RadFET阈值调整注入及其辐射剂量传感性能影响

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辐射在核物理学中通常指各种高能粒子,这些高能粒子无处不在,又会对仪器设备、身体健康造成很大的影响,因此确定周围辐射变得日益重要。RadFET辐射剂量计是一种基于pMOS晶体管总剂量效应的辐射探测器。与其它辐射探测器相比,RadFET探测器具有体积小、功耗低、与集成电路工艺兼容、可以实时读数等优点,因此被广泛应用于航天、医疗、核工业、个人剂量检测等等许多方面。  本文首先介绍了辐射相关的基本概念以及RadFET辐射剂量探测器发展过程,随后对RadFET辐射剂量计的器件原理、工作电路进行了分析探讨。在前人工作基础上重点对阈值调整注入工艺及其对辐射剂量计的影响开展了研究。根据前人工作和仿真结果确定了相应的离子注入工艺参数,完成了RadFET辐射剂量计的制备。此外重新设计并建立了多器件自动化辐射剂量测试系统,系统分析了器件的基本电学特性并对辐射特性进行了初步测试分析。本文中所做的主要研究工作包括:  1.利用Silvaco TCAD软件对RadFET辐射剂量计的阈值调整注入工艺进行仿真与优化。针对400nm厚栅氧化层,系统研究了阈值调整注入的能量范围、剂量范围、退火温度,讨论它们对注入B杂质浓度分布以及阈值电压的影响。  2.结合前人实验数据以及仿真结果,确定了400nm栅氧化层阈值调整注入的能量值为130Kev,剂量范围为1.5×1011/cm2-5×1011/cm2,对照退火温度分别为900℃和1000℃,完成了RadFET辐射剂量计的加工制备。  3.对不同剂量、退火温度的硅圆片进行五点取样,并进行了基本电学性能测试。结果显示随着剂量增加阈值电压向正向漂移,且器件的阈值电压与器件在硅片上的位置有关。未注入器件的阈值电压为-6V,注入剂量为5×1011/cm2、退火温度为900℃时样品阈值电压最接近零,此时阈值电压为-1.46V。退火温度为1000℃时的阈值电压小于900℃时,验证了仿真结果。  4.对堆栈结构的电学性能进行分析,比较了基本堆栈结构,共衬底堆栈结构,并结合pMOS晶体管的体效应和沟长调制效应对堆栈结构的输出性能进行讨论。  5.重新设计RadFET辐射测试系统。利用Agilent34970,可以程序控制RadFET器件在辐射状态和读数状态之间切换,并且还可以同时测量20个器件,实现RadFET器件的辐射测试自动化,提高了测试的准确性和测试效率。  6.在60Co辐射源γ射线环境中对RadFET辐射剂量计性能进行了初步测试与分析。结果显示:在剂量率为2Gy/min、偏置电压为+5V、总剂量在0-5Krad之间时,辐射剂量计的灵敏度为0.648V/Krad。反向偏置、无偏置时灵敏度低于正向偏置时。注入剂量、退火温度的影响有两个方面,低剂量注入器件的灵敏度低于无注入器件,高剂量注入器件灵敏度高于无注入器件。  
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