首页 > 专利学习

放射线检测装置、半导体存储装置和放射线检测方法与流程

放射线检测装置、半导体存储装置和放射线检测方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术基于2021年8月31日提交的日本专利申请no.2021-141204和2022年2月7日提交的美国专利申请no.17/666463，并要求享受其优先权，故以引用方式将其全部内容并入本文。
技术领域
3.概括地说，本文描述的实施方式涉及放射线检测装置、半导体存储装置和放射线检测方法。

背景技术：

4.由于宇宙射线中包含的伽马射线具有优良的直线性，因此可以通过检测伽马射线来估计伽马射线的产生源的位置，并且可以应用于例如寻新的天体。
5.为了检测伽马射线，必须使伽马射线与某种物质碰撞。为了增加碰撞的概率，物质需要加厚，但这增加了伽马射线探测装置的尺寸。此外，随着检测装置的尺寸增加，功耗也增加。

技术实现要素：

6.实施方式提供了一种具有优异的伽马射线检测灵敏度并且能够小型化且实现低功耗的放射线检测装置和半导体存储装置，以及使用它们的放射线检测方法。
7.总体上，根据一个实施方式，一种放射线检测装置包括：非易失性存储器芯片，包括多个堆叠的存储单元；以及控制器，根据在伽马射线检测窗期间非易失性存储器芯片中的至少一部分存储单元的数据反转和阈值电压变化，检测在伽马射线检测窗期间入射到所述非易失性存储器芯片的伽马射线。
附图说明
8.图1a是示出伽马射线的能量与散射截面积之间的关系的图。
9.图1b是示出伽马射线的能量与衰减系数之间的关系的图。
10.图2是根据第一实施方式的放射线检测装置的框图。
11.图3a是具有三维结构的非易失性存储器芯片的示意性截面图。
12.图3b是其中堆叠有多个非易失性存储器芯片的第一存储器模块的示意性截面图。
13.图3c是示出其中堆叠多个第一存储器模块的第二存储器模块的视图。
14.图4是示出第二存储器模块和控制器之间的数据传输和接收的视图。
15.图5是根据本实施方式，示出放射线检测装置的控制器执行的处理操作的流程图。
16.图6是示出根据本实施方式的放射线检测装置与根据比较例的放射线检测装置的比较的图。
17.图7是示意性地示出根据第二实施方式的放射线检测装置的视图。
18.图8是控制器读取所有存储单元的数据的结果的可视化的图。
19.图9是示出具有根据第一实施方式或第二实施方式的放射线检测装置的功能的半导体存储装置的示意结构的框图。
20.图10是示出具有三维结构的nand闪存单元阵列的例子的电路图。
21.图11是具有三维结构的nand闪存的nand闪存单元阵列的一部分区域的截面图。
22.图12是示出固态驱动器(ssd)中的存储单元晶体管的阈值电压分布的例子的图。
具体实施方式
23.在下文中，将参照附图描述放射线检测装置、半导体存储装置和放射线检测方法的实施方式。在下文中，主要说明放射线检测装置和半导体存储装置的主要结构部分。应当注意，放射线检测装置和半导体存储装置包括其中没有示出或描述的配置部件和功能。以下公开内容的预期范围不排除没有示出或描述的配置部件或功能。
24.放射线检测原理
25.宇宙射线是一种从宇宙中落下的高能基本粒子，具有较宽的能量分布。与宇宙射线产生有关的物理过程尚未阐明，许多研究旨在寻作为宇宙射线起源的天体并了解宇宙的诞生。
26.除了具有诸如质子和电子的电荷的粒子(以下称为带电粒子)之外，宇宙射线还包括诸如伽马射线之类的不具有电荷的基本粒子。因为带电粒子由于磁场的影响而无法在外太空直线行进，因此无法通过观察到带电粒子的产生位置。另一方面，诸如伽马射线之类的不带电荷的基本粒子可以不受磁场影响地直线前进，因此可以通过检测伽马射线来掌握其发生源的位置。为了寻新的天体和解开宇宙诞生之谜而进行伽马射线观测，目前正在开发几种伽马射线检测器。
27.现有技术的伽马射线检测器检测当伽马射线与诸如硅或cdte等半导体碰撞时产生的电子-空穴对。然而，为了增加伽马射线与半导体碰撞的概率，必须增加半导体的厚度，这导致伽马射线检测器变得更大。另外，由于只有在伽马射线检测器通电的情况下才能检测到伽马射线，所以伽马射线检测器的功耗增加。例如，当宇航员在国际空间中心等大气层稀薄的环境中进行舱外活动时，由于稀薄的大气层，存在被包括伽马射线在内的大量宇宙射线照射的危险。因此，宇航员在进行舱外活动时需要经常携带针对诸如伽马射线之类的宇宙射线的检测器，故需要其小型化和低功耗。
28.根据本实施方式的放射线检测装置的特征在于，该放射线检测装置能够在使用现有的非易失性存储器芯片的同时不消耗过多电力而以高精度检测伽马射线。非易失性存储器芯片是在半导体晶片上形成存储单元结构后进行切割而成，单个存储单元的厚度小于1μm。然而，在最近的闪存芯片中，存储容量通过堆叠存储单元而显著地增加，并且闪存芯片的存储单元部分的厚度随着堆叠的存储单元数量的增加而变得更厚。根据本实施方式的放射线检测装置采用具有其中堆叠存储单元的三维结构的非易失性存储器芯片来检测伽马射线。
29.当伽马射线入射到非易失性存储器芯片中的存储单元上时，由于被称为康普顿散射(compton scattering)的效应而可能在存储单元中产生二次电子。产生的二次电子成为改变存储单元的阈值电压的因素。当存储单元的阈值电压改变时，存储在非易失性存储器
芯片中的数据发生反转。因此，当检测到存储在非易失性存储器芯片中的数据发生反转时，可以检测到伽马射线与存储单元的碰撞。由于非易失性存储器芯片包括许多存储单元，因此可以通过检测数据反转的存储单元的数量来检测伽马射线的剂量。
