專利名稱：基于絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高基于絕緣體上硅(SOI)材料的金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)抗總劑量輻照的加固方法，更確切地說，涉及利用絕緣體上硅材料制備的頂層硅/隱埋氧化層界面附件的硅具有高反型電壓的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該晶體管具有較強(qiáng)的抗總劑量輻射的性能，屬于微電子學(xué)與固體電子學(xué)中、硅集成電子材料與器件的制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
絕緣體上的硅，即SOI(Silicon-on-insulator)電路具有高速，低功率，抗輻照(抗瞬態(tài)劑量率、單粒子效應(yīng))等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略武器和衛(wèi)星的電子系統(tǒng)中，被譽(yù)為是二十一世紀(jì)的硅集成電路技術(shù)，因而倍受人們重視。然而，由于輻射能夠在SOI器件的柵氧、場(chǎng)氧和隱埋氧化層(BOX)中導(dǎo)致正電荷的積累，SOI器件的抗總劑量輻射方面，與體硅相比，沒有優(yōu)越性。因而SOI器件電路的抗總劑量輻射的加固是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。
對(duì)于SOI器件電路，在總劑量電離輻射過程中，在BOX層中積累正的電荷，形成了背溝漏電流，從而導(dǎo)致器件失效。因?yàn)镾OI中隱埋氧化層的存在，SOI ICs的總劑量加固比體硅ICs的加固更困難。典型的SOI隱埋氧化層含有大量的缺陷，這些缺陷產(chǎn)生了大量的輻射電荷陷阱。隨著電荷在隱埋氧化層中被俘獲，位于Si/SiO2背溝的Si逐漸反型，從而在形成了源和漏之間的導(dǎo)電通道。已有的加固SOI隱埋氧化層的技術(shù)，如M.E.Zavanut研究小組曾經(jīng)采用多次注入多次退火以及輔助注氧的工藝對(duì)SOI材料進(jìn)行加固(IEEE Trans.Nucl.Sci.，vol.41，pp.2284-2290，Dec.1994.)，H.L.Hughes等人采用埋氧注入技術(shù)進(jìn)行SOI隱埋氧化層的加固(IEEE Trans.Nucl.Sci.，vol.47，pp.2189-2195，Dec.2000.)，這些技術(shù)雖然能夠減少輻射引起背溝界面附近正電荷的積累，但這些技術(shù)需要經(jīng)過多次注入、多次退火等工藝，大大增加了隱埋氧化層的加固成本，同時(shí)降低了SOI頂層硅的晶格質(zhì)量，并影響了SOI器件的性能。還有一種增加Si背溝道厚度的工藝，其中源和漏只是部分滲入了頂層硅膜(Microelectronic Engineering 72pp.332-341，2004)，這種工藝也能夠降低背溝漏電流。對(duì)于這種情況，背溝的反型不會(huì)形成源、漏之間的導(dǎo)電通道，因此能夠大大提高總劑量加固。但這種方法增加了節(jié)面積、增加了電荷聚集量，從而降低了劑量率和單粒子事件(SEU)的加固，更不利于SOI的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種SOI MOSFET抗總劑量輻照的加固的方法，這種加固方法能夠大大提高器件的抗總劑量輻射性能，同時(shí)保持了SOI器件高抗劑量率輻射和單粒子事件(SEU)，延長(zhǎng)了SOI器件在惡劣輻射環(huán)境下的使用壽命，抑制了SOI器件中寄生的雙極晶體管效應(yīng)，避免了一般體接觸增加晶體管體積的缺點(diǎn)，也避免了增加硅溝道厚度而降低器件對(duì)劑量率和SEU效應(yīng)的加固效果。
本發(fā)明提供的方法，其特征是在SOI MOSFET器件制作的工藝過程中進(jìn)行體注入時(shí)，采用分步注入，在晶體管的體區(qū)、靠近頂層硅/隱埋氧化層界面的頂層硅部分(背溝道)引入重?fù)诫s，分別調(diào)節(jié)前溝(正柵)和背溝的閾值電壓。在不影響正柵閾值電壓的情況下，提高背溝閾值電壓，使背溝區(qū)域的硅層很難反型而形成溝道，從而降低背溝漏電流，達(dá)到提高器件的抗總劑量輻射性能的目的。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案1.采用SOI材料，即絕緣體上的硅材料
