JP5937108B2 - 粒子放射線の非電離効果に関連する線量を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒子放射線の線量測定に関し、特に、高フルエンス非電離放射線の線量測定に関する。

宇宙環境において、電子システムは、主に陽子や電子から形成される粒子の放射線を受ける。そのような放射線は、電子システム性能の劣化を引き起こす。放射線に対するこの感受性は、電子部品の小型化によって高められる傾向がある。

特定の地上用途は、例えばヨーロッパ合同原子核研究機関（ＣＥＲＮ）の大型ハドロン衝突型加速器ＬＨＣで電子システムのための拘束放射線環境も生み出す。

放射線環境における３つのタイプの電子部品障害、すなわち、電離線量効果、シングルイベント効果、および、非電離線量効果を区別することができる。

電離放射線は、電子部品の材料中で電荷（イオン）の形成および捕捉を引き起こす。シングルイベント効果（ＳＥＥ）は、単一粒子により引き起こされる局所電離によって特徴付けられる。最後に、非電離線量効果は、粒子と結晶格子原子核との衝突に起因する半導体材料中の原子の移動に関連付けられる。

放射線量は、フルエンス、すなわち、所定の時間にわたる粒子流量によって表すことができる。慣例により、特定のタイプの粒子のフルエンスは、１ＭｅＶエネルギーを有する中性子の等価フルエンスへと変換される。これにより、異なる性質の粒子により引き起こされる劣化を比較することができる。ＬＨＣでは、１０年間にわたる等価フルエンスが１０^９ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２と１０^１５ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２（１ｃｍ^２当たりの１ＭｅＶでの中性子）との間で変化する。

電子回路の劣化を評価するためには、部品に蓄積される放射線量を測定することが望ましい。現在の線量計はシリコンＰＩＮダイオードから形成される。

ＰＩＮダイオードは、放射線に晒された後に順方向バイアスがかけられる。１ｍＡに等しい振幅と１００ｍｓ〜７００ｍｓの範囲の持続時間とを有する電流パルスが一般に印加され、その後、ダイオードの両端間の電圧が測定される。チャートによって、等価フルエンスが順方向電圧から決定される。

ＰＩＮダイオードは、２．１０^１２ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２〜４．１０^１４ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２の範囲のフルエンスに対して感受性がある。しかしながら、１ｍＡよりも低い電流を検出感度の損失へ注入することによって、このフルエンス範囲を最大で６，３．１０^１５ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２まで拡大することができる。

ＬＨＣの今後の実験においては、最大で１０^１７ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２までの範囲の更に高いフルエンスに達することが期待される。そのような放射線レベルは、原子力発電所で現在直面されるレベルに対応する。そのようなフルエンスにおいては、従来の線量計がもはや適合されない。確かに、ＰＩＮダイオードの電圧応答は飽和し、それにより、ダイオードを読み取ることが不可能になる。

したがって、良好な感度をもって高い放射線レベルを測定するための方法を提供する必要性が存在する。

この必要性は、半導体材料から形成される電極を備える容量素子への放射線照射と、蓄積状態の容量素子のキャパシタンスの測定と、蓄積状態の容量素子のキャパシタンスの測定値からの粒子放射線の非電離効果に関連する線量の決定とを行うことによって満たされるようになる。

他の利点および特徴は、単なる非限定的な例示目的のために与えられて添付図面に表される本発明の特定の実施形態の以下の説明から、より明確に明らかになる。

図１は、容量素子を備える、非電離放射線量を測定するための装置を示している。 図２は、幾つかの放射線レベルΦ_ｅｑにおける、放射線を浴びた容量素子のキャパシタンスＣと両端間に印加される電圧Ｖとの間の関係を示すグラフである。 図３は、キャパシタンスＣと等価フルエンスΦ_ｅｑとの間の関係を示すチャートである。 図４は、基板の寄生抵抗Ｒ_Ｓと等価フルエンスΦ_ｅｑとの間の関係を示すチャートである。

本発明者らは、蓄積状態での容量素子のキャパシタンスが粒子放射線の非電離効果に関連する線量にしたがって変化することを認識した。キャパシタンスは、１０^１７ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２程度の高フルエンスに至るまで連続的に且つ単調に変化する。ここでは、この認識を生かして、高性能非電離放射線量計を形成するものとする。

