摘要：硅像素傳感器上的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)有利于提高傳感器的耐高電壓性能，為評(píng)估保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)硅像素傳感器的保護(hù)效果，仿真分析了三種保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)三種保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維建模，利用TACD內(nèi)置的電學(xué)模型對(duì)三種保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的I-V特性進(jìn)行了仿真。研究結(jié)果表明，電流收集環(huán)會(huì)提高像素的耐高電壓性能，同時(shí)不等間距保護(hù)環(huán)、保護(hù)環(huán)的內(nèi)外等距離Al懸掛以及多個(gè)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步提高傳感器的擊穿電壓。
關(guān)鍵詞：PIN二極管;硅像素傳感器;保護(hù)環(huán);耐高電壓;計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
0引言
X射線是波長(zhǎng)在0.01~10nm之間的電磁波，可用于在原子或分子尺度上揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象。目 前，X射線成像探測(cè)應(yīng)用大都采用半導(dǎo)體探測(cè)器。混合型硅像素探測(cè)器是一種試驗(yàn)站上常用的半導(dǎo)體探測(cè)器[1-3]。該探測(cè)器包含傳感器和讀出電子學(xué)兩個(gè)部分，分別制造在獨(dú)立的硅片上，通過(guò)倒裝焊連接在一起。其中，硅像素傳感器用于將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，讀出電子學(xué)用于電信號(hào)的前端處理[4]。
隨著X射線光源逐漸從X光管發(fā)展到包括同步輻射衍射極限環(huán)與自由電子激光在內(nèi)的先進(jìn)光源，X射線的亮度也不斷提升[5-6]。為避免因高亮度射線在硅像素傳感器體內(nèi)產(chǎn)生的電荷屏蔽效應(yīng)，傳感器通常需要工作在高偏壓下[7-9]。例如為歐洲自由電子激光探測(cè)任務(wù)研制的一款硅像素探測(cè)器，其硅像素傳感器的設(shè)計(jì)工作電壓高達(dá)1000V[10]。硅像素傳感器由像素陣列、電流收集環(huán)和保護(hù)環(huán)組成[11]。
其中，保護(hù)環(huán)主要承擔(dān)增大傳感器擊穿電壓的作用。為克服由于高偏壓引起像素陣列結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致的雪崩擊穿現(xiàn)象[12-13]，合理地設(shè)計(jì)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。為此，研究人員針對(duì)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器擊穿的影響開展了多方面研究[14-17]，在早期主要圍繞單個(gè)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)與電流收集環(huán)之間的間距對(duì)器件擊穿電壓的影響展開研究;后來(lái)又針對(duì)多個(gè)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)深對(duì)電流收集環(huán)擊穿電壓的影響進(jìn)行了研究[18-21]。但已有研究對(duì)于多個(gè)保護(hù)環(huán)的排布和環(huán)數(shù)變化以及鋁(Al)懸掛的延伸方式，對(duì)傳感器電流收集環(huán)擊穿的影響尚有不足。本文結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(TechnologyComputerAidedDesign，TCAD)，使用sentaurus軟件對(duì)面向先進(jìn)光源的硅像素傳感器保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，從保護(hù)環(huán)環(huán)間距排布、Al懸掛結(jié)構(gòu)以及保護(hù)環(huán)個(gè)數(shù)三個(gè)方面研究保護(hù)環(huán)對(duì)傳感器擊穿電壓的影響。
1器件結(jié)構(gòu)與工藝
硅像素傳感器由像素陣列、電流收集環(huán)、保護(hù)環(huán)三部分組成。其中，像素陣列為傳感器的敏感區(qū)域，其內(nèi)的每個(gè)像素均為PIN型二極管，且像素n型半導(dǎo)體一側(cè)，共用背面電極。傳感器工作時(shí)，背面電極接正向偏壓;每個(gè)像素p型半導(dǎo)體一側(cè)的讀出電極分別接地，且與讀出電子學(xué)連接;PIN二極管形成反向偏置的全耗盡狀態(tài)。
X射線從傳感器的背面入射，在體硅中激發(fā)出電子和空穴，在電場(chǎng)的作用下，空穴向像素陣列的讀出電極運(yùn)動(dòng)，被讀出電子學(xué)讀出，由此完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。像素陣列外側(cè)的電流收集環(huán)和保護(hù)環(huán)構(gòu)成傳感器的非敏感區(qū)域。傳感器工作時(shí)，電流收集環(huán)接地，保護(hù)環(huán)浮空。接地的電流收集環(huán)用于降低像素陣列的漏電，浮空的保護(hù)環(huán)可以使傳感器邊緣處的電勢(shì)緩慢降落到電流收集環(huán)，用于提高器件的擊穿電壓。該傳感器可基于CMOS工藝制造。
