CN101937091B - 一种可调整量程的堆叠测量电路 - Google Patents

一种可调整量程的堆叠测量电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电离辐射剂量测量领域，公开了一种可调整量程的堆叠测量电路，包括：一只或多只基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计、工作模式选择开关SW以及恒流源Isd；基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计为一只时，工作模式选择开关SW将该PMOS辐射剂量计的源电极连接于恒流源Isd，用导线将该辐射剂量计漏电极接至地线；基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计为多只时，该多只PMOS辐射剂量计采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自正栅电极或背栅电极与漏电极短接，工作模式选择开关SW将第一级辐射剂量计的源电极连接于所述恒流源Isd。本发明提供的可调整量程的堆叠测量电路，可适应不同监测环境的需要。

Description

一种可调整量程的堆叠测量电路
本申请是分案申请，母案的申请号：200710179354.7，申请日：2007年12月12日，名称：基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计。
技术领域
本发明涉及电离辐射剂量测量技术领域，尤其涉及一种可调整量程的堆叠测量电路。
背景技术
对空间辐射环境的研究始于上世纪四十年代。随着地球磁场俘获带电粒子形成的强辐射带(Van-Allen带)的发现和相继发生的辐射引起的卫星运行故障，空间辐射环境的研究越来越受到重视，各种空间辐射探测技术和设备相继得到了应用，其中也包括一些用于辐射总剂量监测的技术，如热释光(TLD)剂量计、尼龙薄膜剂量计、G-M计数管、PIN二极管、半导体探测器等。这些技术虽然取得了一定的成功，但也存在各自的缺陷。如难以实现在轨动态监测，有的存在着测量或读出电路复杂，系统体积或重量庞大，剂量记录信息与电子学系统接口困难，数据处理繁琐等问题。
二十世纪七十年代，英国的Holmes-Siedle提出了空间电荷剂量计的概念。特定工艺的P沟道金属-氧化物-半导体晶体管(PMOSFET)受到电离辐射后，在其氧化层中产生的俘获正电荷和界面态会导致阈值电压的漂移，生阈电压漂移的幅度与辐射剂量呈现近乎于线性的单调对应关系。在此基础上，可以利用电离辐射引起PMOSFET阈电压的变化作为辐射敏感参量，进行辐射总剂量测量。由于PMOS辐射剂量计具有体积小、重量轻、功耗低、测量和读出电路简单、可靠性高、便于遥控遥测等特点，非常适用于卫星内外辐射总剂量环境的在轨监测，并在核工业、医学、辐射防护及便携式个人辐射监测领域内也有广泛的应用。
但由于PMOS辐射剂量计自身的半导体器件性质，其极易受到外界环境因素的影响。PMOS辐射剂量计的辐照灵敏度、不同环境下长期工作的可靠性和准确性以及监测寿命等方面指标都是目前急待解决的关键技术，并且对于PMOS辐射剂量计来说，对于某种特定的工艺条件其测量容限仅能局限于一较小范围内，并且当其氧化层中陷阱电荷到达饱和，剂量计将不能正常工作。因此有必要对现有PMOS辐射剂量计结构进行改进，并寻求高灵敏度、高稳定性、宽动态范围、可重复利用的PMOS辐射剂量计制造技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种针对此类PMOS辐射剂量计的可调整量程的堆叠测量电路，以适应不同监测环境的需要。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种可调整量程的堆叠测量电路，该电路包括：一只或多只基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计、工作模式选择开关SW以及恒流源Isd；
所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计为一只时，所述工作模式选择开关SW将该PMOS辐射剂量计的源电极连接于所述恒流源Isd，用导线将该PMOS辐射剂量计漏电极接至地线；
所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计为多只时，该多只PMOS辐射剂量计采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自正栅电极或背栅电极与漏电极短接，所述工作模式选择开关SW将第一级PMOS辐射剂量计的源电极连接于所述恒流源Isd。
上述方案中，所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计为多只时，该电路采用以下方式实现：各PMOS辐射剂量计采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自正栅电极与漏电极短接，最后一级PMOS辐射剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS辐射剂量计源电极接至工作模式选择开关SW。