30.这里，描述伽马射线的特性。当伽马射线入射到材料上时，会产生光电效应、康普顿散射或电子-正电子对的产生。光电效应是伽马射线和与物质中的原子结合的电子之间的相互作用，由于这种相互作用，伽马射线的总能量被物质中的原子吸收，并从原子中发射出光电子。在伽马射线与物质中的自由电子碰撞时，发生康普顿散射。当伽马射线的能量为100kev到几mev时，与物质中原子结合的电子可以被视为自由电子，伽马射线的碰撞使伽马射线的方向和能量改变，部分伽马射线的入射能量被施加到电子上。电子-正电子对的产生表明伽马射线转化为电子-正电子对。当伽马射线的能量小于100kev时发生光电效应，当伽马射线的能量为100kev到几mev时发生康普顿散射，而当伽马射线的能量超过几mev时，产生电子-正电子对。
31.图1a和图1b是说明伽马射线在硅中的行为的图。图1a表示伽马射线的能量与散射截面积的关系，图1b表示伽马射线的能量与衰减系数的关系。图1a和图1b的水平轴都是伽马射线的能量[mev]。图1a的纵轴是散射截面积[cm2/g]，图1b的纵轴是衰减系数μ[cm-1
]。
[0032]
如图1a中所示，当伽马射线的能量较小时，会发生光电效应(波形w1)，当能量为100kev到几mev时，会发生康普顿散射(波形w2)，而当能量超过几mev时，产生电子-正电子对(波形w3)。从波形w2可以看出，在康普顿散射中，即使伽马射线的能量发生变化，散射截面积也没有太大变化。
[0033]
通过将散射截面积乘以密度获得图1b中的衰减系数。图1b示出了硅、锗和cdte的衰减系数由于伽马射线的光电效应而变化的状态(波形w4到w6)，以及硅、锗和cdte的衰减系数由于伽马射线的康普顿散射而发生变化的状态(波形w7到w9)。
[0034]
从图1b可以看出，由于光电效应引起的衰减系数随着伽马射线能量的增加而减小(波形w4到w6)，与此相对，即使在伽马射线能量变化时，由于康普顿散射引起的衰减系数也变化很小(波形w7到w9)。
[0035]
当伽马射线入射到物质并引起康普顿散射时，会产生二次电子。产生的二次电子产生成对的电子和空穴。在具有将电荷存储在电荷存储膜中的类型的存储单元的非易失性存储器芯片中，当通过存储单元中的康普顿散射产生二次电子时，电荷由于该效应而进入电荷存储膜并且数据发生了反转。
[0036]
此外，最近的非易失性存储单元通过设置具有不同电压电平的多个阈值电压来存储多值数据。当由于伽马射线的康普顿散射在存储单元中产生二次电子时，存储单元的阈值电压发生变化。当阈值电压改变时，由多值比特组成的数据的至少一些比特发生了反转。
[0037]
因此，当伽马射线在非易失性存储器芯片的存储单元中引起康普顿散射时，产生二次电子，因此，存储单元中的数据发生反转或阈值电压改变。由此，当读取非易失性存储器芯片的所有存储单元的数据并检测到数据的反转时，可以确定该反转是由伽马射线引起的。此外，还可以根据具有反转数据的存储单元的数量来估计伽马射线的剂量。
[0038]
第一实施方式
[0039]
在下文中，详细描述了根据第一实施方式的放射线检测装置、半导体存储装置和放射线检测方法。
[0040]
图2是根据第一实施方式的放射线检测装置1的框图。根据本实施方式的放射线检测装置1包括非易失性存储器芯片2和控制器3。非易失性存储器芯片2和控制器3可以包括在同一封装中，或者可以包括在不同封装中以安装在支撑衬底上。此外，可以单独地提供安装非易失性存储器芯片2的支撑衬底和安装控制器3的支撑衬底，并且这些支撑衬底可以通过诸如柔性印刷电路(fpc)的线缆来彼此连接。
[0041]
非易失性存储器芯片2用于检测在放射线检测装置1周围的宇宙射线中包含的伽马射线。为了使非易失性存储器芯片2检测伽马射线，伽马射线需要与自由电子碰撞，以在非易失性存储器芯片2中的存储单元中引起康普顿散射。因此，希望非易失性存储器芯片2具有伽马射线可能引起康普顿散射的结构。
[0042]
例如，从增加伽马射线引起康普顿散射的概率的观点来看，期望非易失性存储器芯片2较厚。在本实施方式中，假设使用诸如闪存芯片之类的通用非易失性存储器芯片2。通用的非易失性存储器芯片2通过切割半导体晶片来制成，并且每个都只具有小于几μm的厚度，因此不能增加上述概率。
[0043]
因此，在本实施方式中，作为非易失性存储器芯片2的一种候选，使用具有堆叠了多个存储单元的三维结构的非易失性存储器芯片2。由于堆叠了多个存储单元，因此与在二维平面上布置这些存储单元的非易失性存储器芯片2相比，具有三维结构的非易失性存储器芯片2更厚。具有三维结构的非易失性存储器芯片2的存储单元部分的厚度(其取决于堆叠的存储单元的数量)约为5μm，当该厚度包括衬底或布线层的厚度时，约为几十μm。
[0044]
即使使用具有三维结构的单个非易失性存储器芯片2，与在二维平面上布置存储单元的非易失性存储器芯片2相比，也可以增加伽马射线引起康普顿散射的概率。然而，为了进一步增加伽马射线引起康普顿散射的概率，期望使用其中垂直堆叠多个具有三维结构的非易失性存储器芯片2的存储器模块(第一存储器模块)。借此，可以进一步增加伽马射线在第一存储器模块中的至少一个非易失性存储器芯片2中引起康普顿散射的概率。
[0045]
图3a是具有三维结构的非易失性存储器芯片2的示意性截面图，图3b是其中堆叠多个非易失性存储器芯片2的第一存储器模块4的示意性截面图。图3b示出了将10个具有图3a的截面结构的非易失性存储器芯片2进行堆叠并密封而得到的第一存储器模块4的例子，但第一存储器模块4中的非易失性存储器芯片2的数量可以是任意数量。
[0046]
假设具有三维结构的非易失性存储器芯片2的存储单元部分2a的厚度为例如5μm，并且将10个非易失性存储器芯片2堆叠在第一存储器模块4中，第一存储器模块4中的存储单元部分2a的厚度大约为50μm。
[0047]