具體流程包括：(a)濕氧氧化，形成場(chǎng)氧化層;(b)場(chǎng)氧光刻，刻蝕出有源區(qū);(c)生長(zhǎng)一層致密的薄柵氧，正面注入硼，形成p+區(qū)域;背面注入磷，形成n+區(qū)域，高溫退火，注入激活;(d)柵氧光刻，刻蝕形成用于正面電極接觸的接觸孔;(e)正面濺射金屬Al、光刻，刻蝕形成用于正面電學(xué)接觸的金屬Al電極;(f)背面金屬Al濺射、高溫退火，形成背面電極接觸;(g)淀積氮化硅、光刻，露出用于正面電學(xué)接觸的Al電極。
2器件仿真模型
為研究保護(hù)環(huán)對(duì)擊穿電壓的影響，使用TCADsentaurus軟件進(jìn)行仿真。因傳感器的整體結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性和重復(fù)性，所以選取傳感器的邊緣部分進(jìn)行仿真模型的構(gòu)建和研究。給出了傳感器邊緣部分的基本仿真參數(shù)。為使用這些參數(shù)按照傳感器制造的實(shí)際工藝流程，利用工藝仿真模塊sprocess在軟件中構(gòu)造的二維仿真模型。
在此模型基礎(chǔ)上，將像素和電流收集環(huán)電極的電勢(shì)定義為0V，在器件的背部加正向偏置，使用到載流子的遷移率模型、載流子的產(chǎn)生復(fù)合模型、雪崩擊穿模型、氧化層固定電荷密度模型，定義Si/SiO2界面處的固定正電荷的密度為1.8×1011cm-2。運(yùn)用sdevice模塊對(duì)傳感器開展了電學(xué)I-V仿真。
3仿真結(jié)果分析
3.1保護(hù)環(huán)環(huán)間距排布的影響
保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的排布形式可分為等間距和不等間距兩種情況。在距離電流收集環(huán)注入?yún)^(qū)邊緣的600μm范圍內(nèi)，固定保護(hù)環(huán)個(gè)數(shù)為10環(huán)，并定義靠近電流收集環(huán)的為保護(hù)環(huán)第一環(huán)。對(duì)于等間距情況，相鄰兩個(gè)保護(hù)環(huán)之間的間距為35μm。對(duì)于不等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的環(huán)間距是采用逐環(huán)遞增的排布方式，具體的環(huán)間距遵循式(1)。Sn=21.5+(n-1)×3n=1，2，…，10(1)式中，Sn代表第n個(gè)保護(hù)環(huán)與它前面保護(hù)環(huán)的間距。圖4是在兩種不同保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)下的像素和電流收集環(huán)的暗電流情況。
此外，采用等間距和非等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的電流收集環(huán)的擊穿電壓分別為1350V和2000V，這說(shuō)明雖然兩種結(jié)構(gòu)都具有很好的抗擊穿能力，但是不等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的抗擊穿能力更強(qiáng)。這是由于保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)為器件邊緣的電勢(shì)順利地降落到像素表面區(qū)域提供了一條緩慢降落的通路，不同的保護(hù)環(huán)間距排布造成了邊緣位置處的電勢(shì)降落到電流收集環(huán)位置處的方式不同，進(jìn)而造成了在電流收集環(huán)靠近傳感器邊緣一側(cè)結(jié)區(qū)附近的電場(chǎng)分布不同，為兩種結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布，對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)在電流收集環(huán)靠近保護(hù)環(huán)一側(cè)表面位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度，等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)和非等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)在該位置處的表面電場(chǎng)強(qiáng)度分別為39000V·cm-1和37800V·cm-1。結(jié)區(qū)附近更強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度使得等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)比非等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓低。
3.2保護(hù)環(huán)Al懸掛結(jié)構(gòu)的影響
在傳感器的保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)中，通常會(huì)配備Al懸掛結(jié)構(gòu)。Al懸掛結(jié)構(gòu)與氧化層還有襯底表面的硅構(gòu)成了MOS結(jié)構(gòu)，這會(huì)改變保護(hù)環(huán)的表面電勢(shì)。對(duì)于懸掛在保護(hù)環(huán)兩側(cè)的Al結(jié)構(gòu)，通常稱朝向像素陣列一側(cè)的為向內(nèi)延伸的Al懸掛結(jié)構(gòu)，朝向邊緣一側(cè)的為向外延伸的Al懸掛結(jié)構(gòu)。對(duì)于n型襯底p+注入的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，金屬懸掛結(jié)構(gòu)和p+注入?yún)^(qū)保持相同的電位，傳感器的表面電勢(shì)是從邊緣區(qū)降落到像素區(qū)，在氧化層電荷密度比較小的情況下，向延伸的Al懸掛結(jié)構(gòu)會(huì)在底層硅表面形成聚集層，影響表面位置處的電勢(shì)分布。在不等間距保護(hù)環(huán)的基礎(chǔ)上，考察了兩種不同Al懸掛結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)1是每個(gè)保護(hù)環(huán)上面的Al懸掛結(jié)構(gòu)向內(nèi)和向外延伸相同的距離都為5μm。
