專利名稱：提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量的加固方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)器件的場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，更確切地說(shuō)，是采用離子注入的方法將摻雜離子引入到器件的場(chǎng)區(qū)氧化層中，以提高基于器件和電路的抗總劑量輻射性能。屬于微電子學(xué)與固體電子學(xué)、硅集成電子器件材料的制造等研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)制造技術(shù)中，一般通過(guò)局域氧化硅(LOCOS)或淺溝道隔離(STI)技術(shù)獲得氧化層以實(shí)現(xiàn)器件間的電隔離，而MOS器件中對(duì)總劑量輻射最敏感的區(qū)域就是氧化層，在MOS器件中總劑量輻射引起的效應(yīng)主要是在氧化物中產(chǎn)生電荷以及在Si/SiO2界面產(chǎn)生界面狀態(tài)。電離輻射在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)可以很快復(fù)合，但在MOS器件的SiO2中產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)，只是部分復(fù)合，從圖1可以看出，在外電場(chǎng)的作用下，由于電子遷移率(2×10-3m2/Vs(T＝300K))較大，可以很快的離開絕緣層，留下空穴將在電場(chǎng)作用下，以較慢的遷移速度(2×10-9m2/Vs(T＝300K))，在SiO2中遷移。最后，當(dāng)空穴到達(dá)Si/SiO2界面附近靠近SiO2側(cè)被陷阱所俘獲而成為正的空間電荷，并同時(shí)在Si/SiO2界面引入輻射感生界面態(tài)。因此，采用場(chǎng)區(qū)氧化物隔離的器件，在經(jīng)受電離輻射時(shí)，場(chǎng)區(qū)氧化物俘獲的正電荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柵氧層所俘獲的正電荷。對(duì)于體硅N管，場(chǎng)氧化層下面的P型襯底的閾值電壓會(huì)因此大大的降低，甚至能降到0V左右，此時(shí)場(chǎng)絕緣氧化層就起不到隔離的作用，泄漏電流隨之增加，如圖2所示。對(duì)于SOI MOS器件，如圖3所示，硅島邊緣就等價(jià)于平行于SOI MOS器件平行的寄生晶體管，硅島邊緣的氧化層對(duì)輻射更敏感，此時(shí)這些寄生晶體管在主晶體管為關(guān)態(tài)時(shí)也很有可能導(dǎo)通(邊緣泄漏電流)，導(dǎo)致器件漏電流意想不到的增加。但這些漏電流是可以由柵電壓控制的，只是在轉(zhuǎn)移特性(I-V)曲線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“臺(tái)階”，如圖4中Sidewall current所指的電流。對(duì)于CMOS器件，這些由隔離氧化層引起的泄漏電流，是迫切需要解決的問(wèn)題。
對(duì)于場(chǎng)氧的加固，人們想了很多辦法，目前主要有兩種方法，一是采用無(wú)邊緣器件以避開場(chǎng)區(qū)，如環(huán)柵，但是這種無(wú)邊緣器件占用版圖面積比較大，不適應(yīng)于目前超大規(guī)模集成電路的發(fā)展對(duì)器件尺寸減小的要求。另一種就是從場(chǎng)區(qū)工藝本身入手，抑制P型場(chǎng)區(qū)的反型，消除場(chǎng)區(qū)邊緣電離輻射寄生漏電，一方面采用P型注入，提高場(chǎng)氧化層下P型硅表面摻雜濃度，可以增加電路的抗電離輻照的能力，但是由于場(chǎng)氧化層下P型摻雜濃度直接影響NMOS器件的擊穿電壓，摻雜濃度越高，器件的擊穿電壓越低，因?yàn)楸ＷC電路正?？煽康毓ぷ?，P型摻雜濃度的提高受到限制，同時(shí)由于P型雜質(zhì)在Si/SiO2界面的分凝效應(yīng)，P型雜質(zhì)在厚場(chǎng)氧下表面濃度難于大幅度提高，采用該方法提高電路的抗輻射能力不明顯；另一方面改變場(chǎng)氧的制備工藝，如減薄氧化層厚度、改變熱生長(zhǎng)場(chǎng)氧化層的工藝條件，但是這仍不能滿足電路抗輻照的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高M(jìn)OS器件場(chǎng)區(qū)抗輻射性能的加固方法，所述的加固方法既能避免了MOS器件中隔離場(chǎng)氧化層中電離輻射導(dǎo)致的邊緣泄漏電流，同時(shí)延長(zhǎng)了MOS器件在惡劣輻射環(huán)境下的使用壽命；因而，既避免了采用無(wú)邊緣器件帶來(lái)的器件尺寸增加，也避免了采用提高場(chǎng)氧化層下P型硅表面摻雜濃度方法造成的電路擊穿電壓降低，且所述的加固工藝簡(jiǎn)單并與CMOS工藝兼容，且加固工藝，適合于商業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明提供的方法的特征是，在MOS器件的隔離場(chǎng)氧化層中注入一定劑量氮、氟、硅、鍺等離子中的一種或幾種，以提供深電子陷阱及復(fù)合中心，這種深電子陷阱及復(fù)合中心在場(chǎng)氧化層中、位于場(chǎng)氧化層/硅島界面附近，既不在界面上，也不在硅島硅中。