硅像素傳感器文獻(xiàn)調(diào)研（一）

滄州僕臣 2024-10-23

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寫在前面：

突然想到，精讀文獻(xiàn)要到怎樣一種程度？

自己回答：再看到這篇文獻(xiàn)，不借助翻譯，看到一些圖也能大致說出他要表達(dá)的內(nèi)容?；蛘呓柚约簶?biāo)記的能回想起來，例如在CSDN上邊記錄的。

1993年的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)

第一步還是先原文翻譯吧，試圖搞懂他的基礎(chǔ)理論知識，全文研究脈絡(luò)，可以根據(jù)自己想法改變敘述順序。

第一步：原文翻譯

無腦用小綠鯨翻譯，有好的理論可以在此記錄一下。

0.摘要

信息提?。?/p>

簡單介紹研究內(nèi)容和結(jié)果：

研究內(nèi)容：針對氧化物電荷和襯底摻雜濃度對具有多個浮動擴(kuò)散帶的分段保護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。計算機(jī)仿真+實驗測試

結(jié)果：實驗與仿真吻合良好：具有浮動擴(kuò)散帶的分段保護(hù)結(jié)構(gòu)具有高擊穿電壓和低漏電流；浮動的中間場板減少了來自氧化物電荷的影響，并使器件穩(wěn)定以抵抗環(huán)境影響。

1.引言

1.1 SSC+LHC應(yīng)用

SSC+LHC->更先進(jìn)的硅像素輻射探測器

1.2 高壓工作

高壓工作：最大化信號并加快信號收集速度。SSC+LHC中的中子輻射會改變耗盡電壓，大體積設(shè)備會導(dǎo)致不均勻的輻射損傷水平，導(dǎo)致探測器耗盡電壓的變化。所以每個探測器應(yīng)該有固定的工作電壓（超過全耗盡電壓），設(shè)計時應(yīng)注意高壓操作。

1.3 輻射影響之一——氧化物電荷積累

輻射對硅探測器的一個影響：SiO2層中永久氧化物電荷的積累（3e12）。會降低pn結(jié)的擊穿電壓：

機(jī)理描述：

帶正電的氧化物電荷在界面處吸引了大量帶負(fù)電的電子，抵消了n區(qū)耗盡區(qū)缺少的電子，從而使得耗盡區(qū)變化。

針對該不利的但無力避免的SiO2累積，保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)可以減少該影響，本文主要研究保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)如何消除（減小）該不利影響。此外保護(hù)環(huán)還有其他作用。

1.4 保護(hù)環(huán)的作用

①通過解耦有源區(qū)外產(chǎn)生的電流來減小有源區(qū)的暗電流

②消除可能引起雪崩擊穿的高場區(qū)域

1.5 目前工作需求來源

起源于高達(dá)1MeV的電子光譜快速探測器的需求：

①1mm的探測厚度：確保高能電子和正電子的全部吸收

②系統(tǒng)響應(yīng)時間<2ns：由于漂移速度取決于電場（暫不考慮速度飽和）和遷移率，故提高響應(yīng)時間可以通過提高電場強(qiáng)度。要求探測器工作電壓高于全耗盡電壓，同時不提升漏電流或噪聲。（根據(jù)pn結(jié)基本原理，工作電壓增大漏電流明顯也要增大的，暫時可以解釋為耗盡區(qū)增大，產(chǎn)生電流增大）。漏電流或者噪聲越大就會降低開關(guān)電流比，使得探測器性能下降，探測器靈敏度降低。舉個例子：可能并沒有光照射，但是由于漏電流過大導(dǎo)致誤判有光的情況發(fā)生。所以該要求是個難點。

如何解決？不可以通過傳統(tǒng)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。所以本文研究新的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。

1.6 研究內(nèi)容安排

①section2：研究氧化物內(nèi)部和頂部電荷對保護(hù)環(huán)設(shè)計的影響，介紹不同設(shè)計理念。

②section3：介紹實驗用保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)和仿真。

③section4：介紹電勢的空間分布并呈現(xiàn)實驗和計算結(jié)果。

④section5：討論

⑤section6：結(jié)論總結(jié)