不能确定伽马射线在大约50μm的厚度中引起康普顿散射的可能性很高。因此，如图3c中所示，可以提供其中堆叠了多个图3b的第一存储器模块4的第二存储器模块5。第二存储器模块5中的第一存储器模块4的数量可以是任意数量。例如，当堆叠10个第一存储器模块4以制造第二存储器模块5时，第二存储器模块5的存储单元部分2a的厚度约为500μm。当存储单元部分2a的厚度为大约500μm时，伽马射线在任何存储单元中引起康普顿散射的概率增加，并且可以获得作为放射线检测器的充分性能。
[0048]
如上所述，由于具有三维结构的非易失性存储器芯片2的存储单元部分2a具有大约5μm的厚度，因此伽马射线在一个非易失性存储器芯片2中引起康普顿散射的概率约为0.01％。然而，通过设置如图3b所示的堆叠10个非易失性存储器芯片2的第一存储器模块4，
并且进一步通过如图3c所示堆叠10个第一存储器模块4，伽马射线在存储单元中引起康普顿散射的概率可以增加到大约1％。
[0049]
在图3c中，简单堆叠的多个第一存储器模块4用作第二存储器模块5，但是堆叠和封装的多个第一存储器模块4用作第二存储器模块5即可。由此，可以将第二存储器模块5作为一个半导体器件来处理。
[0050]
控制器3可以读取第二存储器模块5的每个非易失性存储器芯片2中的数据。当入射到第二存储器模块5的伽马射线在第二存储器模块5中的至少一个存储单元中引起康普顿散射时，产生二维电子，并且存储单元中的数据发生反转，因此控制器3可以检测到伽马射线。这里，数据的反转是指：当数据为一比特时，该比特发生反转，当数据为多值比特时，至少一个比特发生反转。
[0051]
当具有三维结构的非易失性存储器芯片2中的堆叠存储单元的数量可以增加到100层以上时，并不总是需要设置第一存储器模块4和第二存储器模块5。仅使用具有三维结构和100层以上的单个非易失性存储器芯片2，可以将伽马射线引起康普顿散射的概率设置为期望值。因此，在根据本实施方式的放射线检测装置1中，第一存储器模块4和第二存储器模块5并不总是必需的。
[0052]
图2的控制器3检测由沿着多个存储单元的堆叠方向行进的伽马射线在至少一部分存储单元中引起康普顿散射所产生的数据反转和阈值电压变化中的至少一个。
[0053]
此外，当放射线检测装置1包括其中堆叠有多个非易失性存储器芯片2的第一存储器模块4时，控制器3检测来自第一存储器模块4中的至少一些非易失性存储器芯片2的、由存储单元中的伽马射线的康普顿散射所引起的数据反转和阈值电压变化中的至少一个。
[0054]
此外，当放射线检测装置1包括其中堆叠有多个第一存储器模块4的第二存储器模块5时，控制器3检测由第二存储器模块5中的至少一些存储单元中的、由康普顿散射引起的数据反转和阈值电压变化中的至少一个。
[0055]
图2中的控制器3包括存储器控制器3a和主机控制器(也称为主机计算机)3b。存储器控制器3a控制对非易失性存储器芯片2的数据写入和读取。主机控制器3b检测由于入射的伽马射线而造成的非易失性存储器芯片2中的至少一些存储单元的数据反转和阈值电压变化中的至少一个。可以将存储器控制器3a和主机控制器3b集成为一个控制器。此外，当单独地设置存储器控制器3a和主控制器3b时，例如，存储器控制器3a和非易失性存储器芯片2安装在同一支撑衬底上，主控制器3b安装在另一个支撑衬底上，两个支撑衬底可以通过诸如柔性印刷电路(fpc)之类的线缆来传输和接收信号。
[0056]
图4是示出第二存储器模块5和控制器3之间的数据传输和接收的视图。通过堆叠多个第一存储器模块4来获得第二存储器模块5，每个第一存储器模块4包括堆叠在支撑衬底6上并密封的多个非易失性存储器芯片2。多个第一存储器模块4中的每个第一存储器模块4的支撑衬底6包括接口部7。控制器3可以通过多个支撑衬底6的接口部7来擦除所述多个第一存储器模块4中的所有存储单元，或读取所有存储单元的数据。接口部7的管脚布置、管脚形状等等并不限于图4所示的那样。
[0057]
图5是示出根据本实施方式的放射线检测装置1的控制器3的处理操作的流程图。首先，擦除所有非易失性存储器芯片2中的所有存储单元(步骤s1)。当非易失性存储器芯片2是闪存时，非易失性存储器芯片2执行去除存储在电荷存储膜中的所有电荷的操作。在本
说明书中，将擦除状态下的数据描述为1。通过从每个存储单元中的电荷存储膜去除电荷，降低每个存储单元的阈值电压。
[0058]
当所有非易失性存储器芯片2中的所有存储单元都处于擦除状态时，关闭放射线检测装置1的电源(步骤s2)。根据本实施方式的放射线检测装置1可以在不使用电力的情况下检测伽马射线。当放射线检测装置1的电源关闭时，不向非易失性存储器芯片2供电，不发生功耗。当伽马射线在这种状态下入射到非易失性存储器芯片2上时，可能在至少一些存储单元中发生伽马射线的康普顿散射。当发生康普顿散射时，产生二次电子，电荷存储在存储单元的电荷存储膜中，并且数据发生反转。上述的操作在不向非易失性存储器芯片2供电的状态下，即，不消耗电力的情况下进行。
[0059]
如上所述，根据本实施方式的放射线检测装置1具有可以检测伽马射线并且可以将检测到的状态存储在存储单元中而不消耗电力的优异特性。
[0060]
此后，当放射线检测装置1的电源在适当的时机开启时，控制器3读取所有非易失性存储器芯片2中的所有存储单元的数据(步骤s3)。由于在上面描述的步骤s1中所有存储单元都处于擦除状态，所以所有数据应该为1。当在步骤s3中读取所有存储单元的数据时，如果读取到数据0，则控制器3确定数据0是由于伽马射线的康普顿散射造成的。在多值数据的情况下，擦除状态下所有比特为1，检测到伽马射线时至少一个比特变为0。
[0061]
