JP5536695B2 - 放射線モニタ及び放射線モニタリングのための方法 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、放射線モニタリング及び線量測定の分野に関する。

放射線は、Ｘ線、γ線、又はβ線等を含む、様々な形態で入ってくる。イオン化検出器、ガイガーカウンタ及び熱ルミネセンス検出器（ＴＬＤ）のような、放射線曝露（radiation exposure）量を求めるために用いることができる種々のタイプの放射線モニタが存在する。ガイガーカウンタ及びイオン化検出器は、リアルタイムで放射線曝露の線量率（例えば、ｍＲａｄ／時での）又は積算線量（例えば、Ｒａｄでの）を求めて表示することができる。線量率又は積算線量に基づいて、アラーム設定点をプログラムすることができる。ガイガーカウンタ又はイオン化検出器は、データ・ロギング又はファームウェアの更新のために、コンピュータと通信することができる。しかしながら、ガイガーカウンタ及びイオン化検出器は、比較的高価なものである。ＴＬＤは、加熱による光子の放出に基づいて放射線量を求めることを可能にする。ＴＬＤは、比較的安価なものであるが、典型的には１ヶ月から３ヶ月までの間の曝露時間の後にしか読み取ることができない。ＴＬＤを用いて、放射線曝露の程度を事後に求めることしかできず、リアルタイムの線量情報は入手できない。

半導体放射線モニタリング装置は、ゲート酸化物層がバルクシリコン上に製造された、ｐチャネルの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のトランジスタ構造体を含むことができる。放射線曝露をイオン化することによって、ＦＥＴ構造体内に正孔が生じ、この正孔が、ゲートに印加された電圧によってゲート酸化物内にトラップされ、トラップされた正孔の量に応じて、トランジスタの閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）が変化し得る。しかしながら、Ｖ_ｔｈの変化を測定するために、負の電圧がゲートに印加され、そのことが、直接トンネリング（direct tunneling）又はトラップ支援トンネリング（trap-assistedtunneling）を介してゲート酸化物内にトラップされた正孔の解放をトリガすることがある。

従って、このようなＦＥＴ型線量計における放射線量を求めるためのＶ_ｔｈシフトの電気的読み出しが、放射線誘起電荷の損失をもたらし、不正確な長期の総線量データを導くことがある。さらに、トラップ電圧及び読み出し電圧の両方をゲートに印加し、これらを同時に印加することができないため、放射線量に関するリアルタイムの情報を得ることができない。

１つの態様において、半導体デバイスが、半導体基板と、半導体基板上に配置された埋め込み絶縁体層であって、半導体デバイスによる放射線曝露に応じてある電荷量を複数の電荷トラップ内に保持するように構成された埋め込み絶縁体層と、埋め込み絶縁体層上に配置された半導体層と、半導体層上に配置された第２の絶縁体層と、第２の絶縁体層上に配置されたゲート導体層と、半導体層に電気的に接続された１つ又は複数の側面コンタクトとを含む。

１つの態様において、放射線モニタリングのための方法が、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む放射線モニタにバックゲート電圧を印加することと、放射線モニタを放射線に曝露することと、放射線モニタの閾値電圧の変化を求めることと、閾値電圧の変化に基づいて放射線曝露量を求めることとを含む。

この例示的な実施形態の技術を通して、さらなる特徴が実現される。他の実施形態は、本明細書で詳細には説明されず、特許請求の範囲に記載された発明の一部とみなされる。例示的な実施形態の特徴をより良く理解するために、説明及び図面を参照されたい。

ここで、幾つかの図面において同様の要素に同様の番号が付されている図面を参照する。

ＦＥＴ放射線モニタの実施形態の断面を示す。 環状ＦＥＴとして構成された放射線モニタの実施形態の平面図を示す。 ＦＥＴ放射線モニタの実施形態の断面を示す。 ＦＥＴ放射線モニタによる放射線モニタリングのための方法を示す。