2.保護(hù)環(huán)設(shè)計的考慮

2.1 表面SiO2氧化物對擊穿的影響

對于n型摻雜，凈正氧化物電荷導(dǎo)致電子在表面積累；對于p型襯底，凈正氧化物電荷導(dǎo)致表面空穴耗盡；對于高阻n型硅襯底形成的單邊突變結(jié)，相比平面體區(qū)域或者不存在氧化物電荷的情況時，該電子積累層將會導(dǎo)致沿著表面的耗盡區(qū)變窄。有無氧化物電荷的情況如上圖所示，假設(shè)氧化物電荷與體摻雜濃度無關(guān)，該氧化物電荷對高阻硅的影響比低阻硅要大（同等電壓變化下高阻硅的耗盡區(qū)寬度變化更大）。在耗盡區(qū)電勢差恒定的情況下，耗盡寬度的減少會增加Si與SiO2界面硅的電場。因此，雪崩擊穿更易發(fā)生在高阻硅襯底的表面區(qū)域中，而不是低阻硅襯底。硅探測器通常用高阻硅制成，因此表面雪崩擊穿被認(rèn)為是硅探測器中最常見的一種擊穿機(jī)制。

2.2 表面SiO2氧化物電荷影響條件

二氧化硅表面的化學(xué)穩(wěn)定性在很大程度上取決于最終的工藝條件。氧化物的表面通常是親水性的，并且電荷密度和導(dǎo)電性可以通過環(huán)境條件的變化而改變。二氧化硅表面應(yīng)被認(rèn)為是化學(xué)和電不穩(wěn)定的。這可能是與封裝的集成電路相比具有不充分的環(huán)境鈍化的硅探測器不穩(wěn)定的主要原因之一。盡管體氧化物電荷通常被認(rèn)為是正的，但是氧化物表面上的附加負(fù)電荷可以給予凈負(fù)氧化物電荷，這將使n型硅反型。除了體電荷之外，氧化物表面上的正電荷將比單獨的體氧化物電荷更多地減小硅中的耗盡寬度，從而降低雪崩擊穿電壓。應(yīng)避免偏置p-n結(jié)周圍的大的未鈍化二氧化硅表面。從硅中的高場區(qū)域的高能電子注入氧化物中也可以改變凈氧化物電荷并改變浮置電極的電荷狀態(tài)。

2.3 以往工作

已經(jīng)開展了許多工作來改進(jìn)和優(yōu)化功率器件的設(shè)計和性能，其中保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明是高壓工作所必需的。通常使用三種不同的方法來控制耗盡區(qū)的終止。

2.3.1 第一種控制耗盡區(qū)終端的方法

最簡單的方法是在結(jié)外的氧化物頂部引入金屬場板（下一篇文獻(xiàn)閱讀1991年的Two-Dimensional Analysis and Design Considerations of High-Voltage Planar Junctions Equipped with Field Plate and Guard Ring），以消除氧化物表面電荷的變化，并減少體氧化物電荷的影響。

2.3.2 第二種控制耗盡區(qū)終端的方法

還利用了注入引起的橫向摻雜密度的變化[7]。此方法需要幾個掩模過程，并且不能避免凈氧化物電荷變化的影響。

2.3.3 第三種控制耗盡區(qū)終端的方法

我們研究過的第三種方法是用一個或幾個不接觸或不偏置的p-n結(jié)包圍中心二極管[8，9]。

2.4 研究內(nèi)容

本文對高阻n型硅中具有多個浮置p+擴(kuò)散區(qū)的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算機(jī)模擬和實驗研究。我們將圖2所示的結(jié)構(gòu)命名為多重保護(hù)。偏壓被施加到n +背電極，有源區(qū)和內(nèi)保護(hù)接地（此處的inner guard接地，類似于電流收集環(huán)？）。保護(hù)的基本機(jī)制如下。當(dāng)偏壓增加時，耗盡區(qū)圍繞內(nèi)部接觸的保護(hù)環(huán)擴(kuò)展。在某一偏壓下，第一非接觸p+擴(kuò)散區(qū)將充電。這種情況稱為穿通。穿通電壓取決于體摻雜濃度、兩個p+擴(kuò)散之間的距離以及凈氧化物電荷。對于一個給定的摻雜濃度和氧化物電荷的最大場強(qiáng)是，第一階（低暗電流），由兩個p+擴(kuò)散之間的距離控制。偏置電壓的進(jìn)一步增加將給予第一非接觸p+擴(kuò)散上的電勢的部分增加，而耗盡區(qū)圍繞這兩個p+擴(kuò)散擴(kuò)展。對其他浮動條重復(fù)相同的過程。與單個p-n結(jié)的情況相比，這將在更大的距離上分布中心接觸二極管外部的電勢，并且給予更低的最大場強(qiáng)。因此，在觀察到雪崩擊穿之前，探測器可以被偏置在更高的電壓。雖然可以很容易地定性預(yù)測沿著Si/SiO2界面的電勢分布，但是需要仿真來進(jìn)行定量預(yù)測，稍后將描述。