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案是本發(fā)明，通過(guò)在場(chǎng)區(qū)氧化層中產(chǎn)生深電子陷阱/復(fù)合中心，抑制電子從氧化層中向外遷移。從而使得氧化層始終保持電中性，器件的使用性能也得以保持。注入氧化層中的摻雜離子應(yīng)該能與輻射損傷引起的任何自由電子牢牢結(jié)合，由此而言，注入的氮、氟、硅和鍺離子可以很好的達(dá)到要求。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案1)在MOS器件制備工藝流程的刻蝕硅島、場(chǎng)注入、去膠清洗、場(chǎng)氧化之后，以及預(yù)柵氧之前，在場(chǎng)區(qū)氧化層中室溫下注入氮、氟、硅和鍺離子的一種或者他們的組合，在N2或者Ar氣氛或Ar+3vol％O2的保護(hù)下，于800～1000℃的溫度下退火30～60min，然后正常進(jìn)行后續(xù)工藝。注入的能量和劑量根據(jù)場(chǎng)氧化層的厚度決定。
2)對(duì)于隔離區(qū)場(chǎng)氧化層參數(shù)不同的器件而言，注入離子的能量和劑量不同，但是退火之后最終得到的注入離子的峰值都是位于場(chǎng)區(qū)氧化層中、距離Si與氧化層界面為800～1600處；3)注入后的退火與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容溫度為在700～1000℃范圍內(nèi)、在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行；所涉及的MSO晶體管可以是體硅MOS晶體管或絕緣層上的硅(SOI)MOS晶體管；4)采用局域熱氧化(LOCOS)或者淺溝道(STI)工藝獲得場(chǎng)區(qū)氧化層以實(shí)現(xiàn)器件的電隔離。
本發(fā)明所用的離子注入工藝是非常成熟的工藝，但是本發(fā)明的特點(diǎn)在于采用離子注入的工藝對(duì)MOS器件的隔離場(chǎng)氧化層注入其他雜質(zhì)離子，從而對(duì)MOS器件進(jìn)行加固，降低了MOS器件的邊緣漏電流，提高了MOS器件的抗總劑量輻射水平。本發(fā)明的特征在于離子注入的劑量、能量等工藝參數(shù)對(duì)提高M(jìn)OS器件的抗總劑量輻射性能有顯著的效果。如果離子注入的劑量過(guò)高，會(huì)對(duì)隔離氧化層的絕緣性能產(chǎn)生影響，不利于器件之間的絕緣隔離。如果劑量太低，則對(duì)加固起不到相應(yīng)的作用。對(duì)注Si離子，劑量必須達(dá)到在氧化層中形成Si納米團(tuán)簇(Si Nanoclusters)，并且對(duì)隔離氧化層的絕緣性能的損傷盡可能少，這個(gè)劑量范圍大概為1×1015～1×1017ions/cm2。劑量低于1×1015ions/cm2時(shí)退火后在場(chǎng)氧化層中只會(huì)形成SiOx結(jié)構(gòu)，不能形成Si納米團(tuán)簇，起不到加固的作用；劑量過(guò)高(＞5×1017ions/cm2)時(shí)，會(huì)在場(chǎng)氧化層中會(huì)形成富硅結(jié)構(gòu)，這對(duì)器件性能產(chǎn)生負(fù)面影響。對(duì)于F離子的注入，劑量為1×1012～1×1016ions/cm2范圍內(nèi)；對(duì)于N離子的注入，劑量在1×1014～1×1017ions/cm2范圍內(nèi)，劑量過(guò)低(＜1×1014ions/cm2)達(dá)不到加固的效果，劑量過(guò)高會(huì)在氧化層層中形成一層氮化硅(Si3N4)，甚至形成氣泡，這種氮化物的晶格結(jié)構(gòu)和Si差別較大，從而引起界面的起伏，導(dǎo)致場(chǎng)氧化層的絕緣性能，最終影響器件的電學(xué)性能。對(duì)Ge離子注入的劑量范圍為1×1011～5×1015ions/cm2。


圖1.MOS結(jié)構(gòu)中，輻照感生電荷的生成、傳輸和俘獲示意2.NMOSFET中場(chǎng)氧化物可能存在的輻射致漏電流通道圖3.SOI NMOSFET中場(chǎng)氧化物可能存在的輻射致邊緣側(cè)溝漏電流通道圖4.NMOSFET/SOI在輻射前后的I-V曲線，顯示了側(cè)墻的泄漏電流圖5.采用本發(fā)明提供的方法加固的SOI器件在不同輻射劑量下，器件的Ids-Vgs曲線(a)加固器件，(b)對(duì)比器件圖6.采用本發(fā)明提供的方法加固的SOI器件在不同輻射劑量下，器件的Ids-Vgs曲線(a)加固器件，(b)對(duì)比器件具體實(shí)施方式
下列實(shí)施例將有助理解本發(fā)明，但本發(fā)明的內(nèi)容決不限制實(shí)施例。
實(shí)施例1.
