МОП ДИОДНАЯ ЯЧЕЙКА МОНОЛИТНОГО ДЕТЕКТОРА ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2013 года по МПК H01L31/115 G01T1/24 

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц.

Известны ячейки (пиксели) для монолитных детекторов излучений на основе p-i-n-диода [1], диодно-емкостная КМОП ячейка [2], DEPMOS-МОП транзистора с управлением по подложке [3, 4], биполярных транзисторных структур [3, 4] либо функционально-интегрированной БИ-МОП структуре [5].

Недостатки

Диодная ячейка [1] не обеспечивает усиления сигнала в пикселе и, следовательно, быстродействие и чувствительность детектора. Диодно-емкостная КМОП ячейка [2], DERMOS - МОП ячейка имеют низкую крутизну и относительно высокий уровень шумов из-за управления по подложке, что ограничивает их спектральную чувствительность. Биполярные транзисторные структуры имеют пониженное напряжение пробоя из-за плавающего потенциала базы и нелинейность усиления при малом уровне сигнала (плотности тока).

Наиболее близкой по технической сущности является интегральная БИ-МОП ячейка детектора излучений [5]. Данная схема и конструкция ячейки (пиксели) выбрана в качестве прототипа.

Электрическая схема ячейки содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, выходную шину (см. чертеж 1 фиг.1).

Конструкция ячейки детектора (см. фиг.2) прототипа (функционально интегрированная БИ-МОП структура) содержит полупроводниковую подложку 1-ого типа проводимости, на нижней поверхности которой расположен электрод подложки, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а на верхней поверхности - слой тонкого диэлектрика, на котором расположен электрод-затвор МОП транзистора, в подложке также расположена область 2-ого типа проводимости, в которой расположена область 1-ого типа проводимости, на поверхности которой расположен электрод, соединенный с выходной шиной.

Данная ячейка так же не обладает наилучшим качеством детектирования из за невысокой чувствительности и нелинейности усиления биполярного транзистора, что приводит к искажению спектра при детектировании особенно для «глубоко» проникающих и слабо взаимодействующих радиационных частиц (электронов, гамма и рентгеновских квантов), поскольку:

- чувствительность структуры ячейки пропорциональна величине (глубине) области пространственного заряда (ОПЗ) (см. чертеж 1 фиг.2) в подложке, которая в свою очередь зависит от величины напряжения питания, определяемого напряжением пробоя эмиттер-коллектора биполярного транзистора. Оно (особенно в режиме с «плавающей» базой) много меньше напряжения пробоя коллекторного p-n перехода (p-i-n-диода) [6, 7];

- усиление биполярной структурой малых «ионизационных» токов, образуемых слабо взаимодействующими частицами, много меньше максимального и носит нелинейный характер [8].

Техническим результатом изобретения является повышение качества детектирования, т.е. спектрального разрешения, чувствительности и линейности детектора излучений.

Технический результат достигается за счет:

- электрической схемы (см. чертеж 2 фиг.3), в которой МОП транзистор является обедненным транзистором n(p) типа проводимости (т.е. имеет встроенный канал), его подзатворная область подсоединена к общей шине питания, сток - к выходной шине, а затвор соединен с анодом (катодом) диода и с первым выводом резистора, катод (анод) диода подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, второй вывод резистора подсоединен к шине отрицательного (положительною) напряжения смещения;

- n-МОП конструкции ячейки (функционально интегрированной структуры) ячейки детектора излучений, содержащей в полупроводниковой подложке области 1-ого типа проводимости две области 2-ого типа проводимости, образующие аноды (катоды) соответственно первого и второго диодов, на поверхности которых расположены соответствующие электроды первого и второго анода (катода), причем электрод анода (катода) первого диода подсоединен к первому электроду поликремниевого резистора, расположенного на толстом диэлектрике, и расположенному на тонком диэлектрике поликремниевому затвору n(p) МОП транзистора со встроенным каналом, второй электрод резистора соединен с шиной отрицательного (положительного) напряжения смещения. При этом область 2-ого типа проводимости анода (катода) второго диода одновременно является подзатворной областью «кармана» n(p) типа проводимости n(p) МОП транзистора со встроенным каналом, в которой расположены области стока и истока 1-ого типа проводимости, на которых соответственно расположены электроды стока и истока, соединенные соответственно с выходной шиной и общей шиной питания.