圖2 實驗保護(hù)結(jié)構(gòu)詳圖。襯底厚度為1000 μm。僅對所示部件進(jìn)行了仿真。

我們還在待處理器件的擴(kuò)散p+保護(hù)環(huán)中合并了金屬場板。除了這種結(jié)構(gòu)，我們已經(jīng)調(diào)查了兩個不同的處理器件上的不同的幾何形狀的效果。金屬場板在所有情況下都保持浮置，并且將獲得取決于最接近限定電勢的電導(dǎo)率的電勢。

3.實驗細(xì)節(jié)和仿真模型

一些感悟：

首先定性分析，便于整體把握原理，有利于仿真的科學(xué)性，減少無用功。有助于設(shè)計合理的仿真結(jié)構(gòu)，保證科學(xué)的同時還簡化仿真。

其次，仿真和真實器件不必完全相同，偏壓也不用完全一致，能定量說明機(jī)理就好，感覺原則是在能說清楚的前提下能簡化最簡化，越簡化越好，那時候得到的才是最本質(zhì)的。參考一些很偉大的本質(zhì)：數(shù)學(xué)之美，愛因斯坦質(zhì)能方程、歐拉方程等等，本質(zhì)看起來都是很簡單的。還助于理解。

3.1 真實器件參數(shù)（實驗結(jié)構(gòu)）簡述

我們設(shè)計了1 cm × 1 cm的方形二極管，由保護(hù)結(jié)構(gòu)包圍，如圖2所示。p+擴(kuò)散之間的間隙為50 μ m，寬度為25和50 μ m。除了用于探測保護(hù)電位的小金屬焊盤之外，具有圓角的保護(hù)條被氧化物覆蓋。所有器件都在具有擴(kuò)散p和n區(qū)的高電阻率硅上處理。晶片約為1000 μ m厚，并且在正面二極管和背面歐姆接觸之間施加偏壓。

3.2 仿真

3.2.1 仿真模型

為了揭示上述實驗結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征，我們通過圖3所示的簡化結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行了仿真。在中心保護(hù)環(huán)二極管和表面中的n+歐姆接觸之間橫向施加偏置。模擬的保護(hù)結(jié)構(gòu)為20 μ m厚，以減少網(wǎng)格點的數(shù)量，并集中在氧化物電荷影響電位分布的區(qū)域。施加在n +接觸上的電勢不一定與施加在背側(cè)上的電勢相同。當(dāng)在背接觸上施加偏壓時，該接觸將通過我們已經(jīng)模擬的電勢，并且如果漏電流小，則兩個接觸之間的電勢差將小。

這句話應(yīng)該可以用我畢設(shè)里這幅圖來解釋

圖3 仿真中使用的簡化結(jié)構(gòu)。間隙為50 μm，條帶為25或50 μm。

3.2.2 仿真器與邊界條件、模型設(shè)置

我們使用計算機(jī)仿真來預(yù)測不同襯底摻雜濃度和氧化物電荷的影響下的保護(hù)結(jié)構(gòu)的行為。我們使用通用2D器件仿真器PISCES-2B [10]仿真了圖3所示的簡化結(jié)構(gòu)，該模擬器可求解空穴和電子的泊松方程和連續(xù)性方程。浮置金屬場板的影響沒有通過模擬來研究。在表面電勢、電子和空穴濃度固定的歐姆接觸中施加狄利克雷邊界條件。沿著外部非接觸邊緣的器件施加均勻（反射）諾依曼邊界條件。在沿著這種邊緣沒有表面電荷的情況下，法向電場分量變?yōu)榱?。不允許電流流入隔離區(qū)域。通過指定硅和氧化物之間的界面中的邊界條件來間接地施加外氧化物表面上的邊界條件。假設(shè)氧化物電荷沿著此界面。假設(shè)肖克利-里德-霍爾產(chǎn)生和復(fù)合，俄歇復(fù)合，碰撞電離和濃度和場依賴的遷移率的兩個載流子的求解方案。（SRH產(chǎn)生復(fù)合模型、俄歇復(fù)合模型、碰撞電離、濃度和場依賴遷移率模型）

