专利名称：基于绝缘体上硅的双探头pmos辐射剂量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及电离辐射剂量测量技术领域，尤其涉及一种基于绝缘 体上硅的双探头PMOS辐射剂量计。
背景技术：
对空间辐射环境的研究始于上世纪四十年代。随着地球磁场俘获 带电粒子形成的强辐射带(Van-Allen带)的发现和相继发生的辐射引 起的卫星运行故障，空间辐射环境的研究越来越受到重视，各种空间 辐射探测技术和设备相继得到了应用，其中也包括一些用于辐射总剂 量监测的技术，如热释光(TLD)剂量计、尼龙薄膜剂量计、G-M计 数管、PIN 二极管、半导体探测器等。这些技术虽然取得了一定的成 功，但也存在各自的缺陷。如难以实现在轨动态监测，有的存在着测 量或读出电路复杂，系统体积或重量庞大，剂量记录信息与电子学系 统接口困难，数据处理繁琐等问题。
二十世纪七十年代，英国的Holmes-Siedle提出了空间电荷剂量计 的概念。特定工艺的P沟道金属-氧化物-半导体晶体管(PMOSFET)受 到电离辐射后，在其氧化层中产生的俘获正电荷和界面态会导致阈值 电压的漂移，生阈电压漂移的幅度与辐射剂量呈现近乎于线性的单调 对应关系。在此基础上，可以利用电离辐射引起PMOSFET阈电压的 变化作为辐射敏感参量，进行辐射总剂量测量。由于PMOS剂量计具 有体积小、重量轻、功耗低、测量和读出电路简单、可靠性高、便于 遥控遥测等特点，非常适用于卫星内外辐射总剂量环境的在轨监测， 并在核工业、医学、辐射防护及便携式个人辐射监测领域内也有广泛 的应用。
但由于PMOS剂量计自身的半导体器件性质，其极易受到外界环 境因素的影响。PMOS剂量计的辐照灵敏度、不同环境下长期工作的
5可靠性和准确性以及监测寿命等方面指标都是目前急待解决的关键技 术，并且对于PMOS剂量计来说，对于某种特定的工艺条件其测量容 限仅能局限于一较小范围内，并且当其氧化层中陷阱电荷到达饱和， 剂量计将不能正常工作。因此有必要对现有PMOS剂量计结构进行改
进，并寻求高灵敏度、高稳定性、宽动态范围、可重复利用的PMOS
剂量计制造技术。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供基于绝缘
体上硅的双探头PMOS辐射剂量计，以完成两种不同数量级范围内的 电离辐射剂量测量，并提高在高温环境下的稳定性。
本发明的目的之二在于提供一种针对此类PMOS剂量计的正、背 栅调栅注入技术以及正栅多根栅条叉指并联结构，以提高剂量计对电 离辐照的敏感程度和调节计量范围，并且利用与顶层硅膜同型的重掺 杂区域形成与源区短接的体接触，在源/体、漏/体以及正、背栅与各自 电极间利用多晶硅化物互联，从而避免级联时反向二极管击穿，并与 SOI CMOS工艺兼容。
本发明的目的之三在于提供一种针对此类PMOS剂量计的可调整 量程的堆叠测量电路，以适应不同监测环境的需要；
本发明的目的之四在于提供一种针对此类PMOS剂量计的退火擦 除缺陷技术，即一种对基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计进 行退火方法，包括退火过程控制及偏置条件、退火温度和时间调节， 以保证剂量计的再生利用。
(二) 技术方案
为达到上述一个目的，本发明提供了一种基于绝缘体上硅的双探 头PMOS辐射剂量计，该辐射剂量计以从上至下依次为顶层硅16、埋 氧层4和底层硅3的绝缘体上硅(SOI)作为基本架构，该辐射剂量计 包括栅氧化层9，设置于正栅氧化层9上
表面的正栅多晶硅层io，设置于正栅多晶硅层IO上表面的正栅多晶硅
化物层11，以及设置于正栅多晶硅化物层11上表面的正栅电极12;
设置于正栅氧化层9 一侧的漏区15，设置于漏区15上表面的漏区 多晶硅化物层14，设置于漏区多晶硅化物层14上表面的漏电极13;
设置于正栅氧化层9另一侧的源区5，在紧邻源区5的旁侧设置的 与顶层硅16同型的重掺杂体接触区6，在体接触区6和源区5上表面 设置的体区及源区多晶硅化物层7，设置于体区及源区多晶硅化物层7 上表面的源电极8;
设置于底层硅3下表面的背栅多晶硅化物层2，设置于背栅多晶硅 化物层2下表面的背栅电极1。
上述方案中，所述正栅氧化层9覆盖了顶层硅16上表面等于设计 规则中沟道尺寸的区域。
上述方案中，所述底层硅3和埋氧层4构成背栅。
上述方案中，分别在源区5、体接触区6、漏区15、正栅多晶硅栅 层10上表面的中央进一步设置有接触孔，所述源电极8、漏电极13 和正栅电极12设置于该接触孔之上；在底层硅3下表面的中央进一步 设置有接触孔，所述背栅电极1设置于该接触孔之上。