理论上，存储在非易失性存储器中的数据可以由于除了伽马射线的康普顿散射之外的因素(例如，老化)而发生反转。然而，当擦除存储单元所经过的时间不是那么长时，由于老化而不会有足够的时间来使数据发生反转。因此，在擦除存储单元之后的几小时或几天内数据反转的情况，可以推断为是由于伽马射线的康普顿散射。
[0062]
控制器3对数据发生反转的存储单元的数量进行计数(步骤s4)。当伽马射线的剂量增加时，伽马射线可能导致的康普顿散射增加，并且其中数据发生反转的存储单元的数量也增加。因此，可以根据数据发生反转的存储单元的数量来估计伽马射线的剂量(步骤s5)。
[0063]
如上所述，当通过使用具有三维结构的非易失性存储器芯片2堆叠约100层存储单元时，伽马射线引起康普顿散射的概率约为1％。因此，可以预先准备表格，使得可以根据堆叠的存储单元的数量和其中数据发生反转的存储单元的数量来快速地估计伽马射线的剂量。该表以堆叠存储单元的数量和具有反转数据的存储单元的数量作为输入参数，来输出伽马射线的剂量。可以通过用已知剂量的伽马射线照射样品的非易失性存储器芯片2来确定数据反转的频度的实验或仿真的结果，来预先生成上述表格。
[0064]
图6是示出根据本实施方式的放射线检测装置1与根据第1至第3比较例的放射线检测装置的比较的图。
[0065]
由于根据本实施方式的放射线检测装置1包括例如100个堆叠存储单元(如上所述)，因此存储单元部分2a的厚度约为500μm。像素间距为0.2μm，像素数量为32k
×
1k(32m像素)，像素区域的面积为1cm2以上。每个存储单元的伽马射线康普顿散射发生率约为0.01％，当堆叠100个存储单元时，伽马射线康普顿散射的发生率约为1％。如上所述，根据本实施方式的放射线检测装置1可以在不使用任何电力的情况下检测伽马射线。
[0066]
根据第1比较例的放射线检测装置是绝缘体上硅(soi)型硅检测器，其中伽马射线在具有soi结构的硅层中产生康普顿散射。硅层的厚度大约为500μm，像素间距为6μm，像素
数量为600
×
300像素，1个像素的面积为2cm2以上。硅层中伽马射线康普顿散射的发生率约为1％。根据第1比较例的放射线检测装置需要在检测伽马射线的同时向检测装置供电。
[0067]
根据第2比较例的放射线检测装置是硅条(stripe)型检测装置。硅层的厚度约为100μm，像素间距为400μm。硅层中伽马射线康普顿散射的发生率约为1％。根据第2比较例的放射线检测装置需要在检测伽马射线的同时向检测装置供电。
[0068]
根据第3比较例的放射线检测装置是cdte条型检测器，其中信号读取电路设置在支撑衬底6上，并且cdte晶体层设置在信号读取电路上。cdte晶体层的厚度约为500μm，像素间距约为1mm，像素数量为128
×
128像素。伽马射线在cdte晶体层中引起康普顿散射的概率约为10％。根据第3比较例的放射线检测装置需要在检测伽马射线的同时向检测装置供电。
[0069]
从图6的比较结果可以看出，在根据本实施方式的放射线检测装置1中，能够检测伽马射线的存储单元部分2a的厚度与第1至第3比较例中的每一个的存储单元部分2a的厚度大致相同，伽马射线的检测灵敏度尽管低于第3比较例中的伽马射线检测灵敏度，但与第1和第2比较例中的伽马射线的检测灵敏度大致相同。根据第1至第3比较例的放射线检测装置在检测伽马射线期间必须供电，而根据本实施方式的放射线检测装置1可以在关闭电源的状态下检测伽马射线，并在不供电的情况下存储伽马射线的检测结果。此外，由于根据第1至第3比较例的放射线检测装置具有用于检测伽马射线的独特的层结构，因此制造放射线检测装置1需要高成本。与此相比，根据本实施方式的放射线检测装置1可以通过直接使用具有三维结构的现有的非易失性存储器芯片2来检测伽马射线，因此在成本、可靠性和批量生产方面，放射线检测装置1优于根据第1至第3比较例的放射线检测装置。
[0070]
根据本实施方式的放射线检测装置1可以通过包括非易失性存储器芯片2的半导体存储装置来实现。在这种情况下，半导体存储装置具有与图1中相同的块结构。控制器3具有择一地选择第一模式和第二模式的功能，其中第一模式使用非易失性存储器芯片2来写入和读取任意数据，而第二模式使用非易失性存储器芯片2来检测伽马射线。
[0071]
当控制器3选择第一模式时，在控制器3的控制下以与普通非易失性存储器相同的方式使用非易失性存储器芯片2。当控制器3选择第二模式时，控制器3执行图5所示的处理动作。
[0072]
由此，虽然具有与现有的半导体存储装置相同的硬件配置，但是半导体存储装置不仅可以用于存储数据，还可以根据需要用于检测伽马射线。
[0073]
除了闪存之外，本实施方式中使用的非易失性存储器芯片2还可以应用例如磁阻随机存取存储器(mram)、相变ram(pram)和电阻ram(reram)等具有三维结构的存储单元的各种类型的非易失性存储器。
[0074]
这样，在第一实施方式中，放射线检测装置1配置有具有三维结构的非易失性存储器芯片2。在擦除非易失性存储器芯片2中的所有存储单元之后，关闭放射线检测装置1的电源。当放射线检测装置1的电源关闭时，伽马射线入射到非易失性存储器芯片2时，可能在存储单元中发生康普顿散射并且可能产生二次电子。当产生二次电子时，电荷进入存储单元的电荷存储膜，因此发生数据反转或阈值电压变化。一旦发生数据反转或阈值电压变化，存储单元将在无需功耗的情况下存储该状态。之后，当放射线检测装置1的电源在适当的时机开启时，控制器3读取所有非易失性存储器芯片2中的所有存储单元的数据并检查数据是否反转。当存在数据反转的存储单元时，控制器3确定检测到伽马射线。此外，控制器3可以根
据其中数据发生反转的存储单元的数量，来估计伽马射线的剂量。
[0075]
