CN102466806A - 一种基于绝缘体上硅的pmos辐射剂量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于绝缘体上硅的PMOS辐射剂量计，包括从上至下依次为顶层硅、隐埋氧化层和底层硅的绝缘体上硅；还包括：设置于顶层硅上表面的正栅氧化层；分别设置于顶层硅两侧的源区和漏区；设置于源区上表面的源区多晶硅化物层，设置于源区多晶硅化物层上表面的源电极；设置于源区一侧的第一隔离氧化物区；设置于漏区上表面的漏区多晶硅化物层，设置于漏区多晶硅化物层上表面的漏电极；设置于漏区一侧的第二隔离氧化物区；设置于底层硅下表面的背栅金属层，设置于背栅金属层下表面的背栅电极。本发明提供了具有高灵敏度的PMOS辐射剂量计，制造过程与SOI CMOS工艺兼容，可有效提高集成度。

Description

一种基于绝缘体上硅的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，尤其涉及一种基于绝缘体上硅的PMOS辐射剂量计。

背景技术

空间辐射环境主要为高能、连续谱和以带电高能粒子为主的多种辐照成分的混合场，并且粒子的入射是全向的，在时间和空间上存在不确定性和不均匀性，这就给辐射探测带来了一定难度。对空间辐射环境的监测主要分为主动测量法和被动测量法，主动剂量探测器主要有电离室、G-M计数管、正比计数管及半导体探测器，而常用的电离辐射被动剂量计主要有热释光探测器和核径迹探测器。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。利用对电离辐照敏感的PMOS场效应晶体管阈值电压漂移幅度来表征器件吸收的辐照总剂量是PMOS辐射剂量计的基本原理，如图1所示。当PMOS场效应体管受空间带电粒子辐照后，在其敏感区(栅氧化层和Si/SiO2界面)将感生氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，其会引起PMOSFET的阈电压负向漂移。这一阈电压的变化能够通过简单的电路进行实时测量。因此，PMOS剂量计具备可实时监测的特点，同时，由于MOS的低功耗、微小几何尺寸的特征，PMOS剂量计又具备低能耗和可近似点测的功能。由多个PMOS探头、电源、控制开关电路、恒流源电路、输出阈电压预处理电路可组成多点多探头的PMOS剂量计，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。

研究时发现基于SIMOX SOI晶圆的MOSFET隐埋氧化层对电离辐照非常敏感，较小的辐照剂量下也会引起SOI MOSFET背栅阈值电压较大幅度的变化，信号的可辨识度较高。并且隐埋氧化层的厚度200nm-400nm也基本符合PMOS剂量计的栅氧化层厚度要求(一般从100nm至2μm)，材料相关技术文献表明，其SOI晶圆的隐埋氧化层内缺陷密度分布均匀，Si/SiO2界面陡峭，各层材料表面平整度且厚度均匀，并表现出较好的可控性，如图2PMOS辐射剂量计所用SOI晶圆剖面透射电镜显微图片所示。这就给利用SOI器件背栅进行电离总剂量辐照探测带来了可能。

发明内容

为了解决上述的技术问题，提供了一种基于绝缘体上硅的PMOS辐射剂量计，其目的在于，提高PMOS辐射剂量计的灵敏度和稳定性并拓宽动态范围，同时减少制造辐射剂量计的工艺步骤。

本发明提供了一种基于绝缘体上硅的PMOS辐射剂量计，该辐射剂量计包括从上至下依次为顶层硅9、隐埋氧化层4和底层硅3的SOI；

该辐射剂量计还包括：

设置于顶层硅9上表面的正栅氧化层10；

分别设置于顶层硅9两侧的源区5和漏区14；设置于源区5上表面的源区多晶硅化物层7，设置于源区多晶硅化物层7上表面的源电极8；

设置于源区5一侧的第一隔离氧化物区6；

设置于漏区14上表面的漏区多晶硅化物层12，设置于漏区多晶硅化物层12上表面的漏电极11；

设置于漏区14一侧的第二隔离氧化物区13；

设置于底层硅3下表面的背栅金属层2，设置于背栅金属层2下表面的背栅电极1。

所述正栅氧化层10覆盖了顶层硅9上表面等于沟道尺寸的区域。

所述顶层硅9为N型轻掺杂区域，所述源区5和漏区14均为P型重掺杂区域。

所述底层硅3和隐埋氧化层4构成背栅。

所述源区5和漏区14为左右对称结构，可等效互换；

分别在源区5和漏区14上表面的中央进一步设置有接触孔，所述源电极8和漏电极11设置于该接触孔之上。

本发明提供了具有高灵敏度的PMOS辐射剂量计，制造过程与SOICMOS工艺兼容，可有效提高集成度；使PMOS辐射剂量计的结构和制造步骤更为简单，可有效降低生产成本和工艺难度，适用范围更广。