上述方案中，所述正栅电极12采用多根栅条叉指形式并联，多根 折形栅条之间通过接触孔与金属互连，相邻栅条共用一个漏电极。
上述方案中，所述正栅电极12和背栅电极1为种不同量程的电极 探头。
上述方案中，该剂量计采用不同方式的正、背栅调栅注入；对正 栅氧化层9区域进行调正栅注入，注入剂量范围为le10至lel2/cm2、 能量范围为95至105keV的BF2;对顶层硅16区域进行调背栅注入， 注入剂量范围为1.2ell至lel3/cm2、能量范围为155至165keV的P。
为达到上述另一个目的，本发明提供了一种可调整量程的堆叠测
量电路，该电路包括 一只或一只以上所述基于绝缘体上硅的双探头
PMOS辐射剂量计单片器件、工作模式选择开关SW以及恒流源Isd;
7所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单片器件为一只 时，所述工作模式选择开关SW将该辐射剂量计单片器件的源电极连 接于所述恒流源Isd，用导线将该辐射计量计单片器件漏电极接至地 线；
所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单片器件为一只 以上时，该多只辐射剂量计单片器件采用漏/源相接的级联方式连接， 并将各自正栅或背栅与漏电极短接，所述工作模式选择开关SW将第 一级辐射剂量计单片器件的源极连接于所述恒流源Isd。
上述方案中，所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单 片器件为一只以上时，该电路采用以下方式实现各PMOS剂量计单 片器件采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自正栅/漏电极短接，最 后一级PMOS剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS剂量计源极接至 工作模式选择开关SW。
上述方案中，所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单 片器件为一只以上时，该电路采用以下方式实现各PMOS剂量计单 片器件采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自背栅/漏电极短接，最 后一级PMOS剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS剂量计源极接至 工作模式选择开关SW。
上述方案中，所述工作模式选择开关SW有以下两种工作模式可 供选择测量模式，将工作模式选择开关SW接至零电位，同时接受 辐照；读出模式，将工作模式选择开关SW接至恒流源，为PMOS剂 量计源极注入保证PMOS剂量计工作于饱和区的恒定电流，SW接至 恒流源20秒后，将第一级PMOS剂量计源极节点电压作为剂量计输出 电压引出至采集电路，利用事先标定的差分电压与辐射剂量的对应关 系曲线，得到与其对应辐射剂量相值。
上述方案中，当该堆叠测量电路测量低剂量率时，采用多个SOI PMOS剂量计背栅堆叠，达到对辐照环境的较高敏感度，当辐射剂量 超过计量量程时，减少堆叠PMOS剂量计数目，直至最后一个；当该 堆叠测量电路测量高剂量率时，将电路实现方式改变为多个PMOS剂 量计正栅堆叠，当辐射剂量超过计量量程时，减少堆叠PMOS剂量计数目，直至最后一个。
为达到上述另一个目的，本发明提供了一种对基于绝缘体上硅的 双探头PMOS辐射剂量计进行退火方法，该方法将经辐照后失效的所 述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计的正栅电极、背栅电极、
源电极以及漏电极接至地线，置于95至105"C环境温度范围下退火230 至310小时；之后将环境温度升温至145至155。C范围继续退火80 120小时；然后将堆叠测量电路取出测试，与该电路未辐照前数据比对 校准。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 利用本发明，可得到具有不同测量范围的双探头PMOS剂量计， 制造过程与SOI CMOS工艺兼容，可有效提高集成度，降低生产成本 和工艺难度；
2、 利用本发明，可得到基于SOI技术的双探头PMOS剂量计， 具有更高的稳定性和耐高温性能，适用范围更广；
3、 利用本发明，可得到一种基于此种SOIPMOS剂量计的可调整
量程的堆叠测量电路结构，对辐照环境的敏感度显著提高，可测量程 较宽并易于控制；
4、 利用本发明，可实现PMOS剂量计探头的重复利用，有效降低