- КМОП конструкция ячейки (функционально-интегрированной структуры, см. фиг.6) дополнительно содержит в подзатворной области «карманы» n(p) типа проводимости, вторую подзатворную область кармана» n(p) типа проводимости n(p) МОП транзистора, в которой расположены области стока и истока 2-го типа проводимости, на которых соответственно расположены электроды стока и истока, соединенные соответственно с выходной шиной и источником дополнительного положительного (отрицательного) напряжения питания.

Следует отменить, что, в частности, случай «встроенный» канал в транзисторе может отсутствовать, однако при этом резко снижается чувствительность ячейки детектора.

Следует отметить, что наличие в ячейке (пикселе) функционально-интегрированной диодной МОП структуры позволяет выполнить ее весьма компактной, а использование p-i-n-диода (см. фиг.4) увеличить ОПЗ в 4-5 раз и практически устранить нелинейность усиления малых токов.

С целью одновременного измерения 2-х координат

- электрическая схема (см. фиг.7) дополнительно содержит второй МОП транзистор n(p) типа проводимости со встроенным каналом, причем его затвор, исток и подзатворная область соединены с соответствующими областями первого МОП транзистора, а сток - со второй выходной шиной.

С целью повышения быстродействия

- электрическая схема (см. фиг.8) содержит дополнительно третий и четвертый усилительные МОП транзисторы и второй резистор, причем область затвора третьего транзистора подключена к области истока первого транзистора, область истока к общей шине, а область стока к первой выходной шине, а область затвора четвертого транзистора подключена к области истока второго транзистора, область истока к общей шине, а область стока ко второй выходной шине, области затворов третьего и четвертого МОП транзисторов подключены к общей шине через второй резистор.

С целью расширения области применения

- электрическая схема (см. рис.9) содержит дополнительно - адресную и разрядную шины, второй - усиливающий МОП транзистор, третий - адресный (селекции) МОП транзистор и четвертый - МОП транзистор - установки нуля, при этом исток первого -обедненного МОП транзистора подключен к затвору второго - усиливающего транзистора и стоку четвертою - МОП транзистора - установки нуля, исток которого соединен с общей шиной, а затвор - с шиной сброса, при этом исток усиливающего транзистора подключен к общей шине, а его сток - к истоку третьего транзистора селекции, сток которого подключен к разрядной шине, а затвор - к адресной шине.

Изобретение поясняется приведенными чертежами:

Электрическая схема для прототипа

На фиг.1 приведена электрическая схема прототипа интегральной БИ-МОП ячейки детектора излучений прототипа, содержащая МОП - Т1 и биполярный - Т2 транзисторы.

Интегральная схема для прототипа

На фиг.2 представлены разрез структуры ячейки прототипа и ее топологический чертеж (вид сверху). Структура содержит полупроводниковую подложку 1 первого (n) типа проводимости, которая образует область коллектора БИ-МОП структуры. Нижняя часть подложки 1 сильно легирована и образует слой 2 для создания омического контакта к коллекторному электроду 3. В области коллектора-подложки 1 расположена область базы 4 второго (p) типа проводимости. В области базы 4 расположена область эмиттера 5 первого (n) типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера 6. На поверхности области коллектора-подложки 1 расположен диэлектрический слой 7, на поверхности диэлектрического слоя 7 расположен электропроводящий электрод - затвора 8.

Электрические схемы для изобретения

На фиг.4, 6-10 приведены варианты электрических схем изобретения - МОП диодной ячейки детектора излучений.

