專利名稱：一種抗輻照性能增強的超陡倒摻雜mos器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超深亞微米器件，特別涉及具有抗總劑量輻照特性的超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)的MOS器件，屬于集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
集成電路技術(shù)由于成本低、功能強大、體積小等優(yōu)點已經(jīng)成為推動電子信息產(chǎn)業(yè)及社會發(fā)展的重要動力。集成電路芯片被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、通訊、汽車、工業(yè)控制及消費電子等領(lǐng)域。集成電路芯片同樣大量應(yīng)用于空間技術(shù)中，空間環(huán)境應(yīng)用中的集成電路受到空間輻射的影響，芯片的可靠性及壽命將受到影響。對于超深亞微米器件而言，輻照的影響主要是在STI (淺溝槽隔離)產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷導(dǎo)致的寄生泄漏溝道。輻照在氧化層中引入氧化物陷阱電荷，這些陷阱電荷吸引硅層中的電子形成寄生的導(dǎo)電溝道使器件的泄漏電流增大，導(dǎo)致電路靜態(tài)功耗升高及可靠性降低等退化效果，使電路速度降低甚至實效。超深亞微米器件是集成電路的基本組成單元，隨著器件溝道長度的不斷縮小，研究能夠提高超深亞微米器件抗輻照能力的方法具有重大的意義。超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)由于能夠抑制超深亞微米器件的短溝道效應(yīng)、穿通效應(yīng)等而被廣泛應(yīng)用于超深亞微米器件中，其結(jié)構(gòu)特點在于在溝道深度方向采用逆向摻雜(即距離溝道較遠(yuǎn)處采用高濃度摻雜，如圖2所示)。在超深亞微米器件中引入超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)可以減少源漏區(qū)域?qū)系乐械碾姾煞窒?，從而增強柵極對于溝道電荷的控制作用。優(yōu)化設(shè)計超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以使器件擁有優(yōu)秀的特性。超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)在改善器件的抗輻照性能(主要是減小由于輻照引起的寄生泄漏電流)方面同樣具有作用。超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)中重?fù)诫s區(qū)域的引入可以使溝道深度方向上的電勢降落更快，從而減小了隔離氧化層中的有效電場，最終使輻照引起的陷阱電荷數(shù)量減少，使輻照引起的寄生泄漏電流減小。優(yōu)化設(shè)計倒摻雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以提高器件的抗輻照能力，這對于提高器件在輻照下的性能有重要作用。對于應(yīng)用于空間輻照環(huán)境下的集成電路芯片而言，優(yōu)化設(shè)計超深亞微米器件超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在保證器件具有良好的短溝道特性的同時使其具有更好的抗輻照能力，對于提高器件的性能及可靠性具有重要的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)的超深亞微米MOS器件，減小器件總劑量輻照后的關(guān)態(tài)泄漏電流。通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計出良好的超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)，使器件不僅能夠有效抑制短溝道效應(yīng)，而且擁有優(yōu)秀的抗輻照特性。本發(fā)明在現(xiàn)有超深亞微米CMOS器件中采用超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)改善器件的短溝道效應(yīng)的基礎(chǔ)上，同時考慮其對抗總劑量輻照特性的改善作用。通過優(yōu)化設(shè)計倒摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)， 提高STI氧化層與襯底之間界面處的摻雜濃度，提高寄生晶體管的閾值電壓，從而減少總劑量輻照后寄生晶體管的電流，達(dá)到降低器件總劑量輻照之后關(guān)態(tài)泄露電流，提高器件抗輻照能力的目的。本發(fā)明通過單獨改變器件的各個參數(shù)得到該參數(shù)對于器件常規(guī)特性及抗輻照特性的影響。先分別單獨考慮器件的常規(guī)特性和抗輻照特性(主要由寄生泄漏電流衡量)得到相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，然后綜合考慮常規(guī)及抗輻照特性，對兩種特性的優(yōu)化結(jié)果取共同的參數(shù)區(qū)域，從而得到參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。