ＦＥＴ放射線モニタのためのシステム及び方法の実施形態が提供され、例示的な実施形態が、以下に詳細に説明される。完全空乏型シリコン・オン・インシュレータ（ＦＤＳＯＩ）ＭＯＳＦＥＴを用いて、種々のタイプのイオン化放射線の線量を検出することができ、かつ、長期の電荷保持を示し、総放射線量の長期にわたる追跡を可能にするＦＥＴ放射線モニタを製造することができる。このＦＥＴ放射線モニタは、半導体ウェハ製造技術を用いて所望のように小さく又は大きく作ることができ、比較的低いパワードレインを有することができる。

ＦＥＴ放射線モニタは、比較的小さく、安価なものとすることができ、自動車、建物、エアフィルタ、或いは、コンピュータ、携帯電話、音楽プレーヤー、ＰＤＡ又はＧＰＳのような携帯用電子機器、或いはこれらに限定されるものではないが、パスポート、クレジットカード又は運転免許証を含む他の品目に組み込むことができる。この装置は、ＦＥＴ放射線モニタが被曝した放射線量をＲＦタグ・リーダーに通信することができる無線周波数（ＲＦ）タグと通信状態にあることが可能である。緊急事態に迅速に処置を決定できるように、放射線モニタから積算放射線量情報を求めることができる。放射線治療を受ける患者の身体の中に放射線モニタを埋め込み、腫瘍への放射線量又は医用画像処理の際に受けた放射線量を求めることもできる。埋め込まれた放射線モニタからリアルタイムの放射線量情報を収集して、適切な放射線量が患者に与えられていることを確認することができる。ＦＥＴ放射線モニタは、比較的小さいバッテリ又は予め充電されたキャパシタと共に用いることができる。ＦＥＴ放射線モニタはまた、１つ又は複数のインダクタと電気的に接続することもでき、かつ、その全体が引用により本明細書に組み入れられる２００９年１１月３０日に出願された米国特許出願第１２／６２７，０７６号（Ｃａｂｒａｌ他）に記載されるようなＬＣ回路と共に用いることもできる。

図１は、放射線モニタの断面１００の実施形態を示す。放射線モニタは、ゲート導体層１０１と、絶縁体層１０２と、半導体層１０３と、埋め込み絶縁体層１０４と、半導体基板１０５と、ソース１０６と、ドレイン１０７と、側面コンタクト１０８ａ−ｂと、スペーサ材料１０９と、裏面コンタクト１１０とを含む。幾つかの実施形態においては、ゲート導体層１０１は、ポリシリコン、金属、又はシリサイドのうちの１つを含むことができる。幾つかの実施形態においては、絶縁体層１０２は、酸化シリコン又は酸化窒化シリコンのような酸化物を含むことができ、絶縁体層１０２の誘電率は、約４を下回るものとすることができる。幾つかの実施形態においては、半導体層１０３は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）層を含むことができ、また、非ドープ・シリコンを含むことができ、ＦＥＴ放射線モニタの通常の動作のために用いられる電圧下で完全空乏型ＳＯＩ（ＦＤＳＯＩ）を形成することができる。幾つかの実施形態においては、埋め込み絶縁体層１０４は、埋め込み酸化シリコン（ＢＯＸ）、酸化シリコン、又は窒化シリコンを含むことができる。幾つかの実施形態において、半導体基板１０５は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、又はヒ化ガリウムのうちの１つを含むことができる。幾つかの実施形態において、側面コンタクト１０８は、注入シリコン、金属、又はシリサイドを含むことができる。幾つかの実施形態において、スペーサ材料１０９は、窒化シリコンを含むことができる。裏面コンタクト１１０は、半導体基板１０５に電気的に接続され、側面コンタクト１０８ａ及び１０８ｂは、それぞれソース１０６及びドレイン１０７に電気的に接続される。ＦＥＴ放射線モニタは、ｎチャネルＦＥＴデバイス又はｐチャネルＦＥＴデバイスのいずれかを含むことができる。