以SOI MOSFET為例。采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝，在標(biāo)準(zhǔn)SIMOX圓片上制作MOS器件的過(guò)程中，在場(chǎng)氧化步驟之后，獲得氧化層的厚度為300nm，然后采用掩模板保護(hù)，注入能量為120keV、劑量為1×1016cm-2的硅離子，在N2氣氛的保護(hù)、1000℃的溫度下退火30min；然后進(jìn)行后續(xù)工藝，直至完成整個(gè)的MOS器件的制作工藝。此時(shí)獲得的SOI MOS器件沒有邊緣漏電流，具有優(yōu)越的抗輻射性能，如圖5所示。
實(shí)施例2～9注入離子分別為Si，或N，或F，注入劑量深度以及退火等工藝列于表中，經(jīng)加固后，使SOI絕緣埋層具有優(yōu)越的抗輻射性能。(圖6所示)由圖5和圖6曲線中可以看出，經(jīng)過(guò)輻照后，對(duì)比樣品的漏電流驟然增加，而加固樣品的漏電流沒有明顯的變化，且閾值電壓漂移大大小于非加固樣品；經(jīng)過(guò)1.5Mrad(Si)輻照后，加固樣品仍然具有良好的Ids-Vgs特性曲線。

權(quán)利要求
1.一種提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，其特征在于在金屬氧化物半導(dǎo)體器件制備工藝流程的刻蝕硅島、場(chǎng)注入、去膠清洗、場(chǎng)氧化之后，以及預(yù)柵氧之前，在場(chǎng)區(qū)氧化層中室溫下注入氮、氟、硅或鍺離子中的一種或者它們的組合，在惰性氣氛的保護(hù)下，于800～1000℃的溫度退火30～60min，然后正常進(jìn)行后續(xù)工藝，注入的能量和劑量根據(jù)場(chǎng)氧化層的厚度決定。
2.按權(quán)利要求1所述的提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，其特征在于離子注入是在室溫下進(jìn)行的。
3.按權(quán)利要求1所述的提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，其特征在于Si離子注入的劑量范圍為1×1015～1×1017cm-2。
4.按權(quán)利要求1所述的提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，其特征在于氮離子注入的劑量范圍為1×1014～1×1017cm-2。
5.按權(quán)利要求1所述的提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，其特征在于氟離子注入的劑量范圍為1×1012～1×1016cm-2。
6.按權(quán)利要求1所述的提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，其特征在于鍺離子注入的劑量范圍為1×1011～5×1015cm-2。
7.按權(quán)利要求1、2、3、4、5或6中任意一個(gè)權(quán)利要求所述的提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，其特征在于退火之后最終得到的注入離子的峰值位于場(chǎng)區(qū)氧化層中，距離硅與氧化層界面為800～1600處。
8.按權(quán)利要求1所述的提高金屬氧化物半導(dǎo)體器件場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，其特征在于所述的惰性氣氛為Ar、氮?dú)饣駻r+3vol％O2。
全文摘要
本發(fā)明涉及提高M(jìn)OS晶體管場(chǎng)區(qū)抗總劑量輻射的加固方法，屬于微電子與固體電子學(xué)中、半導(dǎo)體集成電路加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的特征在于在金屬氧化物半導(dǎo)體器件制備工藝流程的刻蝕硅島、場(chǎng)注入、去膠清洗、場(chǎng)氧化之后，以及預(yù)柵氧之前，在場(chǎng)區(qū)氧化層中室溫下注入氮、氟、硅或鍺離子中的一種或者它們的組合，在惰性氣氛的保護(hù)下，于800～1000℃的溫度退火30～60min，然后正常進(jìn)行后續(xù)工藝，注入的能量和劑量根據(jù)場(chǎng)氧化層的厚度決定；在氧化層中引入深電子陷阱，避免了邊緣漏電流，減小了輻射產(chǎn)生正電荷對(duì)器件的影響，從而提高了器件的抗總劑量輻射的水平。而且這種方法不用特殊制備氧化埋層的方法，適用于商業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1845308SQ20061002484
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者張恩霞, 張正選, 王曦, 林成魯, 林梓鑫, 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