根据本实施方式的放射线检测装置1，可以通过使用现有的具有三维结构的非易失性存储器芯片2，在无需功耗的情况下检测放射线。
[0076]
第二实施方式
[0077]
宇宙射线中包含的伽马射线在放射线检测装置1周围随机散射，即使根据图5的流程图发现控制器3读取的数据反转时，也不知道从哪个方向入射的伽马射线在非易失性存储器芯片2中的存储单元中引起了康普顿散射。因此，第二实施方式不仅能够检测伽马射线，而且还能够检测伽马射线的入射方向。
[0078]
图7是示意性地示出根据第二实施方式的放射线检测装置1a的视图。图7的放射线检测装置1a包括设置在非易失性存储器芯片2的一个主面上的准直器8。非易失性存储器芯片2的结构与第一实施方式中的非易失性存储器芯片相同。在图7中，准直器8设置在其中堆叠有非易失性存储器芯片2的第二存储器模块5的一个主面上。
[0079]
准直器8包括吸收伽马射线的介质8a和穿透介质8a的针孔8b。经由针孔8b穿透介质8a的伽马射线入射在非易失性存储器芯片2的一个主面上。在图7中，在介质8a中设置了多个针孔8b，但针孔8b的数量、形状和大小并不受限制。增加针孔8b的数量可以增加伽马射线引起康普顿散射的概率。此外，通过增加针孔8b的尺寸，可以增加伽马射线引起康普顿散射的概率。然而，随着针孔8b的尺寸增大，伽马射线的入射角范围变宽，因此难以确定伽马射线的入射方向。
[0080]
期望介质8a是例如铅和钨等能够吸收伽马射线的材料。倾斜入射到介质8a上的伽马射线不能穿透针孔8b而被介质8a吸收。因此，只有穿过针孔8b的伽马射线可以入射到非易失性存储器芯片2的一个主面上。典型地，将针孔8b布置在非易失性存储器芯片2的一个主面的法线方向上。因此，根据本实施方式的放射线检测装置1a仅能够检测出来自非易失性存储器芯片2的一个主面的法线方向的伽马射线。
[0081]
根据第二实施方式的放射线检测装置1a的控制器3执行与图5中相同的处理操作。图8是控制器3读取所有存储单元的数据的结果的可视化的图。图8提供了当多值数据写入非易失性存储器芯片2时，多值数据中的比特反转的频度的可视化。
[0082]
当将多值数据写入非易失性存储器芯片2时，每个存储单元通过具有不同电压电平的两个以上的阈值电压来存储三个或更多值的多值数据。当在执行多值写入的存储单元中发生伽马射线的康普顿散射时，可以使多值数据的至少一个比特发生反转。伽马射线的剂量越大，反转的比特数量就越多。
[0083]
图8中的每个格代表一个存储单元。在图8中，根据反转比特数量，以不同的阴影深浅表示存储在存储单元中的多值数据。具体地说，其中存储有许多反转比特的存储单元显示得颜更深。当伽马射线的能量强度较高时，由康普顿散射产生的二次电子的能量增加，并且其中，二次电子使比特发生反转的存储单元的数量增加。在这种情况下，比特反转最多的存储单元是发生散射的位置，并且随着与比特反转最多的存储单元的距离增加，其它存储单元中的比特反转的数量逐渐减少。将伽马射线的能量强度较大的情况与能量强度较小的情况进行比较，能量强度越大，发生比特反转的存储单元的数量越多。在图8中，根据反转比特的数量，以阴影深浅表示具有反转比特的存储单元。也就是说，图8的右下部分的颜深的存储单元区域可能具有最高能量强度的伽马射线。
[0084]
图8提供了假设伽马射线引起康普顿散射的存储单元的位置和伽马射线的能量强度的可视化。在图8中，通过单阴影深浅表示存储单元的反转比特数量。然而，可以用颜和亮度来表示该数量。可视化的具体方法是任意的。
[0085]
当希望检测出来自放射线检测装置1a周围的特定方向的伽马射线时，可以在放射线检测装置1a倾斜的状态下擦除所有存储单元，然后放射线检测装置1a可以处于准直器8的针孔8b的延伸方向与特定方向一致的可检测状态。在检测期间，需要使放射线检测装置1a的倾斜方向不变。当希望分别检测来自多个方向的伽马射线时，每次改变放射线检测装置1a的倾斜方向时，都需要擦除非易失性存储器芯片2中的所有存储单元或者在改变方向之前执行读取，使得可以区分伽马射线检测发生的方向。
[0086]
这样，在第二实施方式中，将准直器8设置在非易失性存储器芯片2的一个主面上，并且设置了穿透准直器8的介质8a的针孔8b，因此，只有穿过针孔8b的伽马射线可以入射到非易失性存储器芯片2上。因此，根据本实施方式的放射线检测装置1a可以检测伽马射线的能量强度和伽马射线的入射方向。
[0087]
第三实施方式
[0088]
根据上面描述的第一实施方式和第二实施方式的放射线检测装置1和1a可以配置有包括具有三维结构的nand闪存芯片的半导体存储装置。如上所述，通过制造堆叠并密封nand闪存芯片的第一存储器模块4，并通过制造堆叠多个第一存储器模块4的第二存储器模块5，可以由包括nand闪存芯片的半导体存储装置实现与图4所示相同的放射线检测装置。
[0089]
图9是示出具有根据第一和第二实施方式的放射线检测装置1和1a的功能的半导体存储装置10以及存储系统11的示意性配置的框图。图9的半导体存储装置10包括nand闪存100、存储器控制器200和主控制器300。可以将存储器控制器200和主控制器300集成为一个控制器3。nand闪存100和存储器控制器200构成半导体存储装置10。
[0090]
nand闪存100包括多个存储单元，并且以非易失性方式存储数据。控制器200通过nand总线连接到nand闪存100，并且通过主机总线连接到主机控制器300。然后，控制器200控制nand闪存100并且响应于从主机控制器300接收到的指令，访问nand闪存100。例如，主机控制器300是诸如个人计算机的电子设备，并且主机总线是遵循各种接口的总线，例如符合标准的总线。nand总线根据诸如toggle if等等的nand接口来发送和接收信号。