上述方案中，所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计为多只时，该电路采用以下方式实现：各PMOS辐射剂量计采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自背栅电极与漏电极短接，最后一级PMOS辐射剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS辐射剂量计源电极接至工作模式选择开关SW。
上述方案中，所述工作模式选择开关SW有以下两种工作模式可供选择：测量模式，将工作模式选择开关SW接至零电位，同时接受辐照；读出模式，将工作模式选择开关SW接至恒流源，为PMOS辐射剂量计源电极注入保证PMOS辐射剂量计工作于饱和区的恒定电流，SW接至恒流源20秒后，将第一级PMOS辐射剂量计源电极节点电压作为剂量计输出电压引出至采集电路，利用事先标定的差分电压与辐射剂量的对应关系曲线，得到与其对应辐射剂量数值。
上述方案中，当该堆叠测量电路测量低剂量率时，采用多只PMOS辐射剂量计背栅电极堆叠，达到对辐照环境的较高敏感度，当辐射剂量超过计量量程时，减少堆叠PMOS辐射剂量计数目，直至最后一个；当该堆叠测量电路测量高剂量率时，将电路实现方式改变为多只PMOS辐射剂量计正栅电极堆叠，当辐射剂量超过计量量程时，减少堆叠PMOS辐射剂量计数目，直至最后一个。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，可得到一种基于此种PMOS辐射剂量计的可调整量程的堆叠测量电路结构，对辐照环境的敏感度显著提高，可测量程较宽并易于控制；
2、利用本发明，可实现PMOS辐射剂量计探头的重复利用，有效降低使用成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明提供的基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计的结构示意图；
图2是本发明提供的基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计的版图示意图；
图3是本发明提供的正栅电极堆叠结构电路示意图；
图4是本发明提供的背栅电极堆叠结构电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的基于SOI的双探头PMOS辐射剂量计的结构示意图，该辐射剂量计以从上至下依次为顶层硅16、埋氧层4和底层硅3的SOI作为基本架构，该辐射剂量计包括：
设置于顶层硅16上表面的正栅氧化层9，设置于正栅氧化层9上表面的正栅多晶硅层10，设置于正栅多晶硅层10上表面的正栅多晶硅化物层11，以及设置于正栅多晶硅化物层11上表面的正栅电极12；
设置于正栅氧化层9一侧的漏区15，设置于漏区15上表面的漏区多晶硅化物层14，设置于漏区多晶硅化物层14上表面的漏电极13；
设置于正栅氧化层9另一侧的源区5，在紧邻源区5的旁侧设置的与顶层硅16同型的重掺杂体接触区6，在体接触区6和源区5上表面设置的体区及源区多晶硅化物层7，设置于体区及源区多晶硅化物层7上表面的源电极8；
设置于底层硅3下表面的背栅多晶硅化物层2，设置于背栅多晶硅化物层2下表面的背栅电极1。
所述正栅氧化层9覆盖了顶层硅16上表面等于设计规则中沟道尺寸的区域。所述底层硅3和埋氧层4构成背栅。
分别在源区5、体接触区6、漏区15、正栅多晶硅层10上表面的中央进一步设置有接触孔，所述源电极8、漏电极13和正栅电极12设置于该接触孔之上；在底层硅3下表面的中央进一步设置有接触孔，所述背栅电极1设置于该接触孔之上。
所述正栅电极12采用多根栅条叉指形式并联，多根折形栅条之间通过接触孔与金属互连，相邻栅条共用一个漏电极。
所述正栅电极12和背栅电极1为两种不同量程的电极探头。
该剂量计采用不同方式的正、背栅调栅注入；对正栅氧化层9区域进行调正栅注入，注入剂量范围为1e10至1e12/cm2、能量范围为95至105keV的BF2；对顶层硅16区域进行调背栅注入，注入剂量范围为1.2e11至1e13/cm2、能量范围为155至165keV的磷(P)。
具体可再参照图1以及图2，本发明所提供的基于绝缘体上硅的PMOS辐射剂量计包括半导体基片，埋氧层4将半导体基片分为上下两部分，下部分为底层硅3，上部分为顶层硅16。在底层硅3下方设置背栅多晶硅化物层2，利用底层硅3和埋氧层4形成背栅，在背栅多晶硅化物层2上设置金属层作为背栅电极1。
在顶层硅16上表面设置正栅氧化层9并覆盖等于设计规则中沟道尺寸的区域，并在正栅氧化层上设置正栅多晶硅层10。对正栅氧化层9区域进行调正栅注入，注入剂量范围为1e10至1e12/cm2、能量范围为95至105keV的BF2。在正栅氧化层9的一侧形成漏区15，并在其上部覆盖漏区多晶硅化物层14。在正栅氧化层9的另一侧形成源区5。在紧邻源区5的旁侧设置与衬底同型的重掺杂体接触区6。在体接触区6和源区5上部形成体区及源区多晶硅化物层7。对顶层硅16区域进行调背栅注入，注入剂量范围为1.2e11至1e13/cm2、能量范围为155至165keV的P(磷)。分别在源区5和体接触区6中央、漏区14、正栅多晶硅栅层10以及背栅底层硅3上表面设置接触孔17，并在接触孔17上分别设置源电极8、漏电极13、正栅电极12以及背栅电极1。
图2中正栅多根折形栅条之间12通过接触孔17和金属互连，其中相邻栅条12共用一个漏13。