2.利用標(biāo)準(zhǔn)的SOI金屬氧化物半導(dǎo)體器件(CMOS)流片工藝，預(yù)柵氧、光刻等工藝之后，在進(jìn)行CMOS器件體摻雜時(shí)，采用分步注入；對(duì)于NMOSFET，先進(jìn)行一定劑量的硼離子(B+)，如(B)、二氟化硼(BF2)，一般注入的劑量范圍為1×1012～5×1014cm-2，注入的能量，使得退火后B+離子分布于頂層硅/BOX界面附件的背溝區(qū)域，并且不影響正柵器件的閾值電壓。能量范圍一般為40～100keV。
3.然后采用較低的能量注入低劑量B+離子，以調(diào)節(jié)正柵的閾值電壓，此時(shí)注入的劑量低于步驟2中的劑量，一般處于1×1010～5×1012cm-2范圍內(nèi)；但具體注入劑量是根據(jù)閾值電壓與柵氧厚度、摻雜濃度的公式VT=VFB+2ΨB+2ϵs+qNA(2ΨB)C0]]>而確定，式中ψB為金屬半導(dǎo)體功函數(shù)，εs為Si的介電常數(shù)，NA為摻雜濃度，c0為SiO2柵氧層單位面積的電容值，q為單位電子電荷量。注入的能量根據(jù)實(shí)際頂層硅的厚度與柵氧厚度而定，能量范圍一般為20～100keV，但是退火后B+的分布使得器件具有符合要求的正柵閾值電壓。
4.對(duì)于PMOSFET，先進(jìn)行一定劑量的磷(P+)，一般注入的劑量范圍為1×1011～5×1013cm-2，注入的能量，使得退火后P+離子分布于頂層硅/BOX界面附件的背溝區(qū)域，并且不影響正柵器件的閾值電壓。能量范圍一般為70～150keV。然后采用較低能量注入較小的劑量P+離子，以調(diào)節(jié)正柵的閾值電壓，根據(jù)閾值電壓的要求先注入相應(yīng)劑量的磷(P+)離子，一般注入的劑量范圍為1×1010～5×1012cm-2，具體注入劑量是根據(jù)閾值電壓與柵氧厚度、摻雜濃度的公式VT=VFB+2ΨB+2ϵs+qNA(2ΨB)C0]]>而確定，式中ψB為金屬半導(dǎo)體功函數(shù)，εs為Si的介電常數(shù)，NA為摻雜濃度，c0為SiO2柵氧層單位面積的電容值，q為單位電子電荷量。注入的能量根據(jù)實(shí)際頂層硅的厚度與柵氧厚度而定，能量范圍一般為50～130keV，但是退火后P+的分布使得器件具有符合要求的正柵閾值電壓。
5.然后按照標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行退火；后續(xù)工藝按照標(biāo)準(zhǔn)SOI CMOS工藝進(jìn)行；最后得到的SOI MOSFET，無論是部分耗盡還是全耗盡的，都具有體接觸。
本發(fā)明涉及的SOI材料包括頂層硅/隱埋氧化層/襯底硅三層結(jié)構(gòu)的材料，中間的隱埋氧化層(BOX)與頂層硅和襯底硅都是直接的物理接觸，隱埋氧化層起到電學(xué)隔離頂層硅和襯底硅的作用。
所述的分步注入法是先進(jìn)行高濃度的深注入，再進(jìn)行較低濃度的淺注入，對(duì)于N型器件，兩次分別注入BF2和單質(zhì)B；而對(duì)于P型器件，兩次均注入單質(zhì)P。高濃度的注入峰值深度位于背溝，較低濃度的注入峰值深度位于前溝道。
本發(fā)明的特征是在晶體管的體區(qū)背溝區(qū)域引入重?fù)诫s，從而提高晶體管背溝道的閾值電壓。這種方法能夠大幅度地減少輻射引起的背溝漏電流，因此具有抗總劑量輻射的優(yōu)越性能，而且不用特殊制備氧化埋層的方法，適用于商業(yè)化生產(chǎn)。


圖1.本發(fā)明提供的加固抗總劑量輻射后SOI器件的結(jié)構(gòu)圖2.實(shí)施例1所制得的器件輻射前后的Ids-Vgs特性曲線圖3.實(shí)施例2所制得的器件輻射前后的Ids-Vgs特性曲線圖中本發(fā)明涉及的SOI示意圖，1-多晶硅柵，2-P型體，3-場(chǎng)氧，4-漏極，5-源極，6-P+體接觸，7-埋氧層，8-襯底硅，9-側(cè)墻，10-背溝示意圖
具體實(shí)施例方式
