一种电容式Si基辐射探测器件及其制备方法技术

一种电容式Si基辐射探测器件及其制备方法，该器件包括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。该器件辐射灵敏度高、感生电荷容量高、工作栅电压低、可靠性高。方法为：在基片上生长氧化隔离层；轻重离子掺杂形成欧姆接触注入区；溅射淀积形成欧姆接触区；刻蚀形成凹槽区；原子层淀积工艺形成栅介质区；二次刻蚀形成金属填充凹槽区；采用Cu互联工艺形成金属填充区和栅极金属电极。该方法工艺简单、重复性好、成本低、易于和现有的大规模集成电路的制作工艺整合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件，具体涉及。
技术介绍
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、a粒子、P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A 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，0’ Cornell利用干法热氧化和PECVD的工艺方法，研制出一种Si02/Si0N的叠层栅介质结构,利用此结构,将其福射灵敏度提升到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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，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，本专利技术采用的技术方案为: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。所述的二元金属氧化物介质包括LaA103、NdAlO3和HfAlO。所述的Si薄膜层的掺杂类型为N型或P型；每立方厘米的Si薄膜层内掺杂有5 X IO12-1 X IO13个掺杂离子；所述的Si薄膜层在其长度方向的最小厚度D大于其势垒最大耗尽宽度XD，其中Xd= [2 e r e 0VD/qNA]1/2, L为Si材料的相对介电常数，e。为Si材料的真空介电常数，Vd为内建电势，q为电子电量，Na为Si薄膜层的掺杂浓度。一种电容式Si基辐射探测器件的制备方法，包括以下步骤:I)在SOI CMOS基片上，利用LOCOS或者STI工艺，生长氧化隔离层，其中SOICMOS基片包括Si衬底层、以及Si衬底层上方的埋氧层；2)采用光刻工艺，在生长氧化隔离层的SOI CMOS基片上光刻出有源区的图形，对其进行能量为50-100KeV，剂量为5 X IO12-1 X IO13的掺杂离子注入，再除去光刻胶，得到掺杂的Si薄膜层；而后在有源区内光刻出欧姆接触注入区的图形，对其进行能量为50-100KeV，剂量为2X1013-5X1015的掺杂离子注入，再除去光刻胶，得到欧姆接触注入区；掺杂类型为N型或P型，且两次的掺杂类型相同；3)采用溅射淀积的方法，利用Ti作为靶材，将金属Ti溅射在整个SOI CMOS基片上，接着在600-800°C下烧结1-lOmin，金属Ti与欧姆接触注入区的接触处形成欧姆接触区，然后采用湿法化学清洗掉其余部分的金属Ti ；4)在掺杂的Si薄膜层上，采用ICP或者RIE工艺刻蚀窗口区，至露出埋氧区，在形成凹槽区的同时得到Si薄膜层；其中窗口区包括金属填充区和栅介质区；5)采用原子层淀积薄膜生长工艺，首先利用去离子水作为0源，在270_350°C的反应温度及0.5-1.5Torr的反应气压下处理凹槽区，使凹槽区的表面形成过渡SiO2介质层；然后分别交替利用Mo源和0源在凹槽区内部叠层生长二元金属氧化物介质；6)采用氟基ICP工艺在二元金属氧化物介质上二次刻蚀凹槽区，形成金属填充凹槽区和填充复合栅介质区，其刻蚀工艺参数分别为:上电极功率50-300W、偏压0-80V、压力l-3Pa、刻蚀时间 50-200s ；7)采用Cu互联工艺填充金属填充凹槽区形成金属填充区，并在金属填充区的顶部形成栅极金属电极，得到电容式Si基辐射探测器件。所述的步骤I)中利用LOCOS工艺，生长氧化隔离层的具体步骤为:去除SOI CMOS基片上的氧化层、清洗，采用干氧氧化的方法生长厚度为50-200nm的SiO2垫氧层，其中所使用的氧化炉温度为900-1100°C,氧化瓶温度为85-95°C,氧化时间为5_10min ;而后采用低压化学气相淀积的方法生长厚度为180-220nm的Si3N4掩蔽层，其中淀积压力为25-35Pa，淀积时间为30-60min，淀积温度600_850°C;利用光刻工艺，光刻出氧化隔离层的图形，经氧化得到氧化隔离层，最后利用反应离子刻蚀工艺刻蚀去除Si3N4掩蔽层，并去除光刻胶；所述的步骤I)中利用STI工艺，生长氧化隔离层的具体步骤为:去除S0ICM0S基片上的氧化层、清洗，采用干氧氧化的方法生长厚度大于50-200nm的SiO2垫氧层，其中所使用的氧化炉温度为900-1100°C,氧化瓶温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式Si基辐射探测器件，其特征在于：包括Si衬底层(1)，Si衬底层(1)的上方设有埋氧层(2)，埋氧层(2)上从中心向四周依次设有金属填充区(8)、栅介质区、Si薄膜层(4)、欧姆接触注入区(5)和氧化隔离层(3)，欧姆接触注入区(5)的上方设有欧姆接触区(9)，金属填充区(8)的上方设有栅极金属电极(10)。

