Characterization of p-stop isolation implants in silicon sensors using MOSFET structures

技术摘要：利用 MOSFET 结构表征硅传感器中的 p-stop 隔离注入

问题陈述
硅传感器是高能物理实验中追踪、计时和量热功能的关键组件，特别是针对 ATLAS 和 CMS 实验的高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）升级项目。在 n-on-p 硅传感器中，相邻的 n 型电极必须进行电气隔离，以防止通过 Si-SiO₂ 界面处的电子积累层导致短路。这种隔离通常使用 p-stop 注入来实现。然而，这些注入会局部改变表面附近的电场分布和有效掺杂剖面，从而影响器件性能。为了在大型工业化生产过程中确保这些注入的一致性和质量，需要严格的、非破坏性的诊断方法。虽然存在专门的测试结构，但仍需要能够定量表征 p-stop 的深度相关掺杂剖面及其隔离特性且不损坏传感器的技术。

方法论
作者提出并验证了一种利用金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）测试结构作为 p-stop 表征非破坏性探针的方法。这些器件模拟了分段传感器的电极间几何结构，其中相邻的收集电极分别充当源极和漏极，栅极置于两者之间的 SiO₂ 层之上。

本研究利用在两种类型的 p 型硅晶圆（T 型和 H 型）上制造的圆形和椭圆形 MOSFET 进行研究，这些晶圆具有不同的体掺杂浓度和 p-stop 配置（范围涵盖无 p-stop 到具有低或高掺杂水平的一个或两个 p-stop）。测量设置涉及施加 0.5 V 至 -600 V 的背面偏置电压（$V_{back}$）以模拟反向偏置条件，同时扫描栅源电压（$V_{gs}$）以记录源漏电流（$I_{sd}$）。

分析过程分为两个主要阶段：

1. 参数提取：利用参数化迁移率模型，从转移特性曲线（$I_{sd}$ vs. $V_{gs}$）中提取阈值电压（$V_{th}$）以及场相关电子迁移率参数（$\mu_0$ 和 $V_{1/2}$）。阈值电压通过跨导最大值的线性外推法确定，并通过将数据拟合到迁移率模型中进行精细化处理。
2. 剖面重建：利用 $V_{th}$ 对 $V_{back}$ 的依赖关系来重建电极间区域的有效掺杂剖面。利用基于耗尽理论推导出的解析关系，通过 $V_{th}$ 对 $V_{back}$ 曲线的一阶和二阶导数计算耗尽深度（$x$）和掺杂浓度（$p$）。为了减轻数值微分中固有的噪声放大问题，在进行微分之前，采用了通过五个数据点进行二阶多项式拟合的平滑处理程序。

关键结果

• 阈值电压行为：p-stop 注入会导致 $V_{th}$ 对 $V_{back}$ 产生明显的依赖关系。含有 p-stop 的结构在 $|V_{back}|$ 增加时表现出 $V_{th}$ 的陡峭初始上升，随后在 p-stop 注入被完全耗尽后进入饱和区。相比之下，不含 p-stop 的结构在整个偏置范围内表现出 $V_{th}$ 的缓慢单调变化。
• 迁移率参数：提取的电子迁移率（$\mu_0$）随 $|V_{back}|$ 增加而增大，并在含有 p-stop 的结构中趋于饱和，且对于较高的掺杂浓度达到更高的平台值。这归因于 p-stop 注入对横向电场和表面散射的修改。参数 $V_{1/2}$ 显示出相反的趋势，即随偏置减小而减小，然后趋于平台。
• 掺杂剖面重建：重建的掺杂剖面揭示了 p-stop 结构在 Si-SiO₂ 界面附近具有特征性的高浓度峰值，其浓度接近 $10^{16} \text{ cm}^{-3}$。浓度在第一个微米内迅速下降（超过一个数量级），这与预期的高斯型注入剖面和热扩散一致。不含 p-stop 的结构的剖面保持恒定，与约 $4 \times 10^{12} \text{ cm}^{-3}$ 的体掺杂水平相匹配。
• 几何与掺杂敏感性：该技术成功区分了不同的 p-stop 几何形状（圆形与椭圆形）和掺杂水平。高掺杂 p-stop（例如在 H 型晶圆上）表现出更强的电场屏蔽作用，与低掺杂变体相比，需要显著更高的背面电压才能实现完全耗尽。

意义与主张
本文将此项工作作为一种概念验证，证明了基于 MOSFET 的测试结构可以作为监测硅探测器中 p-stop 一致性和电极间隔离特性的非破坏性诊断工具。研究声称，该方法能够以亚微米分辨率定量重建靠近表面的深度相关掺杂剖面。通过将电学响应（特别是 $V_{th}$ 对背面偏置的依赖性）与物理注入特性相关联，该技术为模拟各种运行条件下的传感器性能提供了关键数据。作者得出结论，该方法对于评估不同晶圆类型和几何形状下的隔离注入质量是有效的，为 HL-LHC 传感器大规模生产所需的质量控制程序提供了支持。