下例有助于理解本發(fā)明，但本發(fā)明的內(nèi)容絕不限制實(shí)施例。實(shí)施例1.以柵氧厚度為20nm的NMOSFET為例，選用頂層硅厚度Tsi為190nm的注氧隔離(SIMOX)的SOI圓片，先采用標(biāo)準(zhǔn)的SOI CMOS工藝，在一系列預(yù)處理(如光刻硅島、定義場(chǎng)區(qū)…預(yù)柵氧、光刻N(yùn)溝)之后，進(jìn)行B+(90keV，2.2E14)注入，再注BF2+(BF2，40keV，3E11)，然后進(jìn)行退火，再按照標(biāo)準(zhǔn)SOI CMOS工藝進(jìn)行后續(xù)工藝，最后得到SOI MOSFET的正柵閾值電壓Vth＝1.07V，背柵閾值電壓Vb＝22.1V，此時(shí)，在輻照時(shí)，無論是怎樣的偏置或者使用條件，都不可能由于背溝漏電流而造成器件的失效，工藝所獲得器件輻照前后的轉(zhuǎn)移特性(Ids-Vgs)曲線如圖2所示。從圖中可以看出，由本發(fā)明提供的工藝制備的SOI MOSFET器件具有優(yōu)越的抗輻照特性。
實(shí)施例2.與實(shí)施例1中NMOSFET具有相同特征尺寸的PMOSFET的制作過程為例，采用與實(shí)施例中相同的SIMOX圓片。先采用標(biāo)準(zhǔn)的SOI CMOS工藝，在一系列預(yù)處理(如光刻硅島、定義場(chǎng)區(qū)……預(yù)柵氧、光刻N(yùn)溝)之后，進(jìn)行磷注入，注入的參數(shù)為70keV，2.2E11，再注入能量為110keV、劑量為4E10磷，然后進(jìn)行退火，再按照標(biāo)準(zhǔn)SOI CMOS工藝進(jìn)行后續(xù)工藝，最后得到SOI MOSFET的正柵閾值電壓Vth＝-1.41V，背柵閾值電壓Vb＝-10V，工藝所獲得器件輻照前后的轉(zhuǎn)移特性(Ids-Vgs)曲線如圖3所示。從圖中可以看出，該工藝制備的SOI PMOSFET器件具有優(yōu)越的抗輻照特性。
權(quán)利要求
1.一種絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，其特征是在所述的場(chǎng)效應(yīng)晶管制作的工藝過程進(jìn)行體注入時(shí)，采用先進(jìn)行高濃度深注入，再進(jìn)行較低濃度的淺注入的分步注入方法，在晶體管的體區(qū)、靠近頂層硅/隱埋氧化層界面的頂層硅部分，即背溝道引入重?fù)诫s，通過分別調(diào)節(jié)前溝和背溝的閾值電壓；在不影響前溝閾值電壓的情況下，提高背溝閾值電壓，使背溝區(qū)域的硅層很難反型形成溝道，降低背溝漏電流。
2.按權(quán)利要求1所述的絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，包括利用標(biāo)準(zhǔn)的絕緣層上硅材料金屬氧化物半導(dǎo)體器件流片工藝、預(yù)柵氧、光刻工藝之后，進(jìn)行摻雜后再按標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行退火和后續(xù)工藝，其特征在于在預(yù)柵氧、光刻N(yùn)溝或P溝道之后，進(jìn)行N體摻雜采用的分步注入方法是先進(jìn)行1×1012～5×1014cm-2的劑量的硼離子注入，注入的能量，使得退火后B+離子分布于頂層硅/BOX界面附件的背溝區(qū)域，能量為40～100keV；然后采用較低的能量注入低劑量B+離子，以調(diào)節(jié)正柵的閾值電壓，此時(shí)注入的劑量低于先前注入的劑量，一般處于1×1010～5×1012cm-2范圍內(nèi)，能量為20～100keV，具體依頂層硅的厚度與柵氧厚度而定。
3.按權(quán)利要求1或2所述的絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，其特征在于采用分步注入方法時(shí)，低劑量注入劑量是根據(jù)閾值電壓與柵氧厚度，摻雜濃度的公式是VT=VFB+2ΨB+2ϵs+qNA(2ΨB)C0,]]>式中ΨB為金屬半導(dǎo)體功函數(shù)，εs為Si的介電常數(shù)，NA為摻雜濃度，C0為SiO2柵氧層單位面積的電容值，q為單位電子電荷量。注入的能量根據(jù)實(shí)際頂層硅的厚度與柵氧厚度而定。