Электрическая схема фиг.3 содержит:

- первый МОП транзистор - Т1 является обедненным транзистором n (р) типа проводимости (т.е. имеет встроенный канал), его исток и подзатворная область подсоединены к общей шине питания, сток к выходной шине - Х, а затвор соединен с анодом (катодом) диода и с первым выводом резистора - R1, катод (анод) диода подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +Vdd. второй вывод резистора подсоединен к шине отрицательного (положительного) напряжения смещения - Vcc.

Электрическая схема на фиг.4 содержит:

- дополнительный p(n) МОП транзисторы, затвор которого соединен с затвором p(n) МОП транзистора, сток со стоком обоих транзисторов подсоединен к выходной шине, исток p(n) МОП транзистора подключен к шине положительного (отрицательного) питания.

Электрическая схема на фиг.7 содержит:

- второй МОП транзистор Т2 с n(p) типа проводимости со встроенным каналом, причем его затвор, исток и подзатворная область соединены с соответствующими областями первого МОП транзистора - Т1, а сток со второй выходной шиной - Y.

Электрическая схема на фиг.8 содержит:

третий - T3 и четвертый - T4 усилительные МОП транзисторы, второй резистор - R2, причем область затвора третьего транзистора - T3 подключена к области истока первого транзистора - Т1, область истока к общей шине, а область стока к первой выходной шине - X, а область затвора четвертого транзистора - Т4 подключена к области истока второго транзистора - T2, область истока к общей шине, а область стока ко второй выходной шине - Y, первый вывод второго резистора R2 подключен к затворам третьего и четвертого усилительного транзистора - T3, Т4, а второй вывод к общей шине.

Электрическая схема на фиг.9 содержит:

- дополнительно шину сброса - R (обнуления), адресную - S, разрядную - Q шины, второй - усиливающий МОП транзистор - Т2, третий - адресный \селекции\ МОП транзистор - Т3 и четвертый - МОП транзистор - Т4 - установки нуля, при этом исток первого - обедненного МОП транзистора - Т1 подключен к затвору второго - усиливающего Т2 транзистора и стоку четвертого - МОП транзистора - Т4 - установки нуля, исток которого соединен с общей шиной, а затвор с шиной сброса - R, при этом исток усиливающею транзистора - Т2 подключен к общей шине, а его сток к истоку третьего транзистора Т3 селекции, сток которого подключен к разрядной шине - Q, a затвор к адресной шине - S.

Электрическая схема на фиг.10, аналогична фиг.3, 4 при этом дополнительно содержит счетчик импульсов радиационных частиц

Интегральная схема изобретения показана на фиг.5.

Функционально-интегрированная структура интегральной схемы n-МОП ячейки содержит полупроводниковую подложку 1-ого типа проводимости - 1, на нижней поверхности расположен сильно легированный слой 1-ого типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +Vdd, а на верхней поверхности подложки - слой тонкого диэлектрика - 7, на котором расположен электрод-затвора МОП транзистора - 8, в подложке также расположена область 2-ого типа проводимости - 4, являющаяся подзатворной областью MOП транзистора, в которой расположена область 1-ого типа проводимости - 5, являющаяся областью стока МОП транзистора, на поверхности которой расположен электрод - 6, соединенный с выходной шиной X и область 1-ого типа проводимости - 9, являющаяся областью истока МОП транзистора, причем на ее поверхности и поверхности области 2-ого типа проводимости - 4 расположен электрод - 10, соединенный с общей шиной. На поверхности подложки - 1 расположен толстый диэлектрик - 11, на ее поверхности расположен поликремниевый резистор - 12, на поверхности которого расположено два его электрода, при этом первый - 13 соединен с электродом затвора - 8, второй - 14 соединен с источником отрицательного \положительного\ напряжения питания - Vcc, в положке - 1 расположена вторая область 2-ого типа проводимости, образующая анод (катод) p-i-n-диода 15, на ее поверхности расположен электрод - 16, соединенный с электродом затвора - 8 и первым электродом - 13 резистора