3.2.3 具體參數(shù)設(shè)置

仿真中使用的襯底摻雜濃度被選擇為接近實驗值。由此確定的濃度對于電阻率為8 kΩ cm的晶片為4.3 e11原子/cm 3，對于電阻率大于10 kΩcm的晶片為2.1 e11原子/cm 3。這些摻雜濃度是根據(jù)從實驗二極管上的C-V測量中提取的耗盡電壓計算的。此外，一種情況假設(shè)摻雜濃度為1.5 X 1012原子/cm 3，相當(dāng)于電阻率為3 kΩ cm。所有注入物被認(rèn)為具有高斯雜質(zhì)分布，并且仿真了三種不同的氧化物電荷水平，Qf = 1 × 1010 cm-2、Qf = 8 × 1010 cm-2和Qf = 3 × 1011 cm-2。

3.3 實驗具體設(shè)置

3.3.1 保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)實驗設(shè)置

具有圖2所示的保護(hù)環(huán)設(shè)計的測試樣品在具有（111）取向和1 mm厚度的n型晶片上制成。晶片的電阻率為8 kΩcm或大于10 kΩcm。參考文獻(xiàn)[2]中給出了該過程的描述。

3.3.2 金屬場板結(jié)構(gòu)實驗設(shè)置

還在380 um厚度和（100）取向的n型5 kΩ cm硅晶片上處理測試樣品以研究浮動金屬場板的效果。該過程與上述過程相同，樣品標(biāo)記為T16-Oct 91 -2。

圖4 a保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過測量單個條形電勢用來研究浮置金屬場板的影響。為了清楚起見，未示出金屬場板。尺寸見表1。

表1：測試結(jié)構(gòu)1和2的場板和間隙尺寸。所有尺寸均以um為單位測量

保護(hù)環(huán)的設(shè)計如圖4a和4 b與防護(hù)條之間的寬或窄浮動金屬場板一起使用。窄場板寬度為7.5微米的最小間隙距離和17.5um的較寬的間隙。寬場板被設(shè)計為比防護(hù)條之間的差距窄10 μ m。然而，當(dāng)擴(kuò)散條之間的間隙小于50 μ m時，窄場板和寬場板具有相同的寬度。場板數(shù)據(jù)匯編見表1。

3.3.3 偏壓等實驗設(shè)置和電壓漏電流測量

目視檢查所有樣品的缺陷，以排除擴(kuò)散之間短路的樣品。用Keithley 487電壓源向歐姆背側(cè)接觸施加偏壓，同時將有源二極管和最里面的寬防護(hù)條接地。通過將Keithley 617靜電計連接在最內(nèi)側(cè)的保護(hù)環(huán)和待測量的浮動條之間來測量條之間的電位分布。用Keithley 617和兩個Keithley 487皮安表在電流模式測量泄漏電流。

4.結(jié)果

4.1 仿真

4.1.1 普通二極管仿真結(jié)果——氧化物影響

沿著與圖1所示類似的普通二極管表面的電勢，其體摻雜濃度為5.6 × 10 ~（11）cm-2，如圖5所示。n+接觸上的電勢假定為100 V，并且假定在硅和二氧化硅之間的界面中均勻分布的氧化物電荷密度為0 cm-2、8 X 1010和3 X 1011 cm-2?？梢钥闯觯枚趸桠g化的二極管的表面電勢以及由此的耗盡寬度隨著氧化物電荷密度而顯著變化。如果假定氧化物電荷為零，則所施加的偏壓分布在500 μ m上，而對于最高的氧化物電荷密度，所施加的偏壓在40 μ m的距離上下降。由于電位分布的不同，最大場強(qiáng)也會有很大的變化。（電場=電勢負(fù)梯度）

