[发明专利]一种电容式Si基辐射探测器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，具体涉及一种电容式Si基辐射探测器件及其制备方法。 

背景技术

辐射探测器主要是为了测量各种辐射环境粒子，例如光子、中子、α粒子、β粒子和高能离子等。因此，它在核物理、医疗、生物医学场合以及宇航卫星探测等领域有着广泛的应用。例如，在空间应用领域，需要实时测量空间环境粒子的计量率，从而确保电子设备的正常工作。 

MOS型电容式辐射剂量计指的是用半导体材料制作出来的剂量计。在辐射条件下，器件的栅氧介质区域会产生感生的空穴电子对，其中一定数量的电子空穴对会立即发生复合并消失，而那些没有发生复合的电子空穴对在电场的作用下会慢慢漂移。如果栅极加上正偏压，那么电子就会迅速漂移到栅极上并离开灵敏区域。这意味着在栅极加上正偏压可以增加剂量计的灵敏度。与电子运动方向相反，空穴会缓慢的向Si衬底方向移动。作为SiO₂的一个固有特性，在SiO₂中会有一些空穴陷阱。在Si和SiO₂的界面处附近，空穴陷阱的密度最高。因此，当空穴向Si衬底方向移动时，一定数量的空穴就会被空穴陷阱俘获，从而引起SiO₂区域中正电荷的增加量跟所受到的辐射量服从一定的函数关系，是一种次线性的关系。这是因为随着辐照量的增加，空穴陷阱的数量会减少，栅压区域的灵敏度会下降。随着SiO₂区域中正电荷的增加，MOS管电容的CV曲线会发生平移，所以通过测量MOS电容CV曲线平移电压之差△V，就可以计 算出MOS电容式剂量计受到的辐射累计剂量D。 

1983年，Ian thomson首次利用MOS器件来进行辐射效应的探测并对其p-MOS的RADFET辐射剂量计进行了标定。1985年，M einhard knoll利用浮栅MOS器件对辐射剂量率进行计量，由于采用浮栅结构和干法氧化二氧化硅栅介质工艺，从而使MOS器件的抗辐射性能进一步提高，辐射感生的电荷主要产生在浮栅上。 

1996年，R istic利用厚栅氧结构，得到了具有高抗辐射退化能力的RADFET器件，但其栅极的工作电压过高。1998年，O'cornell利用干法热氧化和PECVD的工艺方法，研制出一种SiO₂/SiON的叠层栅介质结构，利用此结构，将其辐射灵敏度提升到7.54mv/rad，并成功将其应用到临床工作医疗中。 

2004年，Arner haran系统研究了非掺杂和掺杂的介质的MOS器件的长期可靠性问题，研究表明掺杂后的栅介质能够有效的改善RADFET器件的长期可靠性。 

综上所述，当前国际上的RADFET器件都是基于体硅工艺，采用SiO₂(SiN)栅介质薄膜形成的。该型RADFET器件的主要问题有以下几个方面：1)由于采用了体硅工艺，未对单粒子效应做有效的隔离；2)为了抑制RADFET器件辐射后阈值电压的退化，一般都采用较厚的栅氧厚度，造成RADFET器件的工作电压过高；3)现有的RADFET器件普遍采用SiO₂(SiON)结构栅介质，这使其灵敏度响应偏低；4)现有的RADFET器件的工作时间较短，无法满足长期的辐射信息数据的记录；5)缺乏保护装置，在突发性的高辐射环境下，容易造成MOS剂量率器件的烧毁。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式Si基辐射探测器件及其制备方法，该电容式Si基辐射探测器件的辐射灵敏度高、感生电荷容量高、工作栅电压较低，该制备方法成本低、工艺简单、重复性好、易于和现有的大规模集成电路工艺整合。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种电容式Si基辐射探测器件，包括Si衬底层，Si衬底层的上方设有埋氧层，埋氧层上从中心向四周依次设有金属填充区、栅介质区、Si薄膜层、欧姆接触注入区和氧化隔离层，欧姆接触注入区的上方设有欧姆接触区，金属填充区的上方设有栅极金属电极。 

所述的栅介质区包括填充复合栅介质区，以及位于填充复合栅介质区外侧的过渡SiO₂介质层。 

所述的填充复合栅介质区的厚度d为10-60nm； 

所述的过渡SiO₂介质层的厚度为0.5～1.5nm； 

所述的填充复合栅介质区是由二元金属氧化物介质叠层构成的。