使用成本。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是本发明提供的基于SOI的双探头PMOS辐射剂量计的结构 示意图2是本发明提供的基于SOI的双探头PMOS辐射剂量计的版图 示意图3是本发明提供的正栅堆叠结构电路示意9图4是本发明提供的背栅堆叠结构电路示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的基于SOI的双探头PMOS辐射 剂量计的结构示意图，该辐射剂量计以从上至下依次为顶层硅16、埋 氧层4和底层硅3的SOI作为基本架构，该辐射剂量计包括
设置于顶层硅16上表面的正栅氧化层9，设置于正栅氧化层9上 表面的正栅多晶硅层10，设置于正栅多晶硅层10上表面的正栅多晶硅 化物层11，以及设置于正栅多晶硅化物层11上表面的正栅电极12;
设置于正栅氧化层9 一侧的漏区15，设置于漏区15上表面的漏区 多晶硅化物层14，设置于漏区多晶硅化物层14上表面的漏电极13;
设置于正栅氧化层9另一侧的源区5，在紧邻源区5的旁侧设置的 与顶层硅16同型的重掺杂体接触区6，在体接触区6和源区5上表面 设置的体区及源区多晶硅化物层7，设置于体区及源区多晶硅化物层7 上表面的源电极8;
设置于底层硅3下表面的背栅多晶硅化物层2，设置于背栅多晶硅 化物层2下表面的背栅电极1。
所述正栅氧化层9覆盖了顶层硅16上表面等于设计规则中沟道尺 寸的区域。所述底层硅3和埋氧层4构成背栅。
分别在源区5、体接触区6、漏区15、正栅多晶硅栅层10上表面 的中央进一步设置有接触孔，所述源电极8、漏电极13和正栅电极12 设置于该接触孔之上；在底层硅3下表面的中央进一步设置有接触孔， 所述背栅电极1设置于该接触孔之上。
所述正栅电极12采用多根栅条叉指形式并联，多根折形栅条之间 通过接触孔与金属互连，相邻栅条共用一个漏电极。
所述正栅电极12和背栅电极1为种不同量程的电极探头。
该剂量计采用不同方式的正、背栅调栅注入；对正栅氧化层9区 域进行调正栅注入，注入剂量范围为lel0至lel2/cm2、能量范围为95至105keV的BF2;对顶层硅16区域进行调背栅注入，注入剂量范围 为1.2ell至lel3/cm2、能量范围为155至165keV的磷(P)。
具体可再参照图1以及图2，本发明所提供的SOI PMOS剂量计 包括半导体基片，埋氧层4将半导体基片分为上下两部分，下部分为 底层硅3，上部分为顶层硅16。在底层硅3下方设置背栅多晶硅化物 层2，利用底层硅3和埋氧层4形成背栅，在背栅多晶硅化物层2上设 置金属层作为背栅电极l。
在顶层硅16上表面设置正栅氧化层9并覆盖等于设计规则中沟道 尺寸的区域，并在正栅氧化层上设置正栅多晶硅层10。对正栅氧化层 9区域进行调正栅注入，注入剂量范围为lel0至lel2/cm2、能量范围 为95至105keV的BF2。在正栅氧化层9的一侧形成漏区15，并在其 上部覆盖漏区多晶硅化物层14。在正栅氧化层9的另一侧形成源区5。 在紧邻源区5的旁侧设置与衬底同型的重掺杂体接触区6。在体接触区 6和源区5上部形成体区及源区多晶硅化物层7。对顶层硅16区域进 行调背栅注入，注入剂量范围为1.2ell至lel3/cm2、能量范围为155 至165keV的P(磷)。分别在源区5和体接触区6中央、漏区14、正栅 多晶硅栅层10以及背栅底层硅3上表面设置接触孔17，并在接触孔 17上分别设置源电极8、漏电极13、正栅电极12以及背栅电极1。
图2中正栅多根折形栅条之间12通过接触孔17和金属互连，其 中相邻栅条12共用一个漏13。
本发明所提供的可调整量程的堆叠测量电路结构包括 一只或一 只以上所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单片器件、工 作模式选择开关SW以及恒流源Isd;所述基于绝缘体上硅的双探头 PMOS辐射剂量计单片器件为一只时，所述工作模式选择开关SW将 该辐射剂量计单片器件的源极连接于所述恒流源Isd，用导线将该辐射 计量计单片器件漏电极接至地线；所述基于绝缘体上硅的双探头 PMOS辐射剂量计单片器件为一只以上时，该多只辐射剂量计单片器 件采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自正栅或背栅与漏电极短接， 所述工作模式选择开关SW将第一级辐射剂量计单片器件的源极连接 于所述恒流源Isd。将选取的一只或多只相同的SOI PMOS剂量计单片器件尽可能靠 近的并排安置于PCB板上，该电路可采用两种方式实现各PMOS剂
量计釆用漏/源相接的级联方式并将各自正栅/漏电极短接，如图3所示， 最后一级PMOS剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS剂量计源极接