幾つかの実施形態においては、絶縁体層１０２は、約５オングストロームから約５０オングストロームまでの厚さとすることができる。幾つかの実施形態においては、半導体層１０３は、約４０ナノメートル（ｎｍ）の厚さより薄くすることができる。比較的薄い半導体層１０３は、ゲート導体層１０１、絶縁体層１０２、及び半導体層１０３を含むＦＤＳＯＩ ＦＥＴの閾値電圧の変化を監視することによる放射線量の有効な検出を容易にすることができる。半導体層１０３の所望の厚さは、ＳＯＩウェハの表面の熱酸化によって達成することができる。次に、酸化されたシリコン層を除去し、比較的薄いＳＯＩ層を残すことができる。さもなければ、標準的な半導体製造プロセスを用いて、ＦＥＴ放射線モニタを製造することができる。幾つかの実施形態においては、埋め込み絶縁体層１０４は、約５００オングストロームから２０００オングストロームまでの間の厚さとすることができ、幾つかの例示的な実施形態においては、約１４００オングストロームから１６００オングストロームまでの厚さとすることができる。幾つかの実施形態においては、半導体基板１０５は、８００ミクロンより薄い厚さとすることができる。

図２は、環状ＦＥＴとして構成された放射線モニタの実施形態の平面図２００の実施形態を示す。図１を参照して図２を説明する。放射線モニタは、スペーサ材料１０９によってゲート導体１０１から分離されたソース１０６を含む。ゲート導体１０１は、スペーサ材料１０９によってドレイン１０７から分離される。側面コンタクト１０８ａ及び１０８ｂは、それぞれソース領域１０６及びドレイン領域１０７上に配置される。図２の環状ＦＥＴ放射線モニタの構成は、例示目的のためだけに示されるものであり、放射線モニタは、ソース、ドレイン、及びゲートを含むＦＥＴのいずれの適切な構成も含むことができる。

図３は、イオン化放射線３０１への曝露後のＦＥＴ放射線モニタの断面３００の実施形態を示す。放射線３０１は、これらに限定されるものではないが、高エネルギーのイオン化放射線、陽子ビーム、Ｘ線、光子、ガンマ線、又は中性子ビーム放射線を含むことができる。放射線３０１により、電子−正孔対が、半導体層１０２及び埋め込み絶縁体層１０４内に生成され、これにより、正電荷３０２が蓄積し、埋め込み絶縁体層１０４内に保持される。正電荷３０２の量は、放射線モニタが曝露された放射線の量を示す。正電荷３０２は、デバイスの劣化及びＦＥＴ放射線モニタの閾値（Ｖ_ｔｈ）の変化をもたらす。放射線量は、Ｖ_ｔｈの変化に基づいて求めることができる。Ｖ_ｔｈの変化を追跡することにより、総放射線量の測定が可能になる。