図１は、容量素子２を備える非電離放射線量計を表している。容量素子２は、金属またはポリシリコンの電極４（ゲート）と、誘電体層６（ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＨＦＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５…）と、半導体材料、例えばシリコン基板から形成される電極８とを備える。容量素子は、ＭＯＳ型、すなわち、金属／酸化物／半導体のキャパシタであることが好ましい。

線量計は、素子２の端子に、すなわち、電極４，８に接続されるＡ．Ｃ．電圧発生器１０と、素子２を通じて流れる電流Ｉを測定するための回路１２とを更に備える。回路１２は、電流の値から蓄積モードの素子２のキャパシタンスを決定する計算機１４に接続される。このとき、計算機１４は、例えば表１６またはチャートにより、キャパシタンス値に対応する放射線量Φ_ｅｑを決定する。

発生器１０、測定回路１２、および、計算機１４（表１６を計算機１４に組み込むことができる）は、単一の装置、例えば半導体パラメータ分析器を形成してもよい。

定義により、蓄積状態は、基板の大部分の電荷キャリア（ｎ型基板の電子およびｐ型基板の正孔）が誘電体／半導体界面へ向けて引き付けられる容量素子のバイアス状態に対応する。

線量を決定するために、蓄積状態の容量素子のキャパシタンスが最初に測定される。そのような測定は、例えば容量素子のＣ−Ｖ曲線の取得によって放射中または放射後に行われてもよい。キャパシタンス測定は、高周波および低周波で行われてもよい。

図２は、異なる放射線レベルにおける、基準容量素子のキャパシタンスＣ対両端間に印加される電圧Ｖのプロットの例を表している。破線の曲線は、放射線を浴びていない容量素子のキャパシタンスを示している。動作条件は以下の通りである。

−容量素子は、１．８ＭｅＶで荷電される陽子の流れによって照射される。

−陽子フルエンスは１０^１２ｃｍ^−２と５．１０^１３ｃｍ^−２との間で変化し、これは、１，８．１０^１３ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２〜９．１０^１４ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２の範囲の等価フルエンスに対応する（１７，９程度の換算率ｋ）。

−容量素子のゲートがポリシリコンから形成され、二酸化ケイ素誘電体層が７ｎｍ厚を有し、また、シリコン基板がｎ型ドープされる。そのドーピングレベルは１０^１５ｃｍ^−２に等しい。

−基板厚さは５４０μｍであり、容量素子の表面積は５００×５００μｍ^２に等しい。

−基板は、放射線に晒されている間にわたって接地される。

等価フルエンスφ_ｅｑごとに、キャパシタンスＣは、プラス電圧Ｖにおいて最大値Ｃ_Ｍに達する。ｎ型容量素子、すなわち、ｎ型ドープされた基板上に形成される素子の場合には、これらの電圧が蓄積モードに対応する。したがって、フルエンスφ_ｅｑが増大するにつれて蓄積状態のキャパシタンス値Ｃ_Ｍが減少するのが分かる。

この現象を説明するため、本発明者らは、陽子フルエンスごとに等価Ｘ線量を計算した。Ｘ線は専ら電離しているにすぎない。本発明者らは、その後、容量素子（前述した容量素子と同一）をそのようなＸ線量に晒して、容量素子のキャパシタンスの変化がないことを観察した。

したがって、キャパシタンスＣ_Ｍの減少は、非電離線量効果のみに起因しているように思われる。ここで、非電離放射線は、電荷キャリアの移動性およびそれらの寿命を低下させる基板中の原子の移動によって特徴付けられる。これは、基板抵抗率の増大をもたらす。

したがって、キャパシタンスＣ_Ｍの減少は、放射線量と共に増大する基板の寄生抵抗に帰属させられてもよい。論文［「Ｎｏｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃ−Ｖ ｃｕｒｖｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」，Ｅｓｔｒａｄａ Ｄｅｌ Ｃｕｅｔｏ，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３９（１０），ｐ．１５１９，１９９６］から引用される以下のモデルにより、線量計により測定されるキャパシタンスＣ_Ｍとこの抵抗との間の関係を得ることができる。

蓄積状態では、基板と関連付けられるキャパシタンスを無視できる。その結果、容量素子を酸化物キャパシタンスＣ_ＯＸおよび直列の基板抵抗Ｒ_Ｓの形態でモデリングできる。キャパシタンスＣ_ＯＸは、酸化物の性質および厚さにしたがって変化する。先の例では、キャパシタンスＣ_ＯＸの理論値が１２００ｐＦに等しい。

このモデルは、論文［「Ｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ ｐｒｏｔｏｎ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｕｎｅｌｌｉｎｇ ＭＯＳ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ」，Ｆｌｅｔａ ｅｔ ａｌ．，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，７２，ｐｐ．８５−８９，２００４］においても使用された。著者は、ＭＯＳキャパシタンスを陽子流に晒している最中の直列抵抗の出現を強調する。しかしながら、彼は、それを、基板抵抗率の増大によってではなく、基板の背面接点の劣化によって説明する。これは、直列抵抗がキャパシタンス表面積とは無関係だからである。

このモデルを用いると、キャパシタンスＣ_Ｍの測定中に容量素子を通じて流れる電流Ｉは、以下の関係により与えられる。

Ｖ_ＡＣは、測定装置によってゲートに印加されるＡ．Ｃ．信号の振幅であり、また、ωはその角周波数である。

このとき、電流の虚数部分は以下のように書き表される。

これは、蓄積状態で測定されるキャパシタンスＣ_Ｍと直列抵抗Ｒ_Ｓとの間の関係を与える。

図２の曲線に基づき、蓄積キャパシタンスＣ_Ｍと非電離放射線量Φ_ｅｑとの間の関係を示すチャートを形成することができる。

図３はそのようなチャートを表している。キャパシタンスＣ_Ｍの測定後、チャートを読み取ることにより、容量素子に蓄積される対応する線量Φ_ｅｑを決定することができる。

非電離放射線量にしたがった容量素子のキャパシタンスの変化は、ほぼ５．１０^１２ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２〜１０^１６ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２の範囲のフルエンスにおいて形成される場合がある。検出下限および検出上限は、容量素子の性質および寸法にしたがって、特に容量素子の表面積にしたがって変化する場合がある。したがって、容量素子は、原子力発電所で直面される放射線レベルなど、高い放射線レベルを測定できるようにする。

図４は、線量を読み取るために使用されてもよい第２のチャートを表している。このチャートは、直列抵抗Ｒ_Ｓを等価フルエンスφ_ｅｑに関連付ける。そのチャートは、関係（３）と図２のキャパシタンスＣ_Ｍの値とから抵抗Ｒ_Ｓの値を計算することによって得られた。検出閾値を発端として直列抵抗Ｒ_Ｓがフルエンスと共に直線的に変化するのが分かる。図４の例では、この閾値が約７．１０^１３ｎ_ｅｑ／ｃｍ^２である。

容量素子の応答は一般に直線的であり、そのため、線量計の読み取りが更に容易になり、線量計の信頼性が高まる。ＭＯＳ容量素子は有用なマイクロエレクトロニクス部品である。したがって、線量計の形成が容易である。ＰＩＮダイオードとは反対に、ＭＯＳ容量素子は、約２０．１０^９ｃｍ^−２．Ωの良好な感度を維持しつつ高いフルエンス（直列抵抗単位当たりのフルエンス）を測定できるようにする。

線量計の多くの変形および改良を当業者が想起できる。確かに、線量計は特定の容量素子構造に限定されない。容量素子は、特に、例えばｎ型またはｐ型ドープされたゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム合金から成る様々な性質の半導体基板上に形成されてもよい。

Claims (2)

1. 粒子放射線の非電離効果に関連する線量（Φ_ｅｑ）を測定する方法であって、
   半導体材料から形成される電極を備えるＭＯＳ型の容量素子（２）に放射線を照射するステップと、
   基板の電荷キャリアが誘電体／半導体界面へ向けて引き付けられる容量素子のバイアス状態に対応する蓄積状態の前記容量素子のキャパシタンス（Ｃ_Ｍ）を測定するステップと、
   前記蓄積状態の前記容量素子のキャパシタンスの測定値から非電離効果に関連する線量（Φ_ｅｑ）を決定するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 最初に、異なる放射線レベルを受ける基準容量素子を用いて、前記キャパシタンス（Ｃ_Ｍ）を非電離効果に関連する線量（Φ_ｅｑ）に対して関連付けるチャートを形成するステップと、前記チャートを読み取って、非電離効果に関連する線量（Φ_ｅｑ）を決定するステップとを備える請求項１に記載の方法。