圖1的回顧

圖5 圖1所示反向偏置臺階結(jié)電位沿著表面分布的模擬結(jié)果，假設(shè)有三種不同的氧化物電荷密度。摻雜濃度為5.6 X 1011原子/cm 3。最左邊的曲線是3 X 1011原子/cm 3的氧化物電荷，中間的曲線是8 X 1010原子/cm 3的氧化物電荷，而右邊的曲線是沒有氧化物電荷。偏壓為100 V。

4.1.2 保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)表面電勢分布仿真研究

圖3所示的結(jié)構(gòu)用于研究體摻雜濃度和氧化物電荷密度對分段保護(hù)結(jié)構(gòu)中的電勢分布的影響。結(jié)果如圖6所示，偏壓為100 V。可以看出，對于低氧化物電荷密度，所有相鄰p +擴(kuò)散之間的電位差幾乎相等，而最外側(cè)p+擴(kuò)散和n +接觸之間的電位差較大。相鄰條帶之間的電位差隨著摻雜濃度和氧化物電荷的增加而增加。條帶之間的最大電位差的位置和幅度可以看出取決于襯底電阻率以及氧化物電荷。一般的行為是，氧化物電荷的增加將主要的電位降移向中心帶，而低氧化物電荷在外部帶和n +接觸之間產(chǎn)生大的電位降。

圖3的回顧

圖6 圖3所示的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的電位分布沿著表面的仿真結(jié)果。這三個圖顯示了具有不同氧化物電荷密度和襯底摻雜濃度的相同幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)果。繪制真實器件上的測量值（X）以進(jìn)行比較。誤差條是對至少三個相同結(jié)構(gòu)的測量的方差。

學(xué)習(xí)一下誤差條？

4.2 電測量（實際器件實測）

4.2.1 電勢變化

測量厚度為1 mm的樣品上的單個條狀電位，圖2中的保護(hù)設(shè)計也在圖6a6b中繪制出了。在圖6a中可以比較具有2.2 X 10 11原子/cm 3的估計摻雜濃度的襯底的測量和模擬。圖6 b示出了對于4.3 X 1011原子/cm 3的估計摻雜濃度的電勢測量和模擬。為了比較測量和模擬，應(yīng)該使用8 × 10 10 cm-2氧化物電荷的數(shù)據(jù)。該氧化物電荷密度是從用相同工藝處理的MOS電容器上的C-V測量估計的。測量遵循仿真的一般行為，除了靠近中心的條帶的一些差異。誤差條是在至少三個相同結(jié)構(gòu)上的測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。發(fā)現(xiàn)在相同的處理結(jié)構(gòu)有相當(dāng)大的相對變化。

圖2的回顧

圖4中的防護(hù)設(shè)計用于研究浮動擴(kuò)散帶之間的金屬場板的效果，結(jié)果如圖7所示。十字代表測量，而線條是用來引導(dǎo)眼睛的。各個防護(hù)條的電位是在施加到背接觸的偏壓下測量的，并且以50 V增量變化。有源區(qū)和中心保護(hù)電極接地。T16-Oct 91 -2識別的所有測量值和在接下來的段落中提到的值，來自同一晶片，以最小化氧化物電荷密度變化的影響。

圖4的回顧

表1的回顧

圖7 圖4所示的具有浮動帶間金屬場板的多保護(hù)結(jié)構(gòu)上的單個保護(hù)帶電勢的測量。畫線是為了引導(dǎo)眼睛，而十字（x）代表測量值。

圖7示出了在不同偏壓下的保護(hù)條電勢的測量?？梢钥闯觯S著背側(cè)上的電壓增加，更多的條浮置到與所施加的偏置顯著不同的電勢。中心帶上的電勢僅是所施加的偏置的一部分，并且其電勢僅隨著偏置的增加而微弱地增加，并且永遠(yuǎn)不會達(dá)到全偏置值。外部防護(hù)條具有與所施加的偏置電壓幾乎沒有偏差的電勢。