[0091]
控制器200包括主机接口电路210、内置存储器(ram)220、处理器(cpu)230、缓冲存储器240、nand接口电路250和错误检查和纠正(ecc)电路260。
[0092]
主机接口电路210通过主机总线连接到主机控制器300，并且将从主机控制器300接收的指令和数据分别发送到cpu 230和缓冲存储器240。此外，响应于cpu 230的指令，将缓冲存储器240中的数据发送到主机控制器300。
[0093]
cpu 230对控制器200的整体动作进行控制。例如，当接收到来自主机控制器300的写指令时，cpu 230响应于此而向nand接口电路250发出写指令。这同样适用于读取和擦除操作。此外，cpu 230执行用于管理nand闪存100的各种处理，例如磨损均衡(wear leveling)。下面要描述的控制器200的操作可以通过由cpu执行固件来执行，也可以由硬件来执行。
[0094]
nand接口电路250通过nand总线连接到nand闪存100，并且控制与nand闪存100的通信。然后，基于从cpu 230接收到的指令，nand接口电路250向nand闪存100发送各种信号，
并且从nand闪存100接收各种信号。缓冲存储器240临时地保持写入数据和读取数据。
[0095]
ram 220是诸如dram或sram的半导体存储器，并且用作cpu 230的工作区域。然后，ram 220存储用于管理nand闪存100的固件、各种管理表等等。
[0096]
ecc电路260对存储在nand闪存100中的数据进行错误检测和纠错处理。也就是说，ecc电路260在写入数据时生成纠错码，将纠错码添加到写入的数据中，并在读取数据时，对纠错码进行解码。
[0097]
接下来，将描述nand闪存100的结构。图9是包括nand闪存100的存储系统11的框图。如图9中所示，nand闪存100包括存储单元阵列110、行解码器120、驱动电路130、列控制电路140、寄存器组150和定序器160。
[0098]
存储单元阵列110具备包括与行和列相对应的多个非易失性存储单元的多个块blk。在图9中，将四个块blk0到blk3作为示例示出。然后，存储单元阵列110存储从控制器200得到的数据。
[0099]
行解码器120选择块blk0至blk3之一，并且进一步选择所选定的块blk中的行方向。驱动电路130通过行解码器120向选定的块blk提供电压。
[0100]
当读取数据时，列控制电路140感测(sense)从存储单元阵列110读取的数据，并执行必要的运算。然后，将数据dat输出到控制器200。当写入数据时，从控制器200接收的写入数据dat发送到存储单元阵列110。
[0101]
寄存器组150包括地址寄存器、命令寄存器等等。地址寄存器存储从控制器200接收的地址。命令寄存器存储从控制器200接收的命令。
[0102]
定序器160基于存储在寄存器组150中的各种类型的信息，来控制nand闪存100的整体的动作。
[0103]
图10是示出具有三维结构的nand闪存单元阵列110的例子的电路图。图10示出了具有三维结构的nand闪存单元阵列110中的多个块之中的一个块blk的电路结构。nand闪存单元阵列110的其它块也具有与图10相同的电路结构。本实施方式也可以应用于具有二维结构的存储单元。
[0104]
如图10中所示，块blk包括例如四个指(finger)fng(fng0至fng3)。此外，每个指fng包括多个nand串(string)ns。每个nand串ns包括例如串联连接的八个存储单元晶体管mt(mt0至mt7)、以及选择晶体管st1和st2。在本说明书中，每个指fng可以称为串单元su。
[0105]
nand串ns中的存储单元晶体管mt的数量不限于8个。将存储单元晶体管mt设置在选择晶体管st1和st2之间以串联连接它们的电流路径。串联连接的一端侧的存储单元晶体管mt7的电流路径连接到选择晶体管st1的电流路径的一端，另一端侧的存储单元晶体管mt0的电流路径连接到选择晶体管st2的电流路径的一端。
[0106]
指fng0至fng3中的每一个的选择晶体管st1的栅极共同且分别连接到选择栅极线sgd0至sgd3。同时，选择晶体管st2的栅极在多个指fng间共同连接到同一选择栅极线sgs。此外，同一块blk中的存储单元晶体管mt0至mt7的控制栅极共同且分别连接到字线wl0至wl7。即，字线wl0至wl7和选择栅极线sgs在同一块blk中的多个指fng0至fng3之间共同地连接，而选择栅极线sgd即使在同一块blk中也按指fng0至fng3的每一个而独立。
[0107]
字线wl0到wl7分别连接到形成nand串ns的存储单元晶体管mt0到mt7的控制栅电极，同一个指fng中的各个nand串ns中的第i个存储单元晶体管mti(i＝0至n)通过相同字线
wli(i＝0至n)而共同地连接。也就是说，块blk中的同一行的存储单元晶体管mti的控制栅电极连接到同一字线wli。
[0108]
各个nand串ns连接到字线wli并且还连接到位线。可以通过用于识别字线wli和选择栅极线sgd0至sgd3的地址和用于识别位线的地址，来识别各个nand串ns中的各个存储单元。如上所述，对同一块blk中的存储单元(存储单元晶体管mt)的数据进行统一擦除。同时，以物理扇区ms为单位来执行数据的读取和写入。一个物理扇区ms包括连接到一条字线wli并且属于一个指fng的多个存储单元。
[0109]
控制器200以与一根指中的一条字线连接的所有nand串ns为单位来执行写入(编程)。因此，由控制器200编程的数据量的单位是4比特