本发明所提供的可调整量程的堆叠测量电路结构包括：一只或多只所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计、工作模式选择开关SW以及恒流源Isd；所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计为一只时，所述工作模式选择开关SW将该辐射剂量计的源电极连接于所述恒流源Isd，用导线将该PMOS辐射剂量计漏电极接至地线；所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计为多只时，该多只PMOS辐射剂量计采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自正栅电极或背栅电极与漏电极短接，所述工作模式选择开关SW将第一级辐射剂量计的源电极连接于所述恒流源Isd。
将选取的一只或多只相同的PMOS辐射剂量计尽可能靠近的并排安置于PCB板上，该电路可采用两种方式实现：各PMOS辐射剂量计采用漏/源相接的级联方式并将各自正栅电极与漏电极短接，如图3所示，最后一级PMOS辐射剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS辐射剂量计源电极接至工作模式选择开关SW；另一种电路实现方式为：各PMOS辐射剂量计采用漏/源相接的级联方式并将各自背栅电极与漏电极短接，如图4所示，最后一级PMOS辐射剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS辐射剂量计源电极接至工作模式选择开关SW，具有与第一种电路实现方式相同的两种工作模式可供选择。
该工作模式选择开关SW有两种工作模式可供选择：测量模式，即开SW接至零电位，同时接受辐照；或读出模式，即开关SW接至恒流源，为PMOS辐射剂量计源电极注入保证PMOS辐射剂量计工作于饱和区的恒定电流，SW接至恒流源20秒后，将第一级PMOS辐射剂量计源电极节点电压作为剂量计输出电压引出至采集电路，利用事先标定的差分电压与辐射剂量的对应关系曲线，得到与其对应辐射剂量数值。
该堆叠测量电路测量低剂量率时，可用多只PMOS辐射剂量计背栅电极堆叠，从而达到对辐照环境的较高敏感度，当辐射剂量超过计量量程时，可减少堆叠PMOS辐射剂量计数目，直至最后一个；当堆叠测量高剂量率时，可将电路实现方式改变为多只PMOS辐射剂量计正栅电极堆叠，当辐射剂量超过计量量程时，可减少堆叠PMOS辐射剂量计数目，直至最后一个。
本发明所提供的对基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计退火过程控制及偏置条件、退火温度和时间调节按如下步骤实施：将经辐照后失效的PMOS辐射剂量计正栅电极、背栅电极、源电极以及漏电极接至地线，置于95～105℃环境温度范围下退火230～310小时；之后将环境温度升温至145～155℃范围继续退火80～120小时；然后将PMOS辐射剂量计取出置于20至25℃环境温度下测试，与该PMOS辐射剂量计未辐照前数据比对校准。同时，利用该方法我们也进行了模拟和实验，结果表明此退火控制方法正确，总体误差在20％以内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可调整量程的堆叠测量电路，其特征在于，该电路包括：多只基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计、工作模式选择开关SW以及恒流源Isd；
该多只PMOS辐射剂量计采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自正栅电极或背栅电极与漏电极短接，所述工作模式选择开关SW将第一级辐射剂量计的源电极连接于所述恒流源Isd；最后一级PMOS辐射剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS辐射剂量计源电极接至工作模式选择开关SW。
2.根据权利要求1所述的可调整量程的堆叠测量电路，其特征在于，所述工作模式选择开关SW有以下两种工作模式可供选择：
测量模式，将工作模式选择开关SW接至零电位，同时接受辐照；
读出模式，将工作模式选择开关SW接至恒流源Isd，为基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计源电极注入保证PMOS辐射剂量计工作于饱和区的恒定电流，工作模式选择开关SW接至恒流源Isd 20秒后，将第一级PMOS辐射剂量计源电极节点电压作为剂量计输出电压引出至采集电路，利用事先标定的差分电压与辐射剂量的对应关系曲线，得到与其对应的辐射剂量数值。
3.根据权利要求1所述的可调整量程的堆叠测量电路，其特征在于，
当该堆叠测量电路测量低剂量率时，采用多只基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计背栅电极堆叠，达到对辐照环境的较高敏感度，当辐射剂量超过计量量程时，减少堆叠PMOS辐射剂量计数目，直至最后一个；
当该堆叠测量电路测量高剂量率时，将电路实现方式改变为多只PMOS辐射剂量计正栅电极堆叠，当辐射剂量超过计量量程时，减少堆叠PMOS辐射剂量计数目，直至最后一个。
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