【技术特征摘要】
1.一种电容式Si基辐射探测器件，其特征在于:包括Si衬底层(I),Si衬底层(I)的上方设有埋氧层(2)，埋氧层(2)上从中心向四周依次设有金属填充区(8)、栅介质区、Si薄膜层(4)、欧姆接触注入区(5)和氧化隔离层(3)，欧姆接触注入区(5)的上方设有欧姆接触区(9)，金属填充区(8)的上方设有栅极金属电极(10)。2.根据权利要求1所述的电容式Si基辐射探测器件，其特征在于:所述的栅介质区包括填充复合栅介质区(7)，以及位于填充复合栅介质区(7)外侧的过渡SiO2介质层(6)。3.根据权利要求2所述的电容式Si基辐射探测器件，其特征在于:所述的填充复合栅介质区(7)的厚度d为10-60nm ； 所述的过渡SiO2介质层(6)的厚度为0.5~1.5nm ； 所述的填充复合栅介质区(7)是由二元金属氧化物介质叠层构成的。4.根据权利要求3所述的电容式Si基辐射探测器件，其特征在于:所述的二元金属氧化物介质包括LaA103、NdAlO3和HfAlO。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电容式Si基辐射探测器件，其特征在于:所述的Si薄膜层(4)的掺杂类型为N型或P型； 每立方厘米的Si薄膜层(4)内掺杂有5 X IO12-1X IO13个掺杂离子； 所述的Si薄膜层(4)在其长度方向的最小厚度D大于其势垒最大耗尽宽度XD，其中Xd= [2 e r e 0VD/qNA]1/2, L为Si材料的相对介电常数，e。为Si材料的真空介电常数，Vd为内建电势，q为电子电量，Na为Si薄膜层的掺杂浓度。6.一种电容式Si基辐射探测器件的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)在SOICMOS基片上，利用LOCOS或者STI工艺，生长氧化隔离层(3)，其中SOI CMOS基片包括Si衬底层(I)、以及Si衬底层⑴上方的埋氧层⑵； 2)采用光刻工艺，在生长氧化隔离层(3)的SOICMOS基片上光刻出有源区的图形，对其进行能量为50-100KeV，剂量为5 X IO12-1 X IO13的掺杂离子注入，再除去光刻胶，得到掺杂的Si薄膜层；而后在有源区内光刻出欧姆接触注入区(5)的图形，对其进行能量为50-100KeV,剂量为2 X 1013_5 X IO15的掺杂离子注入，再除去光刻胶，得到欧姆接触注入区(5);掺杂类型为N型或P型，且两次的掺杂类型相同； 3)采用溅射淀积的方法，利用Ti作为靶材，将金属Ti溅射在整个SOICMOS基片上，接着在600-800°C下烧结1-lOmin，金属Ti与欧姆接触注入区(5)的接触处形成欧姆接触区(9)，然后采用湿法化学清洗掉其余部分的金属Ti ； 4)在掺杂的Si薄膜层上，采用ICP或者RIE工艺刻蚀窗口区，至露出埋氧区，在形成凹槽区的同时得到Si薄膜层(4);其中窗口区包括金属填充区(8)和栅介质区； 5)采用原子层淀积薄膜生长工艺，首先利用去离子水作为0源，在270-350°C的反应温度及0.5-1.5Torr的反应气压下处理凹槽区,使凹槽区的表面形成过渡SiO2介质层(6);然后分别交替利用Mo源和0源在凹槽区内部叠层生长二元金属氧化物介质； 6)采用氟基ICP工艺在二元金属氧化物介质上二次刻蚀凹槽区，形成金属填充凹槽区和填充复合栅介质区(7)，其刻蚀工艺参数分别为:上电极功率50-300W、偏压0-80V、压力l-3Pa、刻蚀时间 50-200s ； 7)采用Cu互联工艺填充金属填充凹槽区形成金属填充区(8)，并在金属填充区(8)的顶部形成栅极金属电极(10)，得到电容式Si基辐射探测器件。7.根据权利要求6所述的电容式Si基辐射探测器件的制备方法，其特征在于:所述的步骤I)中利用LOCOS工艺，生长氧化隔离层(3)的具体步骤为:去除SOI CMOS基片上的氧化层、清洗，采用干氧氧化的方法生长厚度为50-200nm的SiO2垫氧层，其中所使用的氧化炉温度为900-1100°C，氧化瓶温度为85-95°C，氧化时间为5_10min ;而后采用低压化学气相淀积的方法生长厚度为180-22...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凌，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61