放射線曝露３０１により生成された電子−正孔対の再結合を防止するために、裏面コンタクト１１０においてバックゲート電圧（Ｖ_ｂｇ）を半導体基板１０５に印加して、絶縁体層１０２及び埋め込み絶縁体層１０４にわたる正のバイアスを形成し、電子がゲート導体１０１及び半導体基板１０５の方向にドリフトし、正孔が半導体層１０３と埋め込み絶縁体層１０４との間の界面の方向に移動し、正電荷３０２を形成するようにする。埋め込み絶縁体層１０４は、電荷３０２をトラップする複数の電荷トラップを含むことができ、幾つかの実施形態においては、埋め込み絶縁体材料の１ｃｍ^３当たりの電荷トラップ数は、約１×１０^１７から１×１０^１８までとすることができる。その結果、Ｖ_ｂｇを印加することにより、正電荷３０２が埋め込み絶縁体層１０４内にトラップされ、トラップされた電荷３０２により、Ｖ_ｔｈの変化がもたらされる。放射線曝露中、半導体基板１０５においてＶ_ｂｇを印加し、埋め込み絶縁体層１０４内にトラップされた、放射線３０１によって生じた正孔を保持する。これにより、ＦＥＴ放射線モニタのゲート１０１がトラップされた電荷３０２から分離される。読み出し電圧をゲート導体１０１に印加することによって、Ｖ_ｔｈを求めることができる。読み出し電圧は、埋め込み絶縁体層１０４及び半導体層１０２にわたる負のバイアスを含むことができる。読み出し電圧は正電荷３０２を妨げないので、ゲート導体１０１において読み出し電圧を印加することにより、Ｖ_ｔｈを非侵襲的にリアルタイムで求めることが可能になる。キャパシタ構成内にＦＥＴ放射線モニタを配線し、ゼロのゲート電圧又は一定のゲート電圧におけるゲート導体１０１と側面コンタクト１０８ａ又は１０８ｂの一方との間の容量の変化を測定することによって、Ｖ_ｔｈの変化を測定することもできる。

埋め込み絶縁体層１０４は、周囲環境及びＦＥＴ放射線モニタの電極（すなわち、ゲート導体１０１、ソース１０６及びドレイン１０７）から電気的に絶縁されているので、ＦＥＴ放射線モニタは、時間の経過に伴い良好な電荷３０２の保持を示すことができ、劣化はごく僅かである。例えば、放射線が誘起したＶ_ｔｈシフトの劣化は、ＰＦＥＴ放射線モニタにおいては約２５日間にわたり、ＮＦＥＴ放射線モニタにおいては約１５日間にわたって約１０％より少ないものであり得る。電荷保持により、長期にわたる累積放射線治療の追跡のために放射線モニタを使用することが可能になる。

図４は、ＦＥＴ放射線モニタを用いる放射線モニタリングのための方法４００の実施形態を示す。図３を参照して図４を説明する。ブロック４０１において、正のバイアスを含むバックゲート電圧（Ｖ_ｂｇ）をＦＥＴ放射線モニタのシリコン基板１０５に印加する。ブロック４０２において、ＦＥＴ放射線モニタを放射線に曝露する。放射線曝露中、Ｖ_ｂｇをシリコン基板に印加し続ける。ブロック４０３において、埋め込み絶縁体層１０４内に蓄積された正電荷３０２のために、ＦＥＴ放射線モニタに曝露された放射線の量に基づいてＦＥＴ放射線モニタの閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）が変化する。ブロック４０４において、読み出し電圧をＦＥＴ放射線モニタのゲート導体１０１に印加して、Ｖ_ｔｈの変化を求める。幾つかの実施形態においては、読み出し中、Ｖ_ｂｇをシリコン基板に印加し続けることができる。ブロック４０５において、Ｖ_ｔｈの変化に基づいて、放射線曝露量が求められる。

単一の半導体基板１０５は、各々が、別個のゲート導体層、絶縁体層、半導体層、埋め込み絶縁体層、ソース、ドレイン、側面コンタクト、スペーサ材料、及び裏面コンタクトを含む、複数のＦＥＴ放射線モニタを保持することができる。複数のＦＥＴ放射線モニタを、これらに限定されるものではないが、線形アレイ、２次元アレイ、又は３次元アレイを含むアレイ状に配置して、異なる領域における放射線量及び異なる方向からの放射線量を検出することもできる。異なる方向は、直角とすることができる。幾つかの実施形態において、フィルタをＦＥＴ放射線モニタと放射線３０１の供給源との間に配置して、放射線３０１の一部がデバイスを透過するのを防止すること、或いは、入射放射線のタイプに対するデバイスの感度をより大きく又は小さくすることができる。半導体基板１０５内に、これらに限定されるものではないが、メモリセル、クロック、マイクロプロセッサ、ＤＮＡセンサ、生体センサ、危険物センサ、グルコース・センサ、赤血球センサ、又はカメラを含む別のタイプのデバイスを組み込むこともできる。