×
位线的数量。
[0110]
在读取动作和编程动作期间，根据物理地址来选择一条字线wli和一条选择栅极线sgd，并且选择物理扇区ms。在本说明书中，将数据写入存储单元也称为编程。
[0111]
图11是具有三维结构的nand闪存100的nand闪存单元阵列110的一部分区域的截面图。如图11中所示，在半导体衬底的p型阱区(p-well)41上，沿垂直方向形成多个nand串ns。也就是说，在p型阱区41上，沿垂直方向形成用作选择栅极线sgs的多个布线层42、用作字线wli的多个布线层43、以及用作选择栅极线sgd的多个布线层44。
[0112]
然后，形成穿透布线层42、43和44以到达p型阱区41的存储孔45。随后在存储孔45的侧面上形成阻挡(block)绝缘膜46、电荷存储层47和栅极绝缘膜48，并且进一步地，将导电膜49埋入存储孔45中。导电膜49用作nand串ns的电流路径，并且是在存储单元晶体管mt和选择晶体管st1和st2的动作期间形成沟道的区域。可以将电荷存储层47形成为电荷俘获膜或者可以形成为浮栅。
[0113]
在每个nand串ns中，将选择晶体管st2、多个存储单元晶体管mt和选择晶体管st1顺序堆叠在p型阱区41上。在导电膜49的上端形成用作位线bl的布线层。
[0114]
此外，n
+
型杂质扩散层和p
+
型杂质扩散层形成在p型阱区41的表面中。在n
+
型杂质扩散层上形成接触插塞(plug)50，并且在接触插塞50上形成用作源极线sl的布线层。此外，在p
+
型杂质扩散层上形成接触插塞51，在接触插塞51上形成用作阱线cpwell的布线层。阱线cpwell用于施加擦除电压。
[0115]
图11所示的nand闪存单元阵列110包括沿图11的纸面进深方向排列的多个nand闪存单元阵列，由沿进深方向排列成一列的多个nand串ns的集合形成一个指fng。例如在图11的左右方向上形成其它的指fng。图10示出了四个指fng0至fng3，图11示出了在接触插塞50和接触插塞50之间设置三个指的例子。
[0116]
图12是示出本实施方式的ssd中的存储单元晶体管mt的阈值电压分布的例子的图。图12示出了4比特/单元(四级单元(qlc))的非易失性存储器的阈值电压区域的分布示例。非易失性存储器通过使用存储在存储单元的电荷存储层47中的电子的电荷量来存储信息。每个存储单元具有根据电子电荷量的阈值电压。然后，使存储在存储单元中的多个数据值分别对应于具有不同阈值电压的多个区域(阈值电压区域)。
[0117]
图12中的区域s0至s15示出了16个阈值电压区域中的阈值电压分布。图12的横轴表示阈值电压，纵轴表示存储单元数量(单元数)。阈值电压分布表示阈值电压变化的范围。因此，每个存储单元具有由15个边界隔开的16个阈值电压区域，并且每个阈值电压区域具有固有的阈值电压分布。vr1至vr15是用作各个阈值电压区域之间的边界的阈值电压。
[0118]
在诸如nand闪存100的非易失性存储器中，多个数据值与存储单元的多个阈值电压区域分别对应。这种对应性称为数据编码。预先定义数据编码，在写入(编程)数据时，将电荷注入到存储单元中的电荷存储层47中，使其处于与根据数据编码要存储的数据值相对应的阈值电压区域中。然后，在读取时，将读取电压施加到存储单元，并且根据存储单元的阈值电压是低于还是高于读取电压来确定数据逻辑。
[0119]
当读取数据时，根据读取对象的存储单元的阈值电压是低于还是高于读取对象边界的读取电平，来确定数据的逻辑。当阈值电压最低时，数据处于“擦除”状态，所有比特的数据定义为“1”。当阈值电压高于“擦除”状态时，数据处于“编程”状态，根据编码将数据定义为“1”或“0”。
[0120]
如上所述，当伽马射线在存储单元中引起康普顿散射以产生二次电子时，存储单元的阈值电压发生变化，并且图12中的阈值电压分布也发生变化。通过改变阈值电压分布，多值数据的至少一个比特发生反转。当所有存储单元都被擦除并关闭电源然后再次打开电源时，图12所示的控制器3(主机控制器3b或存储器控制器3a)读取nand闪存100中的所有存储单元的数据，并检测由伽马射线的康普顿散射引起的比特反转。
[0121]
这样，在第三实施方式中，nand闪存可以用于在无需功耗的情况下，容易且准确地检测伽马射线。
[0122]
虽然已经描述了某些实施方式，但这些实施方式仅作为示例而呈现，并不旨在限制本公开内容的保护范围。实际上，本文所描述的新颖实施方式可以以多种其它形式体现；此外，在不脱离本公开内容的精神的情况下，可以对本文描述的实施方式的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等价物旨在覆盖落入本公开内容的范围和精神内的此类形式或修改。
[0123]
标号说明
[0124]
1，1a：放射线检测装置
[0125]
2：非易失性存储器芯片
[0126]
2a：存储单元部分
[0127]
3：控制器
[0128]
3a：存储器控制器
[0129]
3b：主机控制器
[0130]
4：第一存储器模块
[0131]
5：第二存储器模块
[0132]
6：支撑衬底
[0133]
7：接口部
[0134]
8：准直器
[0135]
8a：介质
[0136]
8b：针孔
[0137]
10：半导体存储装置
[0138]
11：存储系统
[0139]
41：p型阱区
[0140]
42、43、44：布线层
[0141]
45：存储孔
[0142]
46：阻挡绝缘膜
[0143]
47：电荷存储层
[0144]
48：栅极绝缘膜
[0145]
49：导电膜
[0146]
50，51：接触插塞
[0147]
