器10外部的电路诸如印刷电路板(未示出)的结合垫28。在一个实例中，形成从互连层18通过活性半导体层20和BOX层22延伸以将互连层18电连接到结合垫28的至少一条导电径路诸如通孔30。在某些实例中，结合垫28可以利用引线32经由引线结合而被电连接到外部电路，引线32被结合到结合垫28至外侧电路。然而，可以在结合垫28和外部电路之间实现任何其它适当的电连接，诸如倒装芯片焊料隆起。在图1的实例中，示出中子检测器10被安装在为外部电路提供框架的电封装的封装引线框架34上。结合垫28利用引线32引线结合到封装从而提供到外部电路的电连接。图2是与中子检测器10相互作用的中子的概念示意。中子检测器10借助于中子转换层24检测中子，中子转换层24包括与中子36反应以从核反应区域48发射二级带电粒子38的中子转换材料。二级带电粒子38穿过中子转换层24和氧化物层22以穿透入活性半导体层20中，在此处二级带电粒子38创建能够由活性半导体层20检测的电荷云40。在一个实例中，中子转换层24包括通过磁控溅射和标准化学汽相沉积技术沉积的纯硼-10膜。硼-10与一个或者多个中子36反应以发射阿尔法粒子和锂-7离子(7Li)。阿尔法粒子和锂-7离子这两者都是能够在活性半导体层20中形成电荷云40的二级带电粒子38的实例。可以在中子转换层24中使用的其它材料包括但是不限于富含硼-10的组合物，诸如掺杂有硼-10的层或者包括硼-10的硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)，或者富锂材料。在形成二级带电粒子38，诸如通过中子36与硼-10中子转换层24反应以形成阿尔法粒子和锂-7离子之后，二级带电粒子38通过BOX层22和如果在中子检测器10中存在的话阻挡层26和任何钝化层，被从中子转换层24发射到活性半导体层20中。活性半导体层20被配置为检测由二级带电粒子38形成的电荷云40。在一个实例中，活性半导体层20包括电荷敏感电路44(诸如在易受单粒子翻转(SEU)影响的静态随机访问存储器(SRAM)器件中的电荷敏感电路)的阵列42。在至少一个二级带电粒子38到达活性半导体层20之前，基本沿着活性半导体层20的方向发射的二级带电粒子38必须穿过中子转换层24的一个部分、阻挡层26 (如果存在的话)和BOX层22。被发射到活性半导体层20中的二级带电粒子38沿着二级带电粒子38在活性半导体层20内行进的离子径迹46产生电荷云40。电荷敏感阵列42检测至少一个二级带电粒子38的存在，如果二级带电粒子38的离子径迹46至少具有产生将由电荷敏感阵列42检测的足够的电荷(在下文中被称作“可检测电荷”)的最小径迹长度TIm。这个最小离子径迹长度Tlm将依赖于在电荷敏感阵列42中的具体电路44的敏感性。在一个实例中，电荷敏感阵列42具有如此敏感性，使得在将创建可检测电荷的活性半导体层20中的最小径迹长度Tlm在大约0.2微米和大约1.5微米之间，诸如在大约0.4微米和大约0.9微米之间，例如大约0.7微米。从中子转换层24发射的每一个二级带电粒子38具有有限数量的能量，并且因此具有有限的通过器件10的穿透范围R。从中子转换层24发射的二级带电粒子38的实际穿透范围R可以依赖于产生二级带电粒子38的反应和二级带电粒子38所穿过的材料。例如，从在中子36和硼-10之间的反应发射并且通过二氧化硅(能够被用作BOX层22中的电介质材料)和硅(能够被用作活性半导体层20中的半导体材料)发射的阿尔法粒子已经示出具有大约3.5微米的穿透范围。由于这个有限的穿透范围R，实际地尽可能地靠近活性半导体层20地定位中子转换层24能够帮助改进中子检测器10对中子36的检测，因为在到达活性半导体层20之前，二级带电粒子38将穿透更小的距离。在一个实例中，其中BOX层22和任何阻挡层或者附着层具有大约2.5微米的厚度，则小于大约5%的所产生的二级带电粒子38可以在硅中具有可检测离子径迹长度。然而，在另一个实例中，其中BOX层22和任何阻挡层或者附着层的厚度被降低为大约0.25微米，则多达大约35%的所产生的二级带电粒子38可以以可检测离子径迹穿透入活性半导体层20中。在图2所示实例中，在中子转换层24和活性半导体层20之间的距离等于由Tbm表示的、BOX层22和阻挡层26 (如果存在的话)的厚度。能够估计将到达活性半导体层20并且以至少足以产生可检测电荷的所期最小离子径迹长度Tlm穿透入活性半导体层20中的、所产生的二级带电粒子38的比率(fraction)。以下等式I提供一项用于估计从在中子转换层24内的具体点处的中子反应到达活性半导体层20的所产生的二级带电粒子38的比率的公式。等式I假设从在中子转换层24内的反应点48均匀地发射二级带电粒子38。另外，等式I假设仅仅一半的沿着活性半导体层20的一般方向发射的所产生的二级带电粒子38到达活性半导体层20。虽然第二假设消除了 50%的所产生的二级带电粒子38不予考虑，但是预期至少在基本平行于基本平面状活性半导体层20置位的单一基本平面状中子转换层24的情形中，与中子转换层24离活性半导体层20多么靠近无关地，近似一半的所产生的二级带电粒子38例如沿着远离活性半导体层20的方向发射的二级带电粒子将不能被活性半导体层20捕捉。关于在距中子转换层24的底部(即，参考最靠近BOX层22的中子转换层24的表面的“底部”)深度Tx处在反应点48处发生的中子转换反应，基于等式I确定将具有足以通过具有厚度Tbm的BOX层22和阻挡层26至少以所期离子径迹长度Tlm穿透活性半导体层20的能量的二级带电粒子38的比率FTx。
