CN114637039A - 一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，涉及辐照探测技术领域。半导体辐照探测器包括：半导体场效应管，以及设置在半导体场效应管顶部后端的电容模块；电容模块被配置为在进行预充电后，随着总剂量效应的不断累积，电容模块两端电压发生漂移，施加在所述半导体场效应管的栅极电压基于所述电容模块两端电压的漂移而漂移，确定所述半导体场效应管的漏极电流变化量；所述半导体场效应管被配置为基于所述漏极电流变化量确定辐照剂量变化量，可以使得半导体场效应管在保证了厚栅氧化层的情况下，通过电容模块提高辐照剂量，使得半导体辐照探测器可以融入互补金属氧化物半导体制造工艺中，降低在芯片上集成半导体辐照探测器的成本。
Description
技术领域
本发明涉及辐照探测技术领域，尤其涉及一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器。
背景技术
辐照剂量探测设备是放射医疗领域和航天领域必不可少的设备之一，辐照探测器作为辐照剂量探测设备的传感元器件，其灵敏度、能探测的总剂量大小和尺寸将直接制约辐照剂量探测设备的性能和大小。
目前，辐照探测器可以分为电离室辐照探测器、光纤辐照探测器和半导体辐照探测器三种。其中，电离室辐照探测器又称离子室，由处于不同电位的电极和电极间介质组成，电离辐射在介质中产生电离离子对，在电场作用下离子分别向两极漂移，形成与辐射剂量成正比的电流。光纤辐照探测器利用闪烁体在受到辐射后会电离或激发产生光子的特性进行工作，其工作过程中将辐射粒子转化为光子，光子通过光电效应产生电子，电子的运行形成电流，通过电流的变化量推算出辐射剂量。但是，电离室存在工作需要高电压、设备尺寸较大的问题，导致设备使用无法微型化和集成化。光纤辐照探测器多用于对其他辐照探测器进行校准，但其可测总剂量较小，在剂量达到50-100krad时即接近饱和。
对于半导体辐照探测器，其是利用半导体材料受到辐照后会产生大量电子空穴这一特性进行辐照剂量探测，其可测最小辐照剂量为10krad，受到辐照后会产生阈值电压漂移。一般半导体辐照探测器使用过程中采用恒流源读数的方式，恒定探测器工作电流，对阈值电压漂移量进行读取，并推算出辐照剂量。传统金属氧化物半导体场效应管(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)作为辐照传感器时，又被称为辐照敏感场效应晶体管(Radiation-Sensitive Filed Effect Transistor,RADFET)。一般可以利用P型MOSFET进行辐照测量，其敏感部位为器件中MOS结构，为了提高器件的灵敏度和可测量较大总剂量，PMOS辐照探测器往往需要厚栅氧化层和高栅极偏置电压，这导致PMOS RADFET制造无法融入互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor,CMOS)制造工艺中，导致辐照探测器无法集成在普通制造工艺的芯片上，需要额外工艺增加制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，以解决现有的辐照探测器无法集成在普通制造工艺的芯片上，需要额外工艺增加制造成本的问题。
第一方面，本发明提供一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，所述半导体辐照探测器包括：半导体场效应管，以及设置在所述半导体场效应管顶部后端的电容模块；
所述电容模块被配置为在进行预充电后，随着总剂量效应的不断累积，所述电容模块两端电压发生漂移，施加在所述半导体场效应管的栅极电压基于所述电容模块两端电压的漂移而漂移，确定所述半导体场效应管的漏极电流变化量；
所述半导体场效应管被配置为基于所述漏极电流变化量确定辐照剂量变化量。
采用上述技术方案的情况下，本申请实施例提供的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，所述半导体辐照探测器包括：半导体场效应管，以及设置在所述半导体场效应管顶部后端的电容模块；所述电容模块被配置为在进行预充电后，随着总剂量效应的不断累积，所述电容模块两端电压发生漂移，施加在所述半导体场效应管的栅极电压基于所述电容模块两端电压的漂移而漂移，确定所述半导体场效应管的漏极电流变化量；所述半导体场效应管被配置为基于所述漏极电流变化量确定辐照剂量变化量，可以使得半导体场效应管在保证了厚栅氧化层的情况下，通过电容模块提高辐照剂量，使得半导体辐照探测器可以融入CMOS制造工艺中，降低在芯片上集成半导体辐照探测器的成本。
在一种可能的实现方式中，所述电容模块包括至少一个电容。
在一种可能的实现方式中，所述电容模块包括多个质量不同，和/或电容值大小不同的电容，多个所述电容被配置为，结合所述半导体场效应管进行多个量程多个精度的辐照探测。
在一种可能的实现方式中，所述电容的面积和厚度基于所述总剂量的大小所确定。
在一种可能的实现方式中，所述电容包括第一金属极板，以及依次设置在所述第一金属极板上的金属介质层和第二金属极板。