例示的な実施形態の技術的効果及び利点として、長期にわたる又はリアルタイムの放射線量情報を求めるために用いることができる、比較的小さく安価な放射線モニタが挙げられる。

１００、３００：放射線モニタの断面
１０１：ゲート導体層
１０２：絶縁体層
１０３：半導体層
１０４：埋め込み絶縁体層
１０５：半導体基板
１０６：ソース
１０７：ドレイン
１０８ａ、１０８ｂ：側面コンタクト
１０９：スペーサ材料
１１０：裏面コンタクト
３０１：放射線
３０２：正電荷

Claims (35)

1. 放射線モニタであって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に配置された埋め込み絶縁体層であって、複数の電荷トラップを含む、前記埋め込み絶縁体層と、
   前記埋め込み絶縁体層上に配置された半導体層と、
   前記半導体層上に配置された第２の絶縁体層と、
   前記第２の絶縁体層上に配置されたゲート導体層と、
   前記半導体層に電気的に接続された１つ又は複数の側面コンタクトと、
   前記半導体基板に電気的に接続された裏面コンタクトであって、前記裏面コンタクトは放射線曝露中、バックゲート電圧を受け取るように構成されており、前記バックゲート電圧は前記放射線曝露に応答して、前記埋め込み絶縁体層における前記電荷トラップの量をトラップするように構成されている前記埋め込み絶縁体層にわたる正のバイアスを含み、前記埋め込み絶縁体層における前記電荷トラップ中にトラップされた正電荷の量が前記放射線曝露の量を決定するために使用される、前記裏面コンタクトと
   を備えている、前記放射線モニタ。
2. 前記埋め込み絶縁体層の１ｃｍ^３当たりの電荷トラップ数は、１×１０^１７〜１×１０^１８である、請求項１に記載の放射線モニタ。
3. 前記半導体基板の厚さは、８００ミクロンより薄い、請求項１に記載の放射線モニタ。
4. 前記半導体基板は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、又はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）のうちの１つを含む、請求項１に記載の放射線モニタ。
5. 前記埋め込み絶縁体層の厚さは、５００オングストローム〜２０００オングストロームである、請求項１に記載の放射線モニタ。
6. 前記埋め込み絶縁体層の厚さは、１４００オングストローム〜１６００オングストロームである、請求項５に記載の放射線モニタ。
7. 前記埋め込み絶縁体層は、酸化シリコン又は窒化シリコンのうちの一方を含む、請求項１に記載の放射線モニタ。
8. 前記第２の絶縁体層の厚さは、５オングストローム〜５０オングストロームである、請求項１に記載の放射線モニタ。
9. 前記第２の絶縁体層の誘電率は４を下回る、請求項１に記載の放射線モニタ。
10. 前記第２の絶縁体層は、酸化物、酸化シリコン、又は窒化シリコンのうちの１つを含む、請求項１に記載の放射線モニタ。
11. 前記ゲート導体層は、ポリシリコン、金属、又はシリサイドのうちの１つを含む、請求項１に記載の放射線モニタ。
12. 前記１つ又は複数の側面コンタクトは、注入シリコン、シリサイド、又は金属のうちの１つを含む、請求項１に記載の放射線モニタ。
13. 前記ゲート導体層と前記１つ又は複数の側面コンタクトのうちの少なくとも１つとの間の容量をさらに含み、前記容量は、前記埋め込み絶縁体層内にトラップされた電荷量の関数として変化する、請求項１に記載の放射線モニタ。
14. 前記放射線は、イオン化放射線、陽子ビーム、Ｘ線、光子、ガンマ線、又は中性子ビーム放射線のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の放射線モニタ。
15. 前記ゲート導体層に電気的に接続された１つ又は複数のインダクタをさらに備えており、前記１つ又は複数のインダクタ、並びに前記１つ又は複数の側面コンタクトのうちの少なくとも１つは、共振周波数を有する共振回路を形成する、請求項１に記載の放射線モニタ。