附图说明

图1是常规PMOS辐射剂量基本原理图；

图2是本发明提供的SOI晶圆剖面的透射电镜显微图片示意图；

图3是本发明提供的基于SOI技术的PMOS辐射剂量计的结构示意图；

图4是本发明提供的PMOS辐射剂量计阈值电压随电离辐照剂量变化情况曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

如图3所示，图3是本发明提供的基于SOI技术的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9、隐埋氧化层4和底层硅3的绝缘体上硅(SOI)作为基本架构，该辐射剂量计包括：

设置于顶层硅9上表面的正栅氧化层10；

设置于顶层硅9左侧的源区5，设置于源区5上表面的源区多晶硅化物层7，设置于源区多晶硅化物层7上表面的源电极8；

设置于源区5左侧的第一隔离氧化物区6；

设置于顶层硅9右侧的漏区14，设置于漏区14上表面的漏区多晶硅化物层12，设置于漏区多晶硅化物层12上表面的漏电极11；

设置于漏区14右侧的第二隔离氧化物区13；

设置于底层硅3下表面的背栅金属层2，设置于背栅金属层2下表面的背栅电极1。

正栅氧化层10覆盖了顶层硅9上表面等于沟道尺寸的区域。

顶层硅9为N型低掺杂区域，源区5和漏区14为P型重掺杂区域。

底层硅3和隐埋氧化层4构成背栅。

源区5和漏区14为左右对称结构，可等效互换；

分别在源区5和漏区14上表面的中央进一步设置有接触孔，源电极8和漏电极11设置于该接触孔之上。

该PMOS辐射剂量计的制造工艺与PDSOI CMOS工艺完全兼容，仅在N阱调栅注入时进行修正，主要目的是通过对PMOS辐射剂量计的背栅调栅注入的控制以及采用多背栅堆叠测量电路结构，来提高剂量计对电离辐照的敏感程度和调节计量范围；由于该PMOS辐射剂量计利用SOI结构中的隐埋氧化层进行电离总剂量辐照探测，在制造过程中不需要进行与前栅生长相关的工艺步骤，在某种程度上也简化了剂量计工艺过程，降低了生产成本。如图4所示，图4为该PMOS辐射剂量计阈值电压随辐照时间的变化曲线，其中用于实验的Co-60γ放射源电离辐照剂量率为58rad(Si)/s。可以观察到，器件阈值电压的变化基本上与电离辐照累积总剂量呈线性关系，这表明该剂量计可用于电离辐照的监测。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (6)

1.一种基于绝缘体上硅的PMOS辐射剂量计，其特征在于，该辐射剂量计包括从上至下依次为顶层硅(9)、隐埋氧化层(4)和底层硅(3)的绝缘体上硅；

该辐射剂量计还包括：

设置于顶层硅(9)上表面的正栅氧化层(10)；

分别设置于顶层硅(9)两侧的源区(5)和漏区(14)；设置于源区(5)上表面的源区多晶硅化物层(7)，设置于源区多晶硅化物层(7)上表面的源电极(8)；

设置于源区(5)一侧的第一隔离氧化物区(6)；

设置于漏区(14)上表面的漏区多晶硅化物层(12)，设置于漏区多晶硅化物层(12)上表面的漏电极(11)；

设置于漏区(14)一侧的第二隔离氧化物区(13)；

设置于底层硅(3)下表面的背栅金属层(2)，设置于背栅金属层(2)下表面的背栅电极(1)。

2.如权利要求1所述的PMOS辐射剂量计，其特征在于，所述正栅氧化层(10)覆盖了顶层硅(9)上表面等于沟道尺寸的区域。

3.根据权利要求1所述的PMOS辐射剂量计，其特征在于，所述顶层硅(9)为N型轻掺杂区域，所述源区(5)和漏区(14)均为P型重掺杂区域。

4.根据权利要求1所述的PMOS辐射剂量计，其特征在于，所述底层硅(3)和隐埋氧化层(4)构成背栅。

5.根据权利要求1所述的PMOS辐射剂量计，其特征在于，所述源区(5)和漏区(14)为左右对称结构，可等效互换。

6.根据权利要求1所述的基于SOI技术的PMOS辐射剂量计，其特征在于，分别在源区(5)和漏区(14)上表面的中央进一步设置有接触孔，所述源电极(8)和漏电极(11)设置于该接触孔之上。 

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