摘要：硅像素傳感器上的保護環(huán)結構有利于提高傳感器的耐高電壓性能，為評估保護環(huán)結構對硅像素傳感器的保護效果，仿真分析了三種保護環(huán)結構。通過計算機輔助設計技術對三種保護環(huán)結構進行二維建模，利用TACD內置的電學模型對三種保護環(huán)結構的I-V特性進行了仿真。研究結果表明，電流收集環(huán)會提高像素的耐高電壓性能，同時不等間距保護環(huán)、保護環(huán)的內外等距離Al懸掛以及多個保護環(huán)結構有利于進一步提高傳感器的擊穿電壓。
關鍵詞：PIN二極管;硅像素傳感器;保護環(huán);耐高電壓;計算機輔助設計
0引言
X射線是波長在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結構和生命現(xiàn)象。目 前，X射線成像探測應用大都采用半導體探測器。混合型硅像素探測器是一種試驗站上常用的半導體探測器[1-3]。該探測器包含傳感器和讀出電子學兩個部分，分別制造在獨立的硅片上，通過倒裝焊連接在一起。其中，硅像素傳感器用于將X射線轉換成電信號，讀出電子學用于電信號的前端處理[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的先進光源，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產生的電荷屏蔽效應，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任務研制的一款硅像素探測器，其硅像素傳感器的設計工作電壓高達1000V[10]。硅像素傳感器由像素陣列、電流收集環(huán)和保護環(huán)組成[11]。
其中，保護環(huán)主要承擔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構表面強度過大導致的雪崩擊穿現(xiàn)象[12-13]，合理地設計保護環(huán)結構顯得尤為重要。為此，研究人員針對保護環(huán)結構對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保護環(huán)結構與電流收集環(huán)之間的間距對器件擊穿電壓的影響展開研究;后來又針對多個保護環(huán)結構的結深對電流收集環(huán)擊穿電壓的影響進行了研究[18-21]。但已有研究對于多個保護環(huán)的排布和環(huán)數(shù)變化以及鋁(Al)懸掛的延伸方式，對傳感器電流收集環(huán)擊穿的影響尚有不足。本文結合計算機輔助設計(TechnologyComputerAidedDesign，TCAD)，使用sentaurus軟件對面向先進光源的硅像素傳感器保護環(huán)結構，從保護環(huán)環(huán)間距排布、Al懸掛結構以及保護環(huán)個數(shù)三個方面研究保護環(huán)對傳感器擊穿電壓的影響。
1器件結構與工藝
硅像素傳感器由像素陣列、電流收集環(huán)、保護環(huán)三部分組成。其中，像素陣列為傳感器的敏感區(qū)域，其內的每個像素均為PIN型二極管，且像素n型半導體一側，共用背面電極。傳感器工作時，背面電極接正向偏壓;每個像素p型半導體一側的讀出電極分別接地，且與讀出電子學連接;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，在電場的作用下，空穴向像素陣列的讀出電極運動，被讀出電子學讀出，由此完成光電信號的轉換。像素陣列外側的電流收集環(huán)和保護環(huán)構成傳感器的非敏感區(qū)域。傳感器工作時，電流收集環(huán)接地，保護環(huán)浮空。接地的電流收集環(huán)用于降低像素陣列的漏電，浮空的保護環(huán)可以使傳感器邊緣處的電勢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，形成場氧化層;(b)場氧光刻，刻蝕出有源區(qū);(c)生長一層致密的薄柵氧，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，露出用于正面電學接觸的Al電極。
2器件仿真模型
為研究保護環(huán)對擊穿電壓的影響，使用TCADsentaurus軟件進行仿真。因傳感器的整體結構具有對稱性和重復性，所以選取傳感器的邊緣部分進行仿真模型的構建和研究。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際工藝流程，利用工藝仿真模塊sprocess在軟件中構造的二維仿真模型。
在此模型基礎上，將像素和電流收集環(huán)電極的電勢定義為0V，在器件的背部加正向偏置，使用到載流子的遷移率模型、載流子的產生復合模型、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。運用sdevice模塊對傳感器開展了電學I-V仿真。
3仿真結果分析
3.1保護環(huán)環(huán)間距排布的影響
