厚栅氧PMOSγ射线剂量探测器芯片工艺优化研究

张玲玲，郭凤丽，石 磊

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

PMOS管在受到高能γ射线照射后，会在栅二氧化硅层中产生电子空穴对，在正电场作用下形成电离陷阱电荷。电离陷阱电荷使PMOS管的阈值电压产生变化，阈值电压会随着所接受的γ射线照射剂量而变化，并且能累积这种变化，因而能用于γ射线剂量探测[1]。PMOS管制作的γ射线剂量探测器已大量应用于γ射线剂量计，作为剂量计的关键元器件，PMOS探测器芯片生产良率直接决定探测器的成本，因此本文针对PMOSγ射线剂量探测器（结构见图1）芯片制作过程中的良率提升问题进行研究。

图1 PMOS管结构示意图

PMOS剂量计的主要技术指标包括PMOS管的阈值电压。提高PMOSγ射线剂量探测器芯片的制造良率也就是控制PMOS管阈值电压的一致性。由于探测器的灵敏度与栅氧化层厚度的平方成正比，为提高探测器的灵敏度，采用厚栅氧结构，文中讨论的PMOS管栅长比为1350/13，栅氧厚度为850 nm。文章主要围绕厚栅氧工艺及阈值电压的控制进行分析讨论。

2 厚栅氧PMOS管阈值电压的控制

PMOS管阈值电压一般公式为：

式中Vth为阈值电压、tox为栅氧化层厚度、Q′SD为栅氧固定电荷密度、Q′SS为栅氧可动电荷密度、εOX为二氧化硅的介电常数、φms为金属-氧化层功函数差、φfn为沟道杂质浓度参考电压。从公式[2]中可知，阈值电压是沟道掺杂浓度φfn、栅氧固定电荷密度Q′SD、栅氧可动电荷密度Q′SS、栅氧化层厚度的函数，对于给定的半导体材料和栅金属，φms基本一致，通过优化栅氧工艺降低栅氧内固定电荷及可动电荷，同时通过控制源漏及沟道掺杂浓度和减小过剩电荷来降低φfn实现对阈值电压的控制[3]。……