一种mos结构的辐射剂量探测器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种MOS结构的辐射剂量探测器及其制备方法，该辐射剂量探测器从上到下依次包括顶电极，复合氧化层，衬底和底电极，所述复合氧化层又包括热氧化层和淀积层。该复合氧化层由于通过刻蚀和淀积技术制备的结构，从而使本发明辐射剂量探测器的MOS结构具有高缺陷密度、大厚度的氧化层。利用本发明MOS结构的辐射剂量探测器，测量时在较低电压下就可以获得较大的电流，提高了灵敏度，降低了测量难度。
【专利说明】—种MOS结构的辐射剂量探测器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及辐射剂量探测器，特别涉及一种具有高缺陷氧化层的MOS(金属-氧化物-半导体)结构的辐射剂量探测器，属于微机械电子系统中的电磁探测技术。
【背景技术】
[0002]辐射环境广泛存在于人们的生产、生活与研究当中:在太空环境中有环绕地球的范艾伦辐射带和各种宇宙射线；在实验室中存在实验用的不同放射性元素；在核电站、医疗机构等设施中也存在着很多放射源。为了了解这些辐射环境的性质，辐射探测器成了重要的选择。如何制造量程、灵敏度合适的辐射探测器也是现在很多研究人员积极探讨的问题。传统的化学辐射剂量测量方法操作复杂，器材不宜携带，难以广泛的应用。而随着MEMS(Micro-electro-mechanicalSystem)技术快速的发展，以及其应用终端“轻、薄、短、小”的特点，MEMS技术制造的辐射探测器开始受到广泛关注，其中基于MOS结构的辐射探测器是重要的一种。MOS结构的剂量探测器有体积小，量程大，而且与现代集成工艺很好兼容的优势。
[0003]MOS辐射剂量探测的原理如下。绝缘性良好的氧化层的禁带宽度大，电子和空穴难以分别进入导带和价带而导电，可移动电荷极少，故在通常情况下电阻率极高。在接受外界辐照时，高能量的射线使氧化层晶格中的原子激发，导带电子跃迁到价带形成电子空穴对，降低了电阻率，而结束辐照后由于热运动以及一些复合中心的作用，使得电子空穴复合消失。但是存在这样一些氧化层，其中的电子和空穴的迁移率相差很大，假如在辐照时施加一个恒定电场，在库仑力的作用下两者会反向迁移，且一方迁移速度更快，当快的一方迁移出氧化层时，就可以大大减少复合概率。例如在二氧化硅中，MOS栅极加正偏压时，电子会迅速离开氧化层，而空穴则在周期势场作用下逐步跳跃式迁移，非常缓慢。此时若存在E’，Y ’等缺陷中心，就在禁带中产生了相应缺陷能级，从而俘获空穴，将其固定在氧化层中。如此就获得了存在束缚电荷的MOS。测量时可利用热激发电流法测量俘获电荷数目，并建立其与辐射剂量的对应关系，即可实现对辐射剂量的测量。
[0004]然而目前存在的MOS辐射剂量探测器测量时电流很小，测量所需的电压高、温度高，大大增加了测量难度。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明提供了一种MOS结构的辐射剂量探测器及其制备方法。运用刻蚀和淀积技术制备高缺陷密度、大厚度氧化层的MOS结构。测量时在较低电压下就可以获得较大的电流，提高了灵敏度，降低了测量难度。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种MOS结构的辐射剂量探测器，从上到下依次包括顶电极，复合氧化层，衬底和底电极，所述复合氧化层又包括热氧化层和淀积层。
[0008]进一步地，所述热氧化层由图形化的衬底经热氧化形成。[0009]进一步地，所述图形化的衬底为立柱或网状结构。
[0010]进一步地，所述淀积层与热氧化层由相同的氧化物构成。
[0011 ] 进一步地，所述衬底包括硅衬底，所述复合氧化层包括复合二氧化硅层。
[0012]进一步地，所述顶电极和底电极为金属电极，所述金属包括铝和金。
[0013]进一步地，上述淀积层为化学气相淀积(CVD)层。
[0014]该辐射剂量探测器制备方法如下:
[0015]I)衬底图形化；
[0016]2)将图形化的衬底进行热氧化，形成热氧化层；
[0017]3)进行氧化物填充，使氧化物充满上述热氧化层间隙，即生成淀积层；
[0018]4)在淀积层之上和衬底之下分别制备金属电极，即顶电极和底电极。
[0019]上述步骤I)中，可通过光刻定义图形，使用刻蚀技术实现衬底的图形化。
[0020]上述步骤I)中，所述衬底包括硅衬底。
[0021]上述步骤2)中，所述热氧化层包括由图形化硅衬底热氧化成的二氧化硅立柱或网状结构。
[0022]上述步骤3)中，所述氧化物与图形化衬底热氧化的产物相同。
[0023]上述步骤3)中，填充氧化物的方法包括化学气相淀积(CVD)法。
[0024]上述步骤4)中，所述金属电极包括铝电极和金电极。
[0025]上述步骤4)中，可以采用溅射、蒸发、电镀等方法制备金属电极。
[0026]本发明的有益效果在于:
[0027]本发明辐射剂量探测器MOS结构中的复合氧化层由于是两次生成的结构，所以存在很多界面，而且淀积层本身缺陷数较多，使得整个复合氧化层有高的缺陷密度。而衬底被刻蚀成立柱或网状结构，其高度决定了氧化层厚度，衬底热氧化并CVD 二氧化硅填充，利于制造较厚的氧化层，从而使整体缺陷数目增加。因此，该结构能够在受辐射时俘获更多电荷，从而提高器件灵敏度，增加测量电流。本发明MOS辐射剂量探测器测得峰值电流约450nA,相比于已有MOS福射剂量探测器通常在IOpA左右的电流有很大的提闻。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明实施例制备的MOS结构的辐射剂量探测器的截面图。