4.按權(quán)利要求1或2所述的絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，其特征在于高濃度的注入峰值深度位于背溝；較低濃度的注入峰值深度位于前溝道。
5.按權(quán)利要求2所述的絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，其特征在于對(duì)于N型器件，以BaF2高濃度摻雜，較低濃度摻雜時(shí)是以單質(zhì)B形式注入的。
6.按權(quán)利要求1所述的絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，包括利用標(biāo)準(zhǔn)的絕緣層上硅材料金屬氧化物半導(dǎo)體器件流片工藝、預(yù)柵氧、光刻工藝之后，進(jìn)行摻雜后再按標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行退火和后續(xù)工藝，其特征在于在預(yù)柵氧、光刻N(yùn)溝或P溝道之后，進(jìn)行P體摻雜采用的分步注入方法是先進(jìn)行劑量范圍為1×1011～5×1013cm-2的磷離子，注入的能量，使得退火后P+離子分布于頂層硅/BOX界面附件的背溝區(qū)域，能量范圍一般為70～150keV；然后再采用較低能量注入劑量為1×1010～5×1012cm-2的低劑量P+離子，以調(diào)節(jié)正柵的閾值電壓，能量范圍為50～130keV，具體依頂層硅的厚度與柵氧厚度而定。
7.按權(quán)利要求1或6所述的絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，其特征在于采用分步注入方法時(shí)，低劑量注入劑量是根據(jù)閾值電壓與柵氧厚度，摻雜濃度的公式是VT=VFB+2ΨB+2ϵs+qNA(2ψB)C0,]]>式中ΨB為金屬半導(dǎo)體功函數(shù)，εs為Si的介電常數(shù)，NA為摻雜濃度，C0為SiO2柵氧層單位面積的電容值，q為單位電子電荷量。注入的能量根據(jù)實(shí)際頂層硅的厚度與柵氧厚度而定。
8.按權(quán)利要求1或6所述的絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，其特征在于高濃度的注入峰值深度位于背溝；較低濃度的注入峰值深度位于前溝道。
9.按權(quán)利要求6所述的絕緣體上的硅材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管抗輻照的加固方法，其特征在于對(duì)于P型器件，高濃度和較低濃度的兩次摻雜均以單質(zhì)P形式注入的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高基于絕緣體上的硅材料的金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)抗總劑量輻射的場(chǎng)區(qū)加固方法，屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域。由此可見，其特征在于所述的場(chǎng)效應(yīng)晶管制作的工藝過程進(jìn)行體注入時(shí)，采用先進(jìn)行高濃度深注入，再進(jìn)行較低濃度的淺注入的分步注入方法，在晶體管的體區(qū)、靠近頂層硅/隱埋氧化層界面的頂層硅部分，即背溝道引入重?fù)诫s，通過分別調(diào)節(jié)前溝和背溝的閾值電壓；在不影響前溝閾值電壓的情況下，提高背溝閾值電壓，使背溝區(qū)域的硅層很難反型形成溝道，降低背溝漏電流。本發(fā)明提供的加固方法能大幅度減少輻射引起的背溝漏電流，因此具有抗總劑量輻射的優(yōu)越性能，適用于商業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1763918SQ20051002939
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者張恩霞, 張正選, 王曦, 孫佳胤, 錢聰, 賀威 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所