圖7a示出了具有寬間隙和窄場板的測試結(jié)構(gòu)1上的電勢測量，圖7b示出了具有寬間隙和寬場板的測試結(jié)構(gòu)1上的電勢測量。大部分電位差在內(nèi)部保護(hù)條之間，其中電位隨著偏置電壓快速增加。圖7a和7b比較，在寬場板和窄場板之間沒有顯著差異。圖7c示出了在具有窄間隙和寬金屬場板的測試結(jié)構(gòu)2上的電勢測量。測試結(jié)構(gòu)2的相鄰浮動防護(hù)條之間的電位分布幾乎是均勻的，并且即使在最低的施加偏壓下，幾個防護(hù)條也具有與施加的偏壓值不同的電位。與7a和7b中的情況相比，中心保護(hù)條上的電勢隨偏壓增加較少。測試結(jié)構(gòu)2的中心浮動保護(hù)條上的電勢也比測試結(jié)構(gòu)1的低得多。當(dāng)比較具有寬間隙的圖7 b和具有窄間隙的圖7 c時，可以看到電勢分布的顯著差異。在這兩種情況下都應(yīng)用寬金屬場板。

4.2.2 漏電流變化

圖8顯示了1 cm X 1 cm二極管的保護(hù)區(qū)和有源區(qū)中的漏電流。測量是在7a和7c所示的相同結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的。380 um的硅在90 V下耗盡，并且在400 V的施加偏壓下室溫有源區(qū)漏電流為600 pA。具有寬間隙和窄金屬場板的測試結(jié)構(gòu)1（圖8a）的保護(hù)裝置中的漏電流直到400 V沒有增加。具有窄間隙和寬金屬場板的測試結(jié)構(gòu)2（圖8b）的保護(hù)裝置中的漏電流在350-400V之間增大，但是有源區(qū)電流沒有相應(yīng)增加。

圖8 （a）具有寬場板的測試結(jié)構(gòu)1和（B）具有窄場板的測試結(jié)構(gòu)2上的漏電流測量。保護(hù)環(huán)設(shè)計如圖4所示。

5. 討論

5.1 總結(jié)

我們設(shè)計了一種具有多個浮置p-n結(jié)的保護(hù)結(jié)構(gòu)，將電勢分布效應(yīng)作為其基本功能的一部分。我們利用計算機(jī)模擬了這種結(jié)構(gòu)的模型，研究了不同摻雜濃度和氧化物電荷密度的結(jié)構(gòu)中的電勢分布。我們在實驗樣品的保護(hù)下？進(jìn)行了電位測量，以考察仿真模型的正確性，并提高我們對真實器件的理解。本節(jié)將討論的主題相互交織在一起，我們將首先評論和討論計算機(jī)模擬的一般有效性。然后討論了金屬場板在防護(hù)設(shè)計中的作用。金屬場板沒有包含在模擬中。最后，我們討論了我們模擬和測量的一般行為和趨勢。我們還將說明如何將結(jié)果最好地用于未來優(yōu)化保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

5.2 計算機(jī)仿真的一般有效性

最低摻雜濃度、氧化層電荷密度和保護(hù)帶間距是決定多重保護(hù)結(jié)構(gòu)中電勢和最大場強(qiáng)的關(guān)鍵因素。p +擴(kuò)散具有恒定的電勢，并且不會影響擊穿行為。我們發(fā)現(xiàn)，我們在多保護(hù)結(jié)構(gòu)上仿真的電勢分布，至少在定性上與我們的直覺預(yù)期一致。我們認(rèn)為這表明仿真模型給出的結(jié)果是定性正確的，并產(chǎn)生接近仿真結(jié)構(gòu)所代表的理想情況下的正確值的潛在值。如果假設(shè)仿真是正確的，而不是根據(jù)直覺預(yù)期來解釋，那么實驗觀察到的趨勢更容易解釋。后者，至少在本討論中，往往會產(chǎn)生冗長的論點。

上述論點使得找出實驗測量的電勢分布是否取決于我們在模擬中考慮的因素變得重要。如果其他因素主導(dǎo)了這種行為，那么如果它們的值可以預(yù)測的話，我們就必須把它們包括在內(nèi)。

否則，我們應(yīng)該理想地消除它們。圖6a和6 b可以用作體摻雜濃度故意不同的示例。對于約8 × 10 10 cm-2的氧化物電荷，我們從模擬中預(yù)期，當(dāng)襯底摻雜增加時，從中心開始的第一條上的電勢增加（也如圖6所示）。從測量中看到的標(biāo)準(zhǔn)差的大小可以看出，為了嚴(yán)格檢驗任何趨勢，它們必須產(chǎn)生相對較大的理論效應(yīng)。然而，預(yù)期差異小于測量值顯示的標(biāo)準(zhǔn)差。因此，測量的電位隨摻雜濃度的變化與仿真一致。