- функционально-интегрированная структура интегральной схемы КМОП ячейки, содержащей дополнительную подзатворную область «карман» n(p) типа проводимости - 17, в которой расположены области стока - 18 и истока - 19 n(p) - МОП транзисторы, на которых расположены соответственно электроды 20, 21. На поверхности «кармана» 17 расположен подзатворный диэлектрик - 22 и поликремниевый затвор - 23, на поверхности которого расположен электрод затвор - 24, на поверхности кармана расположен электрод кармана - 25, подсоединенный к истоку положительного питания +Vcc.

МОП диодная ячейка детектора излучений работает следующим образом (схема на фиг.3, конструкция на фиг.5).

При прохождении через подложку 1 радиационной частицы (фиг.2), например, релятивистского электрона, вдоль ее трека образуются электронно-дырочные пары в области пространственного заряда (ОПЗ) p-i-n перехода, образованного подложкой - 1 n-типа и анодом - 4 диода р+-типа проводимости, и частично в квазинейтральной области. Образованные радиационной частицей в КНО электронно-дырочные пары разделяются полем положительного напряжения +Vdd и образуют ионизационный ток p-i-n-диода - D, который, протекая через резистор - R к источнику питания отрицательного напряжения - Vc, создает на нем падение напряжение положительного знака, которое открывает обедненный n-МОП транзистор «со встроенным каналом». Протекающий через МОП транзистор ток создаст выходной шине X сигнал о времени ее прихода, энергии (спектре) и координате.

Следует отметить важное обстоятельство. Ионизационный ток протекает только через резистор и анод первого диода, поскольку он имеет более низкий потенциал - Vc, чем анод второго диода, являющийся подзатворной областью МОП транзистора. При этом он должен иметь встроенный канал, иначе он не откроется небольшим по величине (0.01-1 мВ) напряжением, создаваемый ионизационным током слабовзаимодействующих частиц [7].

При регистрации «тяжелых» частиц, например, атомных ядер может быть использован обычный «обогащенный» МОП транзистор (без встроенного канала).

Схема на фиг.4 работает аналогичным образом, только 2 транзистора другого типа проводимости позволяют снизить энергопотребления детектора.

Схема на фиг.7 работает аналогичным образом, однако наличие сигнала со второго транзистора - Т2 позволяет определять вторую координату попадания частицы в детектор.

Схема на фиг.8 работает аналогичным образом, однако наличие усиливающих транзисторов Т3 и Т4 позволяет усилить сигналы с транзисторов Т1 и Т2, тем самым ускорить время перезарядки выходных шин X и Y и соответственно быстродействие матрицы пиксельного детектора.

Схема на фиг.9 работает аналогичным образом схеме на фиг.7, т.е. по сигналу на выходной шине - X позволяет определять время прихода частицы, ее энергии и координату (или 2-е координаты см. фиг.7). При этом сигнал, попадая на затвор усиливающего транзистора Т2, на некоторое время (равное времени релаксации заряда) запоминается в емкости С, образованной емкостью затвор - положка транзистора Т3. Текущее состояние транзистора Т3 (величина его сопротивления) считывается по разрядной - шине Q транзистором Т3 при его открывании подачей сигнала по адресной шине S. Транзистор Т4 служит для установки ячейки в исходное состояние - обнуление путем подачи на шину R сигнала сброса.

Наличие дополнительных трех транзисторов позволяет осуществить еще и функцию «запоминания» сигнала от одной или нескольких частиц, который через некоторое время может быть считан. Данное обстоятельство важно при регистрации потоков излучений с высокой интенсивностью (Р>100М рентген/с), когда выборка информации по одному кванту в «реальном» масштабе времени весьма проблематична (т.е. превышает 1Г бит на кристалл).

Следует отметить, что на исток транзистора Т2 может быть подключен к другой шине, например, к шине питания.