3.3保護(hù)環(huán)數(shù)目的影響
為在每環(huán)Al懸掛內(nèi)外延伸一致的條件下，隨著非等間距保護(hù)環(huán)數(shù)目變化，器件的I-V仿真結(jié)果。在沒(méi)有保護(hù)環(huán)的情況下電流收集環(huán)在600V左右就出現(xiàn)了擊穿，隨著保護(hù)環(huán)數(shù)目的增加電流收集環(huán)的擊穿電壓也在隨之增加。沒(méi)有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的電流收集環(huán)結(jié)區(qū)附近的電場(chǎng)明顯比有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的大，這使得沒(méi)有保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)器件的電流收集環(huán)過(guò)早地發(fā)生雪崩擊穿。保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)可以使邊緣位置處的電勢(shì)緩慢降落到電流收集環(huán)位置處，這有效降低了器件表面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度。
隨著保護(hù)環(huán)數(shù)目的增加電流收集環(huán)的擊穿電壓也在增加，但是當(dāng)保護(hù)環(huán)的數(shù)目增加到4環(huán)時(shí)，擊穿電壓增長(zhǎng)的趨勢(shì)變緩。第一個(gè)保護(hù)環(huán)位置處的電勢(shì)對(duì)電流收集環(huán)結(jié)區(qū)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度有很大影響。是在1000V偏壓的條件下，第一個(gè)保護(hù)環(huán)位置處的電勢(shì)向電流收集環(huán)方向降落的情況。隨著保護(hù)環(huán)數(shù)目的增加，第一個(gè)保護(hù)環(huán)位置處的電勢(shì)在降低，且降低的幅度也在減小，當(dāng)保護(hù)環(huán)數(shù)目由8環(huán)增長(zhǎng)到10環(huán)時(shí)，第一環(huán)上電勢(shì)降落幅度很小，這說(shuō)明當(dāng)保護(hù)環(huán)增加到一定數(shù)目時(shí)對(duì)器件擊穿電壓的提升效果也變得緩慢。
4結(jié)論
本文基于TCAD技術(shù)，針對(duì)PIN二極管型硅像素傳感器陣列的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)：非等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)可以使邊緣位置處的表面電勢(shì)更平緩地降落到電流收集環(huán)位置處，因此非等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)比等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)擁有更好的耐高電壓性能。相較于向內(nèi)延伸逐環(huán)增加的Al懸掛結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)上內(nèi)外延伸一致的Al懸掛結(jié)構(gòu)可以降低第一個(gè)保護(hù)環(huán)位置處的表面電勢(shì);所以對(duì)于非等間距保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)外延伸一致的Al懸掛結(jié)構(gòu)比向內(nèi)延伸逐環(huán)增加的Al懸掛結(jié)構(gòu)擁有更好的防擊穿保護(hù)作用。保護(hù)環(huán)的數(shù)目會(huì)改變第一個(gè)保護(hù)環(huán)位置處的表面電勢(shì)，隨著保護(hù)環(huán)數(shù)目的增加，第一個(gè)保護(hù)環(huán)位置處的表面電勢(shì)也在減小;因此隨著保護(hù)環(huán)數(shù)目的增加，器件的擊穿電壓也在提高。
綜上，在Al懸掛結(jié)構(gòu)內(nèi)外延伸一致的條件下，選用10個(gè)非等間距排布的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)能使傳感器的耐高電壓性能達(dá)到最優(yōu)，擊穿電壓可超過(guò)2000V。對(duì)于自由電子激光硬X射線這樣具有高亮度、短脈沖特性的光源，需要對(duì)傳感器施加大的偏置電壓來(lái)避免因高亮度射線在硅像素傳感器體內(nèi)產(chǎn)生的電荷屏蔽效應(yīng)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，為可滿足自由電子激光硬X射線探測(cè)任務(wù)而研發(fā)的傳感器提供了可行性的設(shè)計(jì)參考方案。
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作者：孫朋1，2，傅劍宇1，2，許高博1，2，丁明正1，翟瓊?cè)A1，殷華湘1，2，陳大鵬1，2
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