如果我們考慮圖6a和6 b中所測得的電勢分布的一般形狀。在圖6a和6 b中，我們注意到它們類似于假設(shè)氧化物電荷約為8 X 1010CM-2時的仿真結(jié)果。從中心算起的第一條可能有一種趨勢，即平均測量電位高于仿真電位。考慮到有限的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和測量的典型標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小，尚不清楚是否存在系統(tǒng)偏差。這顯然是一個太弱的傾向，無法證明重新評估這些模擬是合理的。盡管如此，我們認(rèn)為應(yīng)該做進(jìn)一步的工作來評估仿真的電位如何依賴于輸入?yún)?shù)，例如體產(chǎn)生率和p+帶的深度，我們認(rèn)為這些因素可以在存在氧化物電荷的情況下影響保護(hù)帶上的電位。如果體產(chǎn)生率對于電勢分布是關(guān)鍵的，那么仿真全保護(hù)結(jié)構(gòu)也是很重要的。

5.3 對浮動金屬板影響的討論（消除氧化物電荷影響）

5.3.1 電勢討論

我們現(xiàn)在將描述保護(hù)設(shè)計中浮動金屬板的物理效果。氧化物頂部的金屬將消除由于環(huán)境變化而引起的氧化物上的電荷變化。此外，外金屬表面的高電子濃度將減少環(huán)境條件（包括金屬外部的電荷）的變化對硅表面中的電荷濃度的影響。在氧化物頂部沒有金屬場板的情況下，大部分氧化物電荷在下面的硅中鏡像。浮動金屬場板將通過在金屬中提供鏡像電荷來減少來自氧化物電荷的影響。這種效應(yīng)將取決于氧化物中電荷的位置和氧化物的厚度。根據(jù)上述論點，我們預(yù)測金屬場板的存在將類似于減少具有通常為正的氧化物電荷的n型材料的氧化物電荷。這證明了有場板的實驗和沒有場板的模擬之間的比較，只要記住明顯的警告。

從上面我們預(yù)計，增加保護(hù)結(jié)構(gòu)中的場板寬度將與減少氧化物電荷的作用類似。因此，沿表面的耗盡寬度將增加。原則上，人們可以在具有不同浮動金屬場板寬度的結(jié)構(gòu)中觀察到這種效應(yīng)。圖7a和圖7b分別示出了用于窄場板和寬場板的測試結(jié)構(gòu)I。金屬板寬度的影響，如果有的話，在這里是看不到的。首先，如第3節(jié)所述和表1所示，應(yīng)該注意的是，寬度只與第三個板和向外的板不同，不適用最里面的板。從仿真結(jié)果來看，我們預(yù)計最內(nèi)層的保護(hù)條對氧化物電荷的電勢變化有最強(qiáng)的依賴性。我們還注意到圖7B中所示的不規(guī)則電勢分布，可能掩蓋場板寬度增加的影響。顯然，任意變化仍然大于金屬場板對氧化物電荷的影響(如果有的話)。這些任意變化包括諸如氧化物電荷變化、局部表面和體缺陷以及來自未覆蓋氧化物區(qū)域的環(huán)境的電荷的影響。金屬板仍然應(yīng)該具有所描述的有益的保護(hù)效果，我們相信這是在設(shè)計中保留它們的一個很好的理由。金屬板的存在也可以在如下所述的電勢分布中起作用。

金屬場板的包含改變了p +擴(kuò)散之間的保護(hù)結(jié)構(gòu)和電位分布，這取決于MOS閾值電壓、場板電位和硅表面電位分布。浮置場板上的電勢將取決于氧化物表面的電導(dǎo)率和附加鈍化涂層的體電阻率。氧化物的電導(dǎo)率強(qiáng)烈依賴于環(huán)境濕度[3]，在40%相對濕度下，方塊電阻可以約為10 18 fl/square。表面方塊電阻將影響金屬場板的充電時間常數(shù)。通過控制金屬場板上的電勢，或者通過電阻器網(wǎng)絡(luò)將它們直接連接到限定的電勢，或者通過連接到浮置p-n結(jié)，可以改善多重保護(hù)的操作。