Схема на фиг.10 работает аналогичным образом, как схемы фиг.3, 4, при этом подключение счетчика позволяет определить количество квантов-частиц, поступивших в пикселю детектора.

Пример конкретной реализации.

Двумерная матрица пиксель-ячеек детектора может быть выполнена по стандартной n-MOП (или КМОП) технологии, используемой при изготовлении интегральных схем, например, по следующему технологическому маршруту:

а) формирование n+- контактной области - 2 к пластине кремния - 1 сопротивлением р_v~5 кОм/см с ориентацией 100, например, диффузией фосфора в обратную сторону пластины;

б) окисление поверхности кремния и формирование в толстом оксиде - 11 окон для р+-областей - 4, 15 с помощью процесса 1-ой фотолитографии и формирование путем имплантации атомов бора и последующем режиме отжига и разгонки примеси в глубину подложки;

в) окисление поверхности кремния, формирование тонкого подзатворного оксида - 7 и осаждение поликристаллического слоя кремния на поверхность пластины и проведение операции 2-ой фотолитографии - обтрава поликремния - 12;

г) проведение 3-ех фотолитографий и последующая имплантация в поликремний мышьяка, т.е. формировании области затвора - 8 и областей стока, истока n-типа МОП транзистора с последующим термическим отжигом;

д) в формировании резистора путем имплантации фосфора в поликремний и последующим отжигом;

е) в осаждении низкотемпературного диэлектрика и формировании в нем 4-ой фотолитографией контактных окон;

ж) осаждение алюминия и проведение 5-ой фотолитографии разводки (обтрава) алюминия.

Изготовленные по данной технологии тестовые биполярные транзисторы имели пробивное напряжение - Vкэ не более 50 B, а p-i-n-диоды Vпр свыше 300 B, обедненные МОП транзисторы имели пороговое напряжение V_Т=-1.0 B, а обычные - обогащенные Vt=+1.0 B [8].

Литература

1. D.Patti etal United Slates Patent №US6.465.857.B1 Date Oct. 15.2002. US 006465857B1.

2. I.Peric; "A novel monolithic pixelated particle detector implemented in high-voltage CMOS technology." Nucl. Inst. Meth. Band A 582. pp.876-885. August 2007.

3. J.Kemmer, G.Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273. 588-598 (1988).

4. Мурашев B.H. и др. «Координационный детектор релятивистских частиц" патент на изобретение №2197036 от 20.01, 2003 приоритет от 19.02.2000 г.

5. Интегральная БИ-МОП ячейка детектора излучений. Патент РФ №2383968 от 20.03.2006 г.

6. С.З и. Физика полупроводниковых приборов. Москва из-во Мир. 1984 г. 1.1.

7. D.L. Volkov, D.Е. Karmanov. V.N. Murashev. S.A. Legotin, R.A. Mukhamedshin. and A.P. Chubcnko. A New Position-Sensitive Silicon Pixel Detector Based on Bipolar Transistors // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES. 2009. No. 52, pp.655-664.

8. V.N. Murashev, S.A. Legotin. О.M. Orlov. A.S. KoroEchenko. and P.A. Ivshin, A silicon position-sensitive detector of charged particles and radiations on the basis of functionally integrated structures with nano-micron active regions // INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES. 2010, No. 53. 657-662.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования, т.е. спектральной чувствительности и линейности усиления детектора, МОП транзистор является обедненным транзистором n(p) типа проводимости (т.е. имеет встроенный канал), при этом его подзатворная область подсоединена к общей шине питания, сток к выходной шине, а затвор соединен с анодом (катодом) диода и с первым выводом резистора, катод (анод) диода подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, второй вывод резистора подсоединен к шине отрицательного (положительного) напряжения смещения. Также предложена конструкция (функционально интегрированная структура) МОП диодной ячейки монолитного детектора излучений. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП-транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, выходную шину, отличающаяся тем, что МОП-транзистор является обедненным транзистором n (р)-типа проводимости (т.е. имеет встроенный канал), при этом его подзатворная область подсоединена к общей шине питания, сток к выходной шине, а затвор соединен с анодом (катодом) диода и с первым выводом резистора, катод (анод) диода подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, второй вывод резистора подсоединен к шине отрицательного (положительного) напряжения смещения.

2. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительный транзистор n (р)-типа проводимости, причем его затвор подсоединен к затвору первого n (р) МОП-транзистора, сток к стоку первого транзистора, исток и подзатворная область к дополнительному источнику положительного (отрицательного) напряжения питания.

3. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений по п.1, отличающаяся тем, что содержит второй, обедненный n (р)-типа МОП-транзистор, причем его исток, подзатворная область и затвор соединены с соответствующими областями первого МОП-транзистора, а его сток соединен с второй выходной шиной.

4. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений по п.3, отличающаяся тем, что содержит дополнительно третий и четвертый усиливающие МОП-транзисторы и второй и дополнительный резисторы, причем область затвора третьего транзистора подключена к области истока первого транзистора, область истока к обшей шине, а область стока к первой выходной шине, а область затвора четвертого транзистора подключена к области истока второго транзистора, область истока к обшей шине, а область стока ко второй выходной шине, области затворов третьего и четвертого МОП-транзисторов подключены к общей шине через второй резистор.

5. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительно шину сброса, адресную и разрядную шины, второй - усиливающий МОП-транзистор, третий - адресный (селекции) МОП-транзистор и четвертый МОП-транзистор установки нуля, при этом исток первого - обедненного МОП-транзистора подключен к затвору второго - усиливающего транзистора и стоку четвертого МОП-транзистора установки нуля, исток которого соединен с общей шиной, а затвор с шиной сброса, при этом исток усиливающего транзистора подключен к общей шине, а его сток к истоку третьего транзистора селекции, сток которого подключен к разрядной шине, а затвор к адресной шине.

6. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что первый МОП-транзистор подключен к счетчику импульсов радиационных частиц.

7. Конструкция (функционально-интегрированная структура) МОП диодной ячейки монолитного детектора излучений, содержащая полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости, на нижней поверхности расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости, на котором расположен электрод подложки, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а на верхней поверхности слой тонкого диэлектрика, на котором расположен электрод-затвор МОП-транзистора, в подложке также расположена область 2-го типа проводимости, в которой расположена область 1-го типа проводимости, на поверхности которой расположен электрод, соединенный с выходной шиной, отличающаяся тем, что содержит в полупроводниковой подложке 1-го типа проводимости две области 2-го типа проводимости, образующие аноды (катоды) соответственно первого и второго диодов, на поверхности которых расположены соответствующие электроды первого и второго анодов (катодов), причем электрод анода (катода) первого диода подсоединен к первому электроду поликремниевого резистора, расположенного на толстом диэлектрике, и расположенному на тонком диэлектрике поликремниевому затвору n (р) МОП-транзистора со встроенным каналом, второй электрод резистора соединен с шиной отрицательного (положительного) напряжения смещения, при этом область 2-го типа проводимости анода (катода) второго диода одновременно является подзатворной областью n (р) МОП-транзистора со встроенным каналом, в которой расположены области стока и истока 1-го типа проводимости, на которых соответственно расположены электроды стока и истока, соединенные соответственно с выходной шиной и общей шиной питания.

8. Конструкция (функционально-интегрированной структура) МОП диодной ячейки монолитного детектора излучений по п.7, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в подзатворной области «карманы» n(р)-типа проводимости, вторую подзатворную область «кармана» n (р)-типа проводимости n (р) МОП-транзистора, в которой расположены области стока и истока 2-го типа проводимости, на которых соответственно расположены электроды стока и истока, соединенные соответственно с выходной шиной и источником дополнительного положительного (отрицательного) напряжения питания.