在一种可能的实现方式中，所述半导体场效应管包括：源漏及衬底，以及设置在所述源漏及衬底上的栅氧化层、栅极和金属通孔金属层。
在一种可能的实现方式中，所述第一金属极板设置在所述金属通孔金属层上方。
在一种可能的实现方式中，所述金属通孔金属层包括远离所述源漏及衬底依次设置的第一金属层、第二金属层和第三金属层；
所述第一金属层的第一部分设置在所述源漏及衬底上，所述第一金属层的第二部分设置在所述栅极上。
在一种可能的实现方式中，所述半导体场效应管还包括层间绝缘介质层，所述层间绝缘介质层设置在所述半导体场效应管内。
在一种可能的实现方式中，所述半导体场效应管还被配置为，基于所述辐照剂量变化量确定所述半导体辐照探测器的灵敏度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本申请实施例提供的一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器的流程示意图；
图2示出了本申请实施例提供的另一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器的流程示意图。
具体实施方式
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
图1示出了本申请实施例提供的一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器的结构示意图，如图1所示，所述针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器包括：
半导体场效应管10，以及设置在所述半导体场效应管10顶部后端的电容模块20；
所述电容模块20被配置为在进行预充电后，随着总剂量效应的不断累积，所述电容模块两端电压发生漂移，施加在所述半导体场效应管的栅极电压基于所述电容模块两端电压的漂移而漂移，确定所述半导体场效应管的漏极电流变化量；
所述半导体场效应管10被配置为基于所述漏极电流变化量确定辐照剂量变化量。
综上所述，本申请实施例提供的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，所述半导体辐照探测器包括：半导体场效应管，以及设置在所述半导体场效应管顶部后端的电容模块；所述电容模块被配置为在进行预充电后，随着总剂量效应的不断累积，所述电容模块两端电压发生漂移，施加在所述半导体场效应管的栅极电压基于所述电容模块两端电压的漂移而漂移，确定所述半导体场效应管的漏极电流变化量；所述半导体场效应管被配置为基于所述漏极电流变化量确定辐照剂量变化量，可以使得半导体场效应管在保证了厚栅氧化层的情况下，通过电容模块提高辐照剂量，使得半导体辐照探测器可以融入CMOS制造工艺中，降低在芯片上集成半导体辐照探测器的成本。
图2示出了本申请实施例提供的另一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器的结构示意图，如图2所示，针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器包括：
半导体场效应管10，以及设置在所述半导体场效应管10顶部后端的电容模块20；
所述电容模块20被配置为在进行预充电后，随着总剂量效应的不断累积，所述电容模块两端电压发生漂移，施加在所述半导体场效应管的栅极电压基于所述电容模块两端电压的漂移而漂移，确定所述半导体场效应管的漏极电流变化量；
所述半导体场效应管10被配置为基于所述漏极电流变化量确定辐照剂量变化量。
可选的，所述半导体场效应管还被配置为，基于所述辐照剂量变化量确定所述半导体辐照探测器的灵敏度。
对于辐照敏感场效应晶体管(Radiation-Sensitive Filed Effect Transistor，RADFET)也即是本申请中的半导体场效应管，其中的灵敏单元是晶体管中MOS结构，利用金属-氧化物-金属(Metal-Oxide-Metal，MOM)电容或是金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)电容同样可以感知辐照射线的剂量。
本申请中的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器是在对电容模块进行预充电后，随着总剂量效应(Total Ionizing Dose，TID)的不断累积，电容-电压曲线会随着辐射剂量累加逐渐漂移，当电容模块两端电压发生漂移，施加在半导体场效应管栅极的电压也会随之漂移，从而使得半导体场效应管漏极电流产生较大变化。
具体的，公式(1)和公式(2)分别是半导体场效应管饱和区及工作区漏端电流表达式：
其中，IDS为器件沟道电流，μn为器件中载流子迁移率；Cox为栅氧化层电容；W和L为器件的宽度和栅长；VDS为漏源之间电压差；Vth为器件阈值电压；VGS是栅源之间电压差。
通过测量漏端电流变化量可以计算出辐照探测器所感知到的辐照剂量变化。此时灵敏度(S)可以公式(3)来表达，
其中，ΔIDS为半导体场效应管漏端电流的漂移量，D为探测器受到的辐照剂量，可以通过电流参量将变化量较小的电压转化为变化量较大的参数，一定程度上提升了探测器灵敏度。
