PMOS辐照检测传感器的研究

论文摘要

本论文主要对PMOS辐照检测传感器进行研究,以传感器灵敏度研究为轴线,讨论了PMOS辐照检测原理和两种能够明显改善传感器灵敏度的新方法——双介质栅结构和多管级联结构。论文首先对传统硅基单管PMOS辐照检测传感器的基本理论进行了系统的阐述,从简单的MOS二极管及其辐照效应的研究着手,向完整PMOS辐照检测传感器辐照总剂量检测原理逐步推进。分析了栅氧化层厚度、沟道长度、沟道宽度、沟道掺杂浓度等器件尺寸参数对传感器性能的影响。在此过程中,一种研究热载流子失效机理的方法被进行拓展,用来分析传感器的辐照检测原理,拓展以后的方法同时考虑了界面态陷阱电荷与氧化物陷阱电荷的影响,而原方法仅考虑界面态陷阱电荷的作用。传统PMOS辐照检测传感器采用单一的二氧化硅栅结构,辐照在栅氧化层中形成氧化物陷阱电荷,在硅-二氧化硅界面处形成界面态陷阱电荷,这两种陷阱电荷导致了辐照后阈值电压的漂移,阈值电压漂移量越大传感器的灵敏度就越高。但是这种结构中存在着不可避免的退火效应,使部分被俘获的空穴逃逸,阈值电压的漂移量就不能真实地反映所吸收的辐照总剂量,传感器的灵敏度由于退火效应而降低。双介质栅结构的传感器采用Metal-Si3N4-SiO2-Si结构,在两种介质膜界面及其附近的Si3N4体内存在大量陷阱,这些陷阱足以存储辐照产生的全部空穴,从而杜绝或减少退火效应的发生,能够显著改善传感器的灵敏度性能。传统PMOS辐照检测传感器一般采用单管,灵敏度不太高,提高灵敏度的手段主要是增加栅氧化层的厚度,在现有的工艺条件下生长1μm SiO2需要很长时间,受栅氧化时间的限制使用这种方法提升传感器的灵敏度是有限的。引入新的设计方法——多管级联,可以有效提高传感器的灵敏度,同时不需要增加氧化层厚度。论文第四章对传感器的不同级联方式进行研究:共衬级联方式随着级联管数的增加,传感器的平均灵敏度成倍增长,但是其最大级联管数受PMOSFET的衬底-漏极二极管的反向击穿电压的影响;不共衬级联方式不受级联管数的制约,但响应灵敏度低于同管数共衬级联方式。在第二、三、四章研究内容的基础上,论文第五章尝试对高灵敏度传感器进行研究,探讨高灵敏度传感器的实现方法,初步提出高灵敏传感器的工艺设计方法并给出工艺仿真结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 PMOS 辐照检测传感器简介
• 1.1.1 基本原理
• 1.1.2 应用领域
• 1.1.3 主要特点
• 1.1.4 研究历史与现状
• 1.2 课题研究的背景和意义
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第二章 PMOS 辐照检测传感器的基本理论
• 2.1 MOS 二极管
• 2.1.1 理想MOS 二极管
• 2.1.2 实际MOS 二极管
• 2.2 MOS 二极管的总剂量辐照效应
• 2.2.1 辐照诱生电子-空穴对
• 2.2.2 电子空穴对的复合
• 2.2.3 逃脱复合的空穴产额
• 2.2.4 MOS 二极管的辐照过程
• 2.3 PMOS 辐照检测传感器
• 2.3.1 辐照诱生氧化物陷阱电荷
• 2.3.2 界面态陷阱电荷
• 2.3.3 阈值电压漂移的模型
• 2.3.4 阈值电压漂移的模拟
• 2.4 本章小结
• 第三章 双介质栅PMOS 辐照检测传感器
• 3.1 器件结构
• 3.2 辐照过程
• 3.2.1 电荷的产生
• 3.2.2 电荷的俘获
• 3.3 阈值电压的漂移
• 3.4 阈值电压漂移的模拟
• 3.4.1 介质厚度对ΔVth 的影响
• 3.4.2 偏置电压对ΔVth 的影响
• 3.4.3 退火效应对ΔVth 的影响
• 3.4.4 辐照总剂量对ΔVth 的影响
• 3.4.5 辐照剂量率对ΔVth 的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 多管级联PMOS 辐照检测传感器
• 4.1 级联方式
• 4.2 阈值电压的漂移
• 4.3 多管共衬级联阈值漂移特性
• 4.4 多管不共衬级联阈值漂移特性
• 4.5 本章小结
• 第五章 高灵敏度PMOS 辐照检测传感器
• 5.1 实现高灵敏度的方法
• 5.1.1 单介质栅结构
• 5.1.2 双介质栅结构
• 5.1.3 多管级联结构
• 5.2 工艺设计探讨
• 5.2.1 单介质栅工艺
• 5.2.2 双介质栅工艺
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录： 作者在攻读硕士学位期间发表的论文