16. 前記共振周波数は、前記埋め込み絶縁体層においてトラップされた電荷量の関数として変化する、請求項１５に記載の放射線モニタ。
17. 前記放射線モニタを身体内に配置して、前記身体が被曝した放射線量を求める、請求項１に記載の放射線モニタ。
18. 前記放射線モニタは、医用画像形成の際に受けた放射線量を求める、請求項１７に記載の放射線モニタ。
19. 前記放射線モニタは、前記身体内の腫瘍が被曝した放射線量を求める、請求項１７に記載の放射線モニタ。
20. 放射線の空間的分布を求めるための、アレイ状に配置された複数の半導体デバイスをさらに含む、請求項１に記載の放射線モニタ。
21. 前記アレイ状は、線形アレイ、２次元アレイ、又は３次元アレイのうちの１つである、請求項２０に記載の放射線モニタ。
22. 前記複数の半導体デバイスの第１のものは、前記複数の半導体デバイスの第２のものとは異なる方向からの放射線を検出するように構成される、請求項２０に記載の放射線モニタ。
23. 前記異なる方向は、直角である、請求項２２に記載の放射線モニタ。
24. 前記放射線モニタと放射線の供給源との間に配置された１つ又は複数のフィルタ層をさらに含み、前記フィルタ層は、前記放射線の一部が前記放射線モニタを透過するのを防止するか、或いは入射放射線のタイプに対する前記放射線モニタの感度をより大きく又は小さくするように構成される、請求項１に記載の放射線モニタ。
25. 前記半導体基板上に配置された第２のデバイスをさらに含む、請求項１に記載の放射線モニタ。
26. 前記放射線モニタは、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、コンピュータ、電子機器の一部分、自動車、建物、エアフィルタ、クレジットカード、パスポート、運転免許証、紙、封筒、食物、食品雑貨店、又はセキュリティ・バッジのうちの１つの中に組み込まれる、請求項１に記載の放射線モニタ。
27. 放射線モニタリングのための方法であって、
    請求項１〜２６のいずれか一項に記載の放射線モニタにバックゲート電圧を印加するステップであって、前記バックゲート電圧は前記埋め込み絶縁体層にわたる正のバイアスを含む、前記印加するステップと、
    前記放射線モニタを放射線に曝露するステップと、
    前記放射線曝露に応答して、前記バックゲート電圧による前記埋め込み絶縁体層における複数の電荷トラップにおける正電荷の量をトラップするステップと、
    前記放射線モニタの閾値電圧の変化を求めるステップと、
    前記閾値電圧の変化に基づいて放射線曝露量を求めるステップと
    を含む、前記方法。
28. 前記閾値電圧の変化を求めるステップは、負のバイアスを含む読み出し電圧を前記放射線モニタのゲート導体層に印加するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記バックゲート電圧は、前記放射線モニタの半導体基板に電気的に接続された裏面コンタクトに印加される、請求項２７に記載の方法。
30. 前記放射線モニタは、半導体層によって分離された埋め込み絶縁体層及びゲート絶縁体層を含む、請求項２７に記載の方法。
31. 前記半導体層の厚さは、４０ナノメートルより薄い、請求項３０に記載の方法。
32. 前記半導体層は、非ドープ・シリコンを含む、請求項３０に記載の方法。
33. 前記閾値電圧は、前記埋め込み絶縁体層においてトラップされた前記正電荷の量に基づいて変化する、請求項３０に記載の方法。
34. 前記放射線モニタは、ｎチャネルＦＥＴを含む、請求項３０に記載の方法。
35. 前記放射線モニタのゲート導体層と側面コンタクトとの間の容量の変化を求めるステップと、
    前記容量の変化に基づいて前記閾値電圧の変化を求めるステップと
    をさらに含む、請求項２７に記載の方法。

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