权利要求
1.一种制造中子检测器的方法，所述方法包括: 通过至少在基板上形成氧化物层、在所述氧化物层上形成活性半导体层并且在所述活性半导体层上形成互连层而形成第一晶圆； 形成从所述互连层通过所述活性半导体层和所述氧化物层延伸的至少一条导电径路； 在所述第一晶圆的互连层和第二晶圆之间形成电路转移结合部； 在形成所述电路转移结合部之后移除所述第一晶圆的所述基板； 在移除所述第一晶圆的所述基板之后在所述第一晶圆的所述氧化物层上沉积结合垫，所述结合垫被电连接到所述导电径路； 在移除所述第一晶圆的所述基板之后在所述第一晶圆的所述氧化物层上沉积阻挡层；和 在沉积所述阻挡层之后在所述阻挡层上沉积中子转换层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一晶圆包括在所述互连层上形成介电层，其中所述第二晶圆包括氧化物接触层，并且形成所述电路转移结合部包括在所述第一晶圆的所述介电层和所述第二晶圆的所述氧化物接触层之间形成氧化物间结合部。
3.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一晶圆包括在所述互连层上形成金属层，其中所述第二晶圆包括金属接触层，并且形成所述电路转移结合部包括在所述第一晶圆的所述金属层和所述第二晶圆的所述金属接触层之间形成金属间结合部。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电路转移结合部被配置为在移除所述第一晶圆的所述基板并且沉积所述结合垫、沉积所述阻挡层和沉积所述中子转换层期间维持在所述互连层和所述第二晶圆之间的机械结合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一晶圆的所述氧化物层上沉积所述结合垫包括在所述至少一条导电径路的暴露部分之上沉积所述结合垫。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括: 在沉积所述阻挡层之后图案化通过所述阻挡层的开口以暴露所述至少一条导电径路；和 在所述开口中沉积触点，其中沉积所述结合垫包括在所述触点和所述阻挡层之上沉积所述结合垫。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括图案化所述中子转换层。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述器件切割成多个个体中子检测器。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括: 其中，在沉积所述中子转换层之后，所述第一晶圆包括在第一基板上的第一互连层、在所述第一互连层上的第一活性半导体层、在所述第一活性半导体层上的第一氧化物层、在所述第一氧化物层上的第一结合垫、第一导电径路、在所述第一氧化物层上的第一阻挡层和在所述第一阻挡层上的第一中子转换层； 在所述第一中子转换层、所述第一结合垫和所述第一阻挡层之上沉积接触层； 通过至少在第二基板上形成第二氧化物层、在所述第二氧化物层上形成第二活性半导体层并且在所述活性半导体层上形成第二互连层而形成第三晶圆； 形成从所述第二互连层通过所述第三晶圆的所述第二活性半导体层和所述第二氧化物层延伸的至少一条第二导电径路； 在所述第二互连层和所述接触层之间形成第二电路转移结合部； 在形成所述第二电路转移结合部之后，移除所述第三晶圆的所述第二基板； 在移除所述第三晶圆的所述第二基板之后，在所述第三晶圆的所述第二氧化物层上沉积第二结合垫，所述第二结合垫被电连接到所述第三晶圆的所述至少一条第二导电径路；在移除所述第三晶圆的所述第二基板之后，在所述第三晶圆的所述第二氧化物层上沉积第二阻挡层；和 在沉积所述第二阻挡层之后，在所述第二阻挡层上沉积第二中子转换层。
10.一种半导体器件，包括: 第一晶圆，所述第一晶圆包括: 基板； 在所述基板上的氧化物层； 在所述氧化物层上的活性半导体层；和 在所述活性半导体层上的互连层，其中所述活性半导体层包括被配置为检测二级带电粒子的电荷敏感电路的阵列； 包括基板和在所述基板上的接触层的第二晶圆；和 在所述第一晶圆的所述接触层和所述第二晶圆的所述接触层之间形成的电路转移结合部。`
全文摘要
一种制造中子检测器的方法包括通过至少在基板上形成氧化物层、在氧化物层上形成活性半导体层并且在活性半导体层上形成互连层而形成第一晶圆；形成从互连层通过活性半导体层和氧化物层延伸的至少一条导电径路；在互连层和第二晶圆之间形成电路转移结合部；在形成电路转移结合部之后移除第一晶圆的基板；在移除第一晶圆的基板之后在氧化物层上沉积结合垫，其中结合垫被电连接到导电径路；在移除第一晶圆的基板之后在氧化物层上沉积阻挡层；和，在沉积阻挡层之后在阻挡层上沉积中子转换层。
文档编号G01T3/08GK103109379SQ201180043804
公开日2013年5月15日 申请日期2011年7月6日 优先权日2010年7月13日
发明者B.J.拉森, T.A.兰达佐 申请人:霍尼韦尔国际公司