至工作模式选择开关SW;另一种电路实现方式为各管子采用漏/源
相接的级联方式并将各自背栅/漏电极短接，如图4所示，最后一级 PMOS剂量计漏电极接至地线，第一级PMOS剂量计源极接至工作模 式选择开关SW，具有与第一种电路实现方式相同的两种工作模式可供 选择。
该工作模式选择开关SW有两种工作模式可供选择测量模式，
即开SW接至零电位，同时接受辐照；或读出模式，即开关SW接至 恒流源，为PMOS剂量计源极注入保证PMOS剂量计工作于饱和区的 恒定电流，SW接至恒流源20秒后，将第一级PMOS剂量计源极节点 电压作为剂量计输出电压引出至采集电路，利用事先标定的差分电压 与辐射剂量的对应关系曲线，得到与其对应辐射剂量相值。
该堆叠测量电路测量低剂量率时，可用多个SOI PMOS剂量计背 栅堆叠，从而达到对辐照环境的较高敏感度，当辐射剂量超过计量量 程时，可减少堆叠PMOS剂量计数目，直至最后一个；当堆叠测量高 剂量率时，可将电路实现方式改变为多个PMOS剂量计正栅堆叠，当 辐射剂量超过计量量程时，可减少堆叠PMOS剂量计数目，直至最后 一个。
本发明所提供的对该剂量计退火过程控制及偏置条件、退火温度 和时间调节按如下步骤实施将经辐照后失效的SOI PMOS辐射剂量
计正栅电极、背栅电极、源电极以及漏电极接至地线，置于95 105"C 环境温度范围下退火230 310小时；之后将环境温度升温至145 155i:范围继续退火80 120小时；然后将堆叠测量电路取出测试，与 该电路未辐照前数据比对校准。同时，利用该方法我们也进行了模拟 和实验，结果表明此退火控制方法正确，总体误差在20%以内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果 进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1、一种基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计，其特征在于，该辐射剂量计以从上至下依次为顶层硅(16)、埋氧层(4)和底层硅(3)的绝缘体上硅SOI作为基本架构，该辐射剂量计包括设置于顶层硅(16)上表面的正栅氧化层(9)，设置于正栅氧化层(9)上表面的正栅多晶硅层(10)，设置于正栅多晶硅层(10)上表面的正栅多晶硅化物层(11)，以及设置于正栅多晶硅化物层(11)上表面的正栅电极(12)；设置于正栅氧化层(9)一侧的漏区(15)，设置于漏区(15)上表面的漏区多晶硅化物层(14)，设置于漏区多晶硅化物层(14)上表面的漏电极(13)；设置于正栅氧化层(9)另一侧的源区(5)，在紧邻源区(5)的旁侧设置的与顶层硅(16)同型的重掺杂体接触区(6)，在体接触区(6)和源区(5)上表面设置的体区及源区多晶硅化物层(7)，设置于体区及源区多晶硅化物层(7)上表面的源电极(8)；设置于底层硅(3)下表面的背栅多晶硅化物层(2)，设置于背栅多晶硅化物层(2)下表面的背栅电极(1)。
2、 根据权利要求1所述的基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂 量计，其特征在于，所述正栅氧化层(9)覆盖了顶层硅(16)上表面 等于设计规则中沟道尺寸的区域。
3、 根据权利要求1所述的基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂 量计，其特征在于，所述底层硅(3)和埋氧层(4)构成背栅。
4、 根据权利要求1所述的基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂 量计，其特征在于，分别在源区(5)、体接触区(6)、漏区(15)、正栅多晶硅栅层(10) 上表面的中央进一步设置有接触孔，所述源电极(8)、漏电极(13) 和正栅电极(12)设置于该接触孔之上；在底层硅(3)下表面的中央进一步设置有接触孔，所述背栅电极 (1)设置于该接触孔之上。
5、 根据权利要求1所述的基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂 量计，其特征在于，所述正栅电极(12)采用多根栅条叉指形式并联， 多根折形栅条之间通过接触孔与金属互连，相邻栅条共用一个漏电极。
6、 根据权利要求1所述的基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂 量计，其特征在于，所述正栅电极(12)和背栅电极(1)为种不同量 程的电极探头。