通過減小保護(hù)條之間的距離，保護(hù)條之間的電勢差將減小，在給定的偏置電壓下，更多的表面將被耗盡，并且電位降將沿表面分布在更大的距離上。這一點可以通過比較7B(寬間隙)和7C(窄間隙)來看出。在這兩種情況下都使用了寬場板，這可以從圖3中看出。7C保護(hù)環(huán)之間的電勢差可以通過應(yīng)用小間隙和寬場板來限制和很好地控制。

5.3.2 漏電流討論

電位分布的不同將影響高偏壓下的漏電流，這一點可以通過考慮單個條形電位和圖7a和7c中的電位分布來理解。可以看到，測試結(jié)構(gòu)2的邊緣帶開始偏離施加的偏置電壓，這意味著耗盡區(qū)延伸到該帶之外。這伴隨著圖中350V以上的泄漏電流的增加（8B）。我們推測，保護(hù)電流的增加可能是由于耗盡區(qū)向邊緣延伸時產(chǎn)生率的增加所致。另一種解釋也是產(chǎn)生電流增加的，假設(shè)器件中局部的高場區(qū)域會導(dǎo)致雪崩擊穿。如果是這樣的話，我們預(yù)計當(dāng)前的情況將隨著偏壓而大幅增加。然而，我們觀察到，偏置電壓增加50V只會導(dǎo)致保護(hù)電流加倍。因此，我們認(rèn)為耗盡區(qū)更有可能延伸到邊緣晶體損傷處導(dǎo)致漏電流增加。

5.3.3 設(shè)計啟示

圖6所示的仿真結(jié)果表明，在非常低的氧化物電荷密度下，條帶之間的電勢差將幾乎相等，并且耗盡區(qū)將到達(dá)探測器的邊緣。

當(dāng)耗盡區(qū)延伸到邊緣時，這種保護(hù)設(shè)計應(yīng)該提供較高的擊穿電壓和增加的泄漏電流。使用更寬的保護(hù)區(qū)域并包括更多的保護(hù)帶應(yīng)該可以解決耗盡區(qū)延伸到邊緣的問題。中央防護(hù)條之間的距離應(yīng)減小，以避免電勢差過大和雪崩擊穿的可能性增加。

對于在輻射環(huán)境中工作的保護(hù)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計保護(hù)結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮總劑量和氧化物電荷，并為最佳保護(hù)結(jié)構(gòu)留出足夠的空間。最小保護(hù)寬度將是工作電壓下的耗盡寬度加上中心偏置后所有p-n結(jié)的寬度。凈正電荷可以通過沿表面施加更高的電子濃度來減小該寬度。然而，在輻射環(huán)境中運行會隨時間改變氧化物電荷，從而改變最佳防護(hù)設(shè)計。通過注入磷來增加摻雜濃度可以用來以可控的方式減小總的保護(hù)寬度。浮動金屬場板的使用將減少氧化物電荷的影響，并增加在工作電壓下向耗盡寬度方向的最小保護(hù)寬度。連接到浮動p+擴(kuò)散的金屬場板將根據(jù)朝向它們所連接的條的較高或較低電勢側(cè)延伸而增大或減小條帶之間的電勢差。這項工作對于理解、設(shè)計和操作硅漂移室器件和硅微帶探測器也很重要。

6.總結(jié)與結(jié)論

我們仿真了電位分布，并測試了一個分段的保護(hù)結(jié)構(gòu)與浮動p +擴(kuò)散帶的性能。實驗研究了P +結(jié)之間的浮置金屬場板的作用。結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)可以用來：通過擴(kuò)展的耗盡區(qū)控制（在一定程度上）的耗盡區(qū)沿著表面的終止。保護(hù)帶之間的浮動場板的效果是減少來自氧化物電荷的影響，并且另外減少對二氧化硅表面電荷的環(huán)境影響。帶金屬場板的分立保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)可以在非常高的偏置電壓下在保護(hù)區(qū)中給予低的漏電流。

為了設(shè)計最佳的多重保護(hù)結(jié)構(gòu)，在確定帶間間隙、場板寬度、保護(hù)環(huán)數(shù)目和保護(hù)環(huán)總寬度時，必須考慮體摻雜濃度、氧化物電荷和工作電壓。類似于這里提出的模擬將是有價值的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計。