100：nand闪存
[0148]
110：存储单元阵列
[0149]
120：行解码器
[0150]
130：驱动电路
[0151]
140：列控制电路
[0152]
150：寄存器组
[0153]
160：定序器
[0154]
200：存储器控制器
[0155]
210：主机接口电路
[0156]
220：内置存储器(ram)
[0157]
230：处理器(cpu)
[0158]
240：缓冲存储器
[0159]
250：nand接口电路
[0160]
260：错误检查和纠正(ecc)电路
[0161]
300：主机控制器

技术特征：

1.一种放射线检测装置，具备：包括堆叠的多个存储单元的非易失性存储器芯片；以及控制器，根据在伽马射线检测窗期间所述非易失性存储器芯片中的至少一部分所述存储单元的数据反转或者阈值电压变化，检测在所述伽马射线检测窗期间入射到所述非易失性存储器芯片的伽马射线。2.根据权利要求1所述的放射线检测装置，在所述伽马射线检测窗期间关闭所述放射线检测装置的电源。3.根据权利要求1所述的放射线检测装置，还包括将所述非易失性存储器芯片与一个或多个其它非易失性存储器芯片堆叠而成的第一存储器模块，其中每个所述其它非易失性存储器芯片包括多个堆叠的存储单元，所述控制器根据在所述伽马射线检测窗期间所述第一存储器模块的每个所述非易失性存储器芯片中的所述存储单元的所述数据反转或者所述阈值电压变化，检测在所述伽马射线检测窗期间入射到所述第一存储器模块的伽马射线。4.根据权利要求3所述的放射线检测装置，还包括将所述第一存储器模块与一个或多个其它存储器模块堆叠而成的第二存储器模块，其中每个所述其它存储器模块包括多个非易失性存储器芯片，所述其它存储器模块中的每个所述非易失性存储器芯片包括多个堆叠的存储单元，所述控制器根据在所述伽马射线检测窗期间所述第二存储器模块的每个所述非易失性存储器芯片中的所述存储单元的所述数据反转或者所述阈值电压变化，检测在所述伽马射线检测窗期间入射到所述第二存储器模块的伽马射线。5.根据权利要求4所述的放射线检测装置，所述第二存储器模块中堆叠的所述第一存储器模块和所述其它存储器模块分别被单独封装。6.根据权利要求5所述的放射线检测装置，通过将所述多个非易失性存储器芯片堆叠并密封在相应的支撑衬底上而获得所述第一存储器模块和所述其它存储器模块中的每一个，所述支撑衬底包括用于向所述控制器发送数据和从所述控制器接收数据的接口，当检测所述伽马射线时，所述控制器通过所述接口中的对应的一个接口从所有非易失性存储器芯片中读取数据。7.根据权利要求6所述的放射线检测装置，所述伽马射线检测窗在所述存储单元处于擦除状态时开始。8.根据权利要求7所述的放射线检测装置，在所述伽马射线检测窗开始时关闭所述放射线检测装置的电源，在所述伽马射线检测窗结束时开启所述电源。9.根据权利要求8所述的放射线检测装置，在所述伽马射线检测窗结束时开启所述电源之后，所述控制器通过所述接口中的所述对应的一个接口从所有非易失性存储器芯片中读取数据。10.根据权利要求1所述的放射线检测装置，还包括设置在所述非易失性存储器芯片的一个主面的准直器。
11.根据权利要求10所述的放射线检测装置，所述准直器具有吸收所述伽马射线的介质和穿过所述介质而形成的使所述伽马射线入射到所述一个主面的针孔。12.根据权利要求11所述的放射线检测装置，所述控制器根据所述针孔的延伸方向，检测所述伽马射线的入射方向。13.根据权利要求1所述的放射线检测装置，所述控制器根据所述存储单元的所述阈值电压的变化程度，检测所述伽马射线的能量强度。14.根据权利要求1所述的放射线检测装置，所述控制器通过对在所述检测窗期间的单位时间内经历所述数据反转或所述阈值电压变化的存储单元的数量进行计数，检测所述伽马射线的剂量。15.根据权利要求1所述的放射线检测装置，所述非易失性存储器芯片是具有堆叠存储单元的三维结构的闪存芯片。16.一种半导体存储装置，具备：非易失性存储器芯片；以及控制器，控制从所述非易失性存储器芯片读取数据和向所述非易失性存储器芯片写入数据，并根据所述非易失性存储器芯片中的至少一部分所述存储单元的数据反转或者阈值电压变化，检测在伽马射线检测窗期间入射到所述非易失性存储器芯片的伽马射线。17.根据权利要求16所述的半导体存储装置，在所述伽马射线检测窗期间，关闭所述半导体存储装置的电源。18.根据权利要求17所述的半导体存储装置，所述非易失性存储器芯片是具有堆叠存储单元的三维结构的闪存芯片。19.一种放射线检测方法，包括如下步骤：根据在伽马射线检测窗期间非易失性存储器芯片中的至少一部分存储单元的数据反转或阈值电压变化，检测在所述伽马射线检测窗期间入射到所述非易失性存储器芯片的伽马射线，其中在所述伽马射线检测窗期间，不向所述非易失性存储器芯片提供电源电压。20.根据权利要求19所述的放射线检测方法，还包括如下步骤：在所述伽马射线检测窗之前擦除所述非易失性存储器芯片中的所述存储单元，使所述存储单元在所述伽马射线检测窗开始时处于擦除状态；以及向所述非易失性存储器芯片提供所述电源电压，以判断所述存储单元中的一部分在所述伽马射线检测窗期间是否经历了所述数据反转或所述阈值电压变化。

技术总结

实施方式提供了一种具有优异的伽马射线检测灵敏度并且能够小型化且实现低功耗的放射线检测装置和半导体存储装置，以及使用它们的放射线检测方法。总体上，根据一个实施方式，一种放射线检测装置包括：非易失性存储器芯片，包括多个堆叠的存储单元；控制器，根据在伽马射线检测窗期间非易失性存储器芯片中的至少一部分存储单元的数据反转和阈值电压变化，检测在伽马射线检测窗期间入射到所述非易失性存储器芯片的伽马射线。性存储器芯片的伽马射线。性存储器芯片的伽马射线。