7、 根据权利要求1所述的基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂 量计，其特征在于，该剂量计采用不同方式的正、背栅调栅注入；对正栅氧化层(9)区域进行调正栅注入，注入剂量范围为le10 至lel2/cm2、能量范围为95至105keV的BF2;对顶层硅(16)区域进行调背栅注入，注入剂量范围为1.2ell至 lel3/cm2、能量范围为155至165keV的P。
8、 一种可调整量程的堆叠测量电路，其特征在于，该电路包括 一只或一只以上所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单片 器件、工作模式选择开关SW以及恒流源Isd;所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单片器件为一只 时，所述工作模式选择开关SW将该辐射剂量计单片器件的源电极连 接于所述恒流源Isd，用导线将该辐射计量计单片器件漏电极接至地 线；所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单片器件为一只 以上时，该多只辐射剂量计单片器件采用漏/源相接的级联方式连接， 并将各自正栅或背栅与漏电极短接，所述工作模式选择开关SW将第 一级辐射剂量计单片器件的源极连接于所述恒流源Isd。
9、 根据权利要求8所述的可调整量程的堆叠测量电路，其特征在 于，所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单片器件为一只 以上时，该电路采用以下方式实现各PMOS剂量计单片器件采用漏/源相接的级联方式连接，并将各 自正栅/漏电极短接，最后一级PMOS剂量计漏电极接至地线，第一级 PMOS剂量计源极接至工作模式选择开关SW。
10、 根据权利要求8所述的可调整量程的堆叠测量电路，其特征在于，所述基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计单片器件为一 只以上时，该电路采用以下方式实现各PMOS剂量计单片器件采用漏/源相接的级联方式连接，并将各自背栅/漏电极短接，最后一级PMOS剂量计漏电极接至地线，第一级 PMOS剂量计源极接至工作模式选择开关SW。
11、 根据权利要求9或IO所述的可调整量程的堆叠测量电路，其 特征在于，所述工作模式选择开关SW有以下两种工作模式可供选择测量模式，将工作模式选择开关SW接至零电位，同时接受辐照； 读出模式，将工作模式选择开关SW接至恒流源，为PMOS剂量 计源极注入保证PMOS剂量计工作于饱和区的恒定电流，SW接至恒 流源20秒后，将第一级PMOS剂量计源极节点电压作为剂量计输出电 压引出至采集电路，利用事先标定的差分电压与辐射剂量的对应关系 曲线，得到与其对应辐射剂量相值。
12、 根据权利要求8所述的可调整量程的堆叠测量电路，其特征 在于，当该堆叠测量电路测量低剂量率时，采用多个SOI PMOS剂量计 背栅堆叠，达到对辐照环境的较高敏感度，当辐射剂量超过计量量程 时，减少堆叠PMOS剂量计数目，直至最后一个；当该堆叠测量电路测量高剂量率时，将电路实现方式改变为多个 PMOS剂量计正栅堆叠，当辐射剂量超过计量量程时，减少堆叠PMOS 剂量计数目，直至最后一个。
13、 一种对基于绝缘体上硅的双探头PMOS辐射剂量计进行退火 方法，其特征在于，该方法将经辐照后失效的所述基于绝缘体上硅的 双探头PMOS辐射剂量计的正栅电极、背栅电极、源电极以及漏电极 接至地线，置于95至105X:环境温度范围下退火230至310小时；之 后将环境温度升温至145至155。C范围继续退火80 120小时；然后将 堆叠测量电路取出测试，与该电路未辐照前数据比对校准。
全文摘要
本发明涉及电离辐射剂量测量领域，公开了一种基于SOI技术的可重复利用PMOS辐射剂量计，包括背栅电极、多晶硅化物层、半导体衬底、隐埋氧化层、顶层硅膜、体接触区、源区、漏区、源电极、漏电极、正栅氧化层、正栅多晶硅层和正栅电极。本发明将剂量计制作于SOI衬底之上，具有两种测量不同剂量率的电极探头；采用不同方式的正、背栅调栅注入以调节探头测量范围；利用与顶层硅膜同型的重掺杂区域形成与源区短接的体接触；源/体、漏/体以及正、背栅与各自电极间利用多晶硅化物互联；正栅采用多根栅条叉指形式并联以增大探头敏感区域；剂量计退火过程控制及偏置条件、退火温度和时间调节；可调整量程的堆叠剂量计测量电路的方法及结构。
文档编号G01T1/02GK101458337SQ20071017935
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者刚 刘, 刘梦新, 赵超荣, 韩郑生 申请人:中国科学院微电子研究所