保護環(huán)結構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，固定保護環(huán)個數(shù)為10環(huán)，并定義靠近電流收集環(huán)的為保護環(huán)第一環(huán)。對于等間距情況，相鄰兩個保護環(huán)之間的間距為35μm。對于不等間距保護環(huán)結構的環(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個保護環(huán)與它前面保護環(huán)的間距。圖4是在兩種不同保護環(huán)結構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環(huán)結構的電流收集環(huán)的擊穿電壓分別為1350V和2000V，這說明雖然兩種結構都具有很好的抗擊穿能力，但是不等間距保護環(huán)結構的抗擊穿能力更強。這是由于保護環(huán)結構為器件邊緣的電勢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，不同的保護環(huán)間距排布造成了邊緣位置處的電勢降落到電流收集環(huán)位置處的方式不同，進而造成了在電流收集環(huán)靠近傳感器邊緣一側結區(qū)附近的電場分布不同，為兩種結構的表面電場強度分布，對比兩種結構在電流收集環(huán)靠近保護環(huán)一側表面位置處的電場強度，等間距保護環(huán)結構和非等間距保護環(huán)結構在該位置處的表面電場強度分別為39000V·cm-1和37800V·cm-1。結區(qū)附近更強的電場強度使得等間距保護環(huán)結構比非等間距保護環(huán)結構的擊穿電壓低。
3.2保護環(huán)Al懸掛結構的影響
在傳感器的保護環(huán)設計中，通常會配備Al懸掛結構。Al懸掛結構與氧化層還有襯底表面的硅構成了MOS結構，這會改變保護環(huán)的表面電勢。對于懸掛在保護環(huán)兩側的Al結構，通常稱朝向像素陣列一側的為向內延伸的Al懸掛結構，朝向邊緣一側的為向外延伸的Al懸掛結構。對于n型襯底p+注入的保護環(huán)結構，金屬懸掛結構和p+注入?yún)^(qū)保持相同的電位，傳感器的表面電勢是從邊緣區(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懸掛結構會在底層硅表面形成聚集層，影響表面位置處的電勢分布。在不等間距保護環(huán)的基礎上，考察了兩種不同Al懸掛結構。結構1是每個保護環(huán)上面的Al懸掛結構向內和向外延伸相同的距離都為5μm。
3.3保護環(huán)數(shù)目的影響
為在每環(huán)Al懸掛內外延伸一致的條件下，隨著非等間距保護環(huán)數(shù)目變化，器件的I-V仿真結果。在沒有保護環(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。沒有保護環(huán)結構的電流收集環(huán)結區(qū)附近的電場明顯比有保護環(huán)結構的大，這使得沒有保護環(huán)結構器件的電流收集環(huán)過早地發(fā)生雪崩擊穿。保護環(huán)結構可以使邊緣位置處的電勢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強度。
隨著保護環(huán)數(shù)目的增加電流收集環(huán)的擊穿電壓也在增加，但是當保護環(huán)的數(shù)目增加到4環(huán)時，擊穿電壓增長的趨勢變緩。第一個保護環(huán)位置處的電勢對電流收集環(huán)結區(qū)附近的電場強度有很大影響。是在1000V偏壓的條件下，第一個保護環(huán)位置處的電勢向電流收集環(huán)方向降落的情況。隨著保護環(huán)數(shù)目的增加，第一個保護環(huán)位置處的電勢在降低，且降低的幅度也在減小，當保護環(huán)數(shù)目由8環(huán)增長到10環(huán)時，第一環(huán)上電勢降落幅度很小，這說明當保護環(huán)增加到一定數(shù)目時對器件擊穿電壓的提升效果也變得緩慢。
4結論
本文基于TCAD技術，針對PIN二極管型硅像素傳感器陣列的保護環(huán)結構進行仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)：非等間距保護環(huán)結構可以使邊緣位置處的表面電勢更平緩地降落到電流收集環(huán)位置處，因此非等間距保護環(huán)結構比等間距保護環(huán)結構擁有更好的耐高電壓性能。相較于向內延伸逐環(huán)增加的Al懸掛結構，保護環(huán)上內外延伸一致的Al懸掛結構可以降低第一個保護環(huán)位置處的表面電勢;所以對于非等間距保護環(huán)結構，內外延伸一致的Al懸掛結構比向內延伸逐環(huán)增加的Al懸掛結構擁有更好的防擊穿保護作用。保護環(huán)的數(shù)目會改變第一個保護環(huán)位置處的表面電勢，隨著保護環(huán)數(shù)目的增加，第一個保護環(huán)位置處的表面電勢也在減小;因此隨著保護環(huán)數(shù)目的增加，器件的擊穿電壓也在提高。
綜上，在Al懸掛結構內外延伸一致的條件下，選用10個非等間距排布的保護環(huán)結構能使傳感器的耐高電壓性能達到最優(yōu)，擊穿電壓可超過2000V。對于自由電子激光硬X射線這樣具有高亮度、短脈沖特性的光源，需要對傳感器施加大的偏置電壓來避免因高亮度射線在硅像素傳感器體內產生的電荷屏蔽效應。經過優(yōu)化后的保護環(huán)結構，為可滿足自由電子激光硬X射線探測任務而研發(fā)的傳感器提供了可行性的設計參考方案。
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作者：孫朋1，2，傅劍宇1，2，許高博1，2，丁明正1，翟瓊華1，殷華湘1，2，陳大鵬1，2
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