[0029]图2 (a)为本发明实施例进行反应离子刻蚀(RIE)各向异性刻蚀后硅衬底的截面图。
[0030]图2 (b)为本发明实施例进行深硅刻蚀(ASE)后硅衬底的截面图。
[0031]图3为本发明实施例对硅衬底进行热氧化形成的热氧化层的截面图。
[0032]图4为本发明实施例对行刻蚀的一面进行LPCVD淀积形成的淀积层的截面图。
[0033]图5为本发明实施例去除行刻蚀背面的二氧化硅层后的淀积层的截面图。
[0034]图6为本发明实施例的测量数据图。
[0035]其中，I——顶电极，II——复合二氧化硅层，III——硅衬底，IV——底电极，I—热氧化层，2—淀积层。
【具体实施方式】[0036]下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细描述:
[0037]如图1，本实施例所制备的MOS结构的辐射剂量探测器分为四个材料层，最上层为顶电极I，依次往下为复合二氧化硅层II，硅衬底III，最底层为底电极IV。复合二氧化硅层II又分为热氧化层I和淀积层2。
[0038]上述MOS结构的辐射剂量探测器是根据如下方法制备的:
[0039]I)取单晶硅片一片(双抛硅片，400 μ m，N型掺杂，100晶向)作为硅衬底III，在硅衬底III进行光刻、刻蚀形成硅立柱结构，即图形化的硅衬底III。
[0040]其中刻蚀的过程分为两步:
[0041](a)使用反应离子刻蚀(RIE)各向异性刻蚀2 μ m，见图2 (a);
[0042](b)使用深硅刻蚀(ASE)刻蚀18μπι，见图2 (b)。
[0043]2)图形化的硅衬底III进行热氧化(1000°C)，形成的热氧化层I的厚度为I μ m，见图3。
[0044]3)通过LPCVD淀积二氧化硅，形成淀积层2的厚度为2 μ m，见图4。之后使用RIE和缓冲氢氟酸(BHF)去除背面二氧化硅层，见图5。
[0045]4)对上下两面分别溅射金属铝，分别形成顶电极I和底电极IV，厚度分别为I μ m，见图1。
[0046]最终制备的MOS结构的辐射剂量探测器，如图1所示。
[0047]器件采用TSC方法进行测量。给予器件-1V偏压，即顶电极相对于底电极为-1V。将器件置于烘箱内，以约2.550C /min的升温速度从约25°C加热到110°C。通过HP4156半导体分析仪监控通过器件的电流，形成温度-电流关系。如图6所示，本发明MOS辐射剂量探测器测得峰值电流约450nA，相比于已有MOS辐射剂量探测器通常在IOpA左右的电流有很大的提闻。
[0048]本实施例提供了一种MOS结构的辐射剂量探测器，本发明不仅局限于此实施例，可以根据实际需要和设计要求做出相应的修改。
[0049]本实施例中硅衬底III的厚度、掺杂浓度为实现较高的灵敏度均可进行调节。
[0050]本实施例步骤I)中刻蚀过程和刻蚀深度可根据设备具体情况和氧化层厚度需求进行调节。
[0051]本实施例步骤2)中的热氧化层厚度可以根据设备具体情况进行调节。
[0052]本实施例步骤3)中淀积二氧化硅的方法不限于LPCVD，也可以是其他的可以实现良好填充的淀积方法。
[0053]本实施例中上下两面溅射的铝金属层可以换做其它金属良导体，如金。且可以使用其他方法制备金属电极，如蒸发。
[0054]以上通过实施例详细描述了本发明所提供的MOS结构的辐射剂量探测器，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
【权利要求】
1.一种MOS结构的辐射剂量探测器，从上到下依次包括顶电极，复合氧化层，衬底和底电极，所述复合氧化层又包括热氧化层和淀积层。
2.如权利要求1所述的辐射剂量探测器，其特征在于，所述热氧化层由图形化的衬底经热氧化形成。
3.如权利要求2所述的辐射剂量探测器，其特征在于，所述图形化的衬底为立柱或网状结构。
4.如权利要求1所述的辐射剂量探测器，其特征在于，所述淀积层与热氧化层由相同的氧化物构成。
5.如权利要求1所述的辐射剂量探测器，其特征在于，所述衬底包括硅衬底，所述复合氧化层包括复合二氧化硅层。
6.如权利要求1所述的辐射剂量探测器，其特征在于，所述顶电极和底电极为金属电极，所述金属包括铝和金。
7.—种MOS结构的辐射剂量探测器的制备方法，包括如下步骤: 1)衬底图形化； 2)将图形化的衬底进行热氧化，形成热氧化层； 3)进行氧化物填充，使氧化物充满上述热氧化层间隙，生成淀积层； 4)在淀积层之上和衬底之下分别制备金属电极，形成顶电极和底电极。
8.如权利要求7所述的辐射剂量探测器的制备方法，其特征在于，步骤I)中所述衬底包括硅衬底；步骤4)中所述金属电极包括铝电极和金电极，制备所述金属电极的方法包括溅射、蒸发和电镀。
9.如权利要求8所述的辐射剂量探测器的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述热氧化层包括由图形化的硅衬底热氧化成的二氧化硅立柱或网状结构。
10.如权利要求7所述的辐射剂量探测器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述氧化物与图形化衬底热氧化的产物相同；填充氧化物的方法包括化学气相淀积法。
【文档编号】B81B7/02GK103523742SQ201310508920
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】张锦文, 杨钰淏 申请人:北京大学