可选的，参见图2所述电容模块20包括至少一个电容C。
在本申请中，所述电容模块包括多个质量不同，和/或电容值大小不同的电容，多个所述电容被配置为，结合所述半导体场效应管进行多个量程多个精度的辐照探测，使得一个半导体辐照探测器可以在多个场景下进行应用。
在本申请中，所述电容的面积和厚度基于所述总剂量的大小所确定。
参见图2，所述电容C包括第一金属极板201，以及依次设置在所述第一金属极板201上的金属介质层202和第二金属极板203。
在本申请中，半导体场效应管可以是普通MOSFET，也可以是绝缘体上硅(Siliconon Insulator，SOI)等结构MOSFET，以实现28纳米等小尺寸节点下新型半导体辐照探测器的集成应用，本申请实施例对半导体场效应管的具体类型结构均不作限定，可以根据实际应用场景做具体调整。
可选的，参见图2，所述半导体场效应管10包括：源漏及衬底101，以及设置在所述源漏及衬底101上的栅氧化层102、栅极103和金属通孔金属层104。
可选的，所述第一金属极板201设置在所述金属通孔金属层104上方。
可选的，所述金属通孔金属层104包括远离所述源漏及衬底101依次设置的第一金属层1041、第二金属层1042和第三金属层1043；
所述第一金属层1041的第一部分设置在所述源漏及衬底101上，所述第一金属层1041的第二部分设置在所述栅极103上。
可选的，所述半导体场效应管10还包括层间绝缘介质层105，所述层间绝缘介质层105设置在所述半导体场效应管10内。
综上所述，本申请实施例提供的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，所述半导体辐照探测器包括：半导体场效应管，以及设置在所述半导体场效应管顶部后端的电容模块；所述电容模块被配置为在进行预充电后，随着总剂量效应的不断累积，所述电容模块两端电压发生漂移，施加在所述半导体场效应管的栅极电压基于所述电容模块两端电压的漂移而漂移，确定所述半导体场效应管的漏极电流变化量；所述半导体场效应管被配置为基于所述漏极电流变化量确定辐照剂量变化量，可以使得半导体场效应管在保证了厚栅氧化层的情况下，通过电容模块提高辐照剂量，使得半导体辐照探测器可以融入CMOS制造工艺中，降低在芯片上集成半导体辐照探测器的成本。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述半导体辐照探测器包括：半导体场效应管，以及设置在所述半导体场效应管顶部后端的电容模块；
所述电容模块被配置为在进行预充电后，随着总剂量效应的不断累积，所述电容模块两端电压发生漂移，施加在所述半导体场效应管的栅极电压基于所述电容模块两端电压的漂移而漂移，确定所述半导体场效应管的漏极电流变化量；
所述半导体场效应管被配置为基于所述漏极电流变化量确定辐照剂量变化量。
2.根据权利要求1所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述电容模块包括至少一个电容。
3.根据权利要求2所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述电容模块包括多个质量不同，和/或电容值大小不同的电容，多个所述电容被配置为，结合所述半导体场效应管进行多个量程多个精度的辐照探测。
4.根据权利要求1-3任一所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述电容的面积和厚度基于所述总剂量的大小所确定。
5.根据权利要求1-3任一所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述电容包括第一金属极板，以及依次设置在所述第一金属极板上的金属介质层和第二金属极板。
6.根据权利要求5所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述半导体场效应管包括：源漏及衬底，以及设置在所述源漏及衬底上的栅氧化层、栅极和金属通孔金属层。
7.根据权利要求6所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述第一金属极板设置在所述金属通孔金属层上方。
8.根据权利要求6所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述金属通孔金属层包括远离所述源漏及衬底依次设置的第一金属层、第二金属层和第三金属层；
所述第一金属层的第一部分设置在所述源漏及衬底上，所述第一金属层的第二部分设置在所述栅极上。
9.根据权利要求8所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述半导体场效应管还包括层间绝缘介质层，所述层间绝缘介质层设置在所述半导体场效应管内。
10.根据权利要求1所述的针对总剂量效应损失的半导体辐照探测器，其特征在于，所述半导体场效应管还被配置为，基于所述辐照剂量变化量确定所述半导体辐照探测器的灵敏度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |