一種mos結構的輻射劑量探測器及其製備方法
2023-06-01 01:50:51 1
一種mos結構的輻射劑量探測器及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種MOS結構的輻射劑量探測器及其製備方法，該輻射劑量探測器從上到下依次包括頂電極，複合氧化層，襯底和底電極，所述複合氧化層又包括熱氧化層和澱積層。該複合氧化層由於通過刻蝕和澱積技術製備的結構，從而使本發明輻射劑量探測器的MOS結構具有高缺陷密度、大厚度的氧化層。利用本發明MOS結構的輻射劑量探測器，測量時在較低電壓下就可以獲得較大的電流，提高了靈敏度，降低了測量難度。
【專利說明】—種MOS結構的輻射劑量探測器及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及輻射劑量探測器，特別涉及一種具有高缺陷氧化層的MOS(金屬-氧化物-半導體)結構的輻射劑量探測器，屬於微機械電子系統中的電磁探測技術。
【背景技術】
[0002]輻射環境廣泛存在於人們的生產、生活與研究當中:在太空環境中有環繞地球的範艾倫輻射帶和各種宇宙射線；在實驗室中存在實驗用的不同放射性元素；在核電站、醫療機構等設施中也存在著很多放射源。為了了解這些輻射環境的性質，輻射探測器成了重要的選擇。如何製造量程、靈敏度合適的輻射探測器也是現在很多研究人員積極探討的問題。傳統的化學輻射劑量測量方法操作複雜，器材不宜攜帶，難以廣泛的應用。而隨著MEMS(Micro-electro-mechanicalSystem)技術快速的發展，以及其應用終端「輕、薄、短、小」的特點，MEMS技術製造的輻射探測器開始受到廣泛關注，其中基於MOS結構的輻射探測器是重要的一種。MOS結構的劑量探測器有體積小，量程大，而且與現代集成工藝很好兼容的優勢。
[0003]MOS輻射劑量探測的原理如下。絕緣性良好的氧化層的禁帶寬度大，電子和空穴難以分別進入導帶和價帶而導電，可移動電荷極少，故在通常情況下電阻率極高。在接受外界輻照時，高能量的射線使氧化層晶格中的原子激發，導帶電子躍遷到價帶形成電子空穴對，降低了電阻率，而結束輻照後由於熱運動以及一些複合中心的作用，使得電子空穴複合消失。但是存在這樣一些氧化層，其中的電子和空穴的遷移率相差很大，假如在輻照時施加一個恆定電場，在庫侖力的作用下兩者會反向遷移，且一方遷移速度更快，當快的一方遷移出氧化層時，就可以大大減少複合概率。例如在二氧化矽中，MOS柵極加正偏壓時，電子會迅速離開氧化層，而空穴則在周期勢場作用下逐步跳躍式遷移，非常緩慢。此時若存在E』，Y 』等缺陷中心，就在禁帶中產生了相應缺陷能級，從而俘獲空穴，將其固定在氧化層中。如此就獲得了存在束縛電荷的MOS。測量時可利用熱激發電流法測量俘獲電荷數目，並建立其與輻射劑量的對應關係，即可實現對輻射劑量的測量。
[0004]然而目前存在的MOS輻射劑量探測器測量時電流很小，測量所需的電壓高、溫度高，大大增加了測量難度。
【發明內容】
[0005]針對上述問題，本發明提供了一種MOS結構的輻射劑量探測器及其製備方法。運用刻蝕和澱積技術製備高缺陷密度、大厚度氧化層的MOS結構。測量時在較低電壓下就可以獲得較大的電流，提高了靈敏度，降低了測量難度。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]—種MOS結構的輻射劑量探測器，從上到下依次包括頂電極，複合氧化層，襯底和底電極，所述複合氧化層又包括熱氧化層和澱積層。
[0008]進一步地，所述熱氧化層由圖形化的襯底經熱氧化形成。[0009]進一步地，所述圖形化的襯底為立柱或網狀結構。
[0010]進一步地，所述澱積層與熱氧化層由相同的氧化物構成。
[0011 ] 進一步地，所述襯底包括矽襯底，所述複合氧化層包括複合二氧化矽層。
[0012]進一步地，所述頂電極和底電極為金屬電極，所述金屬包括鋁和金。
[0013]進一步地，上述澱積層為化學氣相澱積(CVD)層。
[0014]該輻射劑量探測器製備方法如下:
[0015]I)襯底圖形化；
[0016]2)將圖形化的襯底進行熱氧化，形成熱氧化層；
[0017]3)進行氧化物填充，使氧化物充滿上述熱氧化層間隙，即生成澱積層；
[0018]4)在澱積層之上和襯底之下分別製備金屬電極，即頂電極和底電極。
[0019]上述步驟I)中，可通過光刻定義圖形，使用刻蝕技術實現襯底的圖形化。
[0020]上述步驟I)中，所述襯底包括矽襯底。
[0021]上述步驟2)中，所述熱氧化層包括由圖形化矽襯底熱氧化成的二氧化矽立柱或網狀結構。
[0022]上述步驟3)中，所述氧化物與圖形化襯底熱氧化的產物相同。
[0023]上述步驟3)中，填充氧化物的方法包括化學氣相澱積(CVD)法。
[0024]上述步驟4)中，所述金屬電極包括鋁電極和金電極。
[0025]上述步驟4)中，可以採用濺射、蒸發、電鍍等方法製備金屬電極。
[0026]本發明的有益效果在於:
[0027]本發明輻射劑量探測器MOS結構中的複合氧化層由於是兩次生成的結構，所以存在很多界面，而且澱積層本身缺陷數較多，使得整個複合氧化層有高的缺陷密度。而襯底被刻蝕成立柱或網狀結構，其高度決定了氧化層厚度，襯底熱氧化並CVD 二氧化矽填充，利於製造較厚的氧化層，從而使整體缺陷數目增加。因此，該結構能夠在受輻射時俘獲更多電荷，從而提高器件靈敏度，增加測量電流。本發明MOS輻射劑量探測器測得峰值電流約450nA,相比於已有MOS福射劑量探測器通常在IOpA左右的電流有很大的提聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明實施例製備的MOS結構的輻射劑量探測器的截面圖。
[0029]圖2 (a)為本發明實施例進行反應離子刻蝕(RIE)各向異性刻蝕後矽襯底的截面圖。
[0030]圖2 (b)為本發明實施例進行深矽刻蝕(ASE)後矽襯底的截面圖。
[0031]圖3為本發明實施例對矽襯底進行熱氧化形成的熱氧化層的截面圖。
[0032]圖4為本發明實施例對行刻蝕的一面進行LPCVD澱積形成的澱積層的截面圖。
[0033]圖5為本發明實施例去除行刻蝕背面的二氧化矽層後的澱積層的截面圖。
[0034]圖6為本發明實施例的測量數據圖。
[0035]其中，I——頂電極，II——複合二氧化矽層，III——矽襯底，IV——底電極，I—熱氧化層，2—澱積層。
【具體實施方式】[0036]下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步詳細描述:
[0037]如圖1，本實施例所製備的MOS結構的輻射劑量探測器分為四個材料層，最上層為頂電極I，依次往下為複合二氧化矽層II，矽襯底III，最底層為底電極IV。複合二氧化矽層II又分為熱氧化層I和澱積層2。
[0038]上述MOS結構的輻射劑量探測器是根據如下方法製備的:
[0039]I)取單晶矽片一片(雙拋矽片，400 μ m，N型摻雜，100晶向)作為矽襯底III，在矽襯底III進行光刻、刻蝕形成矽立柱結構，即圖形化的矽襯底III。
[0040]其中刻蝕的過程分為兩步:
[0041](a)使用反應離子刻蝕(RIE)各向異性刻蝕2 μ m，見圖2 (a);
[0042](b)使用深矽刻蝕(ASE)刻蝕18μπι，見圖2 (b)。
[0043]2)圖形化的矽襯底III進行熱氧化(1000°C)，形成的熱氧化層I的厚度為I μ m，見圖3。
[0044]3)通過LPCVD澱積二氧化矽，形成澱積層2的厚度為2 μ m，見圖4。之後使用RIE和緩衝氫氟酸(BHF)去除背面二氧化矽層，見圖5。
[0045]4)對上下兩面分別濺射金屬鋁，分別形成頂電極I和底電極IV，厚度分別為I μ m，見圖1。
[0046]最終製備的MOS結構的輻射劑量探測器，如圖1所示。
[0047]器件採用TSC方法進行測量。給予器件-1V偏壓，即頂電極相對於底電極為-1V。將器件置於烘箱內，以約2.550C /min的升溫速度從約25°C加熱到110°C。通過HP4156半導體分析儀監控通過器件的電流，形成溫度-電流關係。如圖6所示，本發明MOS輻射劑量探測器測得峰值電流約450nA，相比於已有MOS輻射劑量探測器通常在IOpA左右的電流有很大的提聞。
[0048]本實施例提供了一種MOS結構的輻射劑量探測器，本發明不僅局限於此實施例，可以根據實際需要和設計要求做出相應的修改。
[0049]本實施例中矽襯底III的厚度、摻雜濃度為實現較高的靈敏度均可進行調節。
[0050]本實施例步驟I)中刻蝕過程和刻蝕深度可根據設備具體情況和氧化層厚度需求進行調節。
[0051]本實施例步驟2)中的熱氧化層厚度可以根據設備具體情況進行調節。
[0052]本實施例步驟3)中澱積二氧化矽的方法不限於LPCVD，也可以是其他的可以實現良好填充的澱積方法。
[0053]本實施例中上下兩面濺射的鋁金屬層可以換做其它金屬良導體，如金。且可以使用其他方法製備金屬電極，如蒸發。
[0054]以上通過實施例詳細描述了本發明所提供的MOS結構的輻射劑量探測器，本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明實質的範圍內，可以對本發明做一定的變形或修改；其製備方法也不限於實施例中所公開的內容。
【權利要求】
1.一種MOS結構的輻射劑量探測器，從上到下依次包括頂電極，複合氧化層，襯底和底電極，所述複合氧化層又包括熱氧化層和澱積層。
2.如權利要求1所述的輻射劑量探測器，其特徵在於，所述熱氧化層由圖形化的襯底經熱氧化形成。
3.如權利要求2所述的輻射劑量探測器，其特徵在於，所述圖形化的襯底為立柱或網狀結構。
4.如權利要求1所述的輻射劑量探測器，其特徵在於，所述澱積層與熱氧化層由相同的氧化物構成。
5.如權利要求1所述的輻射劑量探測器，其特徵在於，所述襯底包括矽襯底，所述複合氧化層包括複合二氧化矽層。
6.如權利要求1所述的輻射劑量探測器，其特徵在於，所述頂電極和底電極為金屬電極，所述金屬包括鋁和金。
7.—種MOS結構的輻射劑量探測器的製備方法，包括如下步驟: 1)襯底圖形化； 2)將圖形化的襯底進行熱氧化，形成熱氧化層； 3)進行氧化物填充，使氧化物充滿上述熱氧化層間隙，生成澱積層； 4)在澱積層之上和襯底之下分別製備金屬電極，形成頂電極和底電極。
8.如權利要求7所述的輻射劑量探測器的製備方法，其特徵在於，步驟I)中所述襯底包括矽襯底；步驟4)中所述金屬電極包括鋁電極和金電極，製備所述金屬電極的方法包括濺射、蒸發和電鍍。
9.如權利要求8所述的輻射劑量探測器的製備方法，其特徵在於，步驟2)中，所述熱氧化層包括由圖形化的矽襯底熱氧化成的二氧化矽立柱或網狀結構。
10.如權利要求7所述的輻射劑量探測器的製備方法，其特徵在於，步驟3)中，所述氧化物與圖形化襯底熱氧化的產物相同；填充氧化物的方法包括化學氣相澱積法。
【文檔編號】B81B7/02GK103523742SQ201310508920
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月24日 優先權日:2013年10月24日
【發明者】張錦文, 楊鈺淏 申請人:北京大學