具體的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種超陡倒摻雜MOS器件，包括襯底、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、柵極和柵側(cè)墻，在源漏之間、溝道區(qū)的兩側(cè)為淺摻雜注入?yún)^(qū)(即LDD區(qū))，溝道區(qū)和LDD區(qū)的下方為重?fù)诫s區(qū)，其特征在于，所述重?fù)诫s區(qū)的摻雜濃度為3 X IO18CnT3 5 X IO18Cm-3,重?fù)诫s區(qū)上界面距離溝道表面30 40納米，其下界面在源漏PN結(jié)上下20納米的區(qū)域內(nèi)。對于上述超陡倒摻雜MOS器件，如果用dl表示溝道區(qū)的厚度，用d2表示重?fù)诫s區(qū)的厚度，則dl即為重?fù)诫s區(qū)上界面與溝道表面的距離；dl+d2即為重?fù)诫s區(qū)域下界面到溝道表面的距離，此距離在源漏PN結(jié)的結(jié)深士20nm范圍內(nèi)，一般為60 100納米。所述重?fù)诫s區(qū)與襯底區(qū)域，LDD區(qū)以及其他摻雜區(qū)域之間的界面上的濃度過渡，梯度越陡越好，最好是突變結(jié)。圖1和圖2分別是常規(guī)器件結(jié)構(gòu)及超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)沿溝道方向的剖面圖。從圖中可以看到，超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)在溝道的下方引入了一個濃度比襯底要高出許多的重?fù)诫s區(qū)域，而常規(guī)器件在襯底部分采用的是均勻摻雜。圖4與圖3分別顯示了常規(guī)溝道摻雜以及倒摻雜結(jié)構(gòu)沿溝道深度方向上的摻雜濃度分布。其中參數(shù)dl表示重?fù)诫s區(qū)域距離溝道表面的距離，d2表示重?fù)诫s區(qū)域的厚度?？梢钥吹剑跍系郎疃确较騞l的范圍內(nèi)(溝道區(qū))所采用的摻雜濃度為溝道摻雜；溝道區(qū)下面的超陡倒摻雜區(qū)采用的是重?fù)诫s，其厚度為d2 ； 重?fù)诫s區(qū)域下面是襯底摻雜區(qū)域?？倓┝枯椪諏?dǎo)致的器件寄生泄漏電流主要決定于輻照在STI區(qū)與襯底邊緣薄層內(nèi)的氧化物陷阱數(shù)量。氧化物陷阱的數(shù)量正比于輻照過程中該薄層內(nèi)的有效電場，而電場取決于內(nèi)外電勢差。超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)的引入使溝道深度方向上電勢降落更快，從而使所述薄層兩邊的電勢差降低，降低了輻照中的有效電場，因而使STI區(qū)中的氧化物陷阱電荷數(shù)量減少，降低了寄生泄漏電流，使器件的抗輻照能力得到提高。超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由重?fù)诫s區(qū)摻雜濃度、重?fù)诫s區(qū)深度dl、重?fù)诫s區(qū)厚度 d2及超摻雜區(qū)域與襯底區(qū)域及LDD區(qū)域之間的濃度變化梯度等決定。優(yōu)化設(shè)計上述參數(shù)， 使超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)存在某一優(yōu)化集合，可以使器件同時具有良好的短溝道特性及抗輻照特性。圖5是模擬得到的在相同輻照條件下不同的超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)下器件的關(guān)態(tài)泄漏電流。可以發(fā)現(xiàn)，倒摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對于提高超深亞微米器件抗輻照能力具有很明顯的作用，這種改善作用為我們進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化提供了有利的支持。為模擬單個摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對于器件抗輻照性能的影響我們對比兩個器件，它們僅僅是某個結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，其他參數(shù)均相同，模擬使用的半導(dǎo)體器件的溝長為180納米，LDD區(qū)長度為100納米，重?fù)诫s區(qū)域距離溝道表面40nm，LDD區(qū)深度40nm，源漏結(jié)深120納米，柵氧化層厚度3. 8納米等。
圖5(A)中曲線1和2分別表示采用相同的重?fù)诫s區(qū)域厚度(60nm)下使用不同摻雜濃度的兩個器件在未進(jìn)行輻照時的特性，曲線左端即表示其泄漏電流，曲線3和4分別表示在同一劑量的輻照后兩個不同摻雜濃度器件的特性變化。從圖中的對比可以看出，輻照之前的特性曲線基本重合，泄漏電流小于10_14A，在相同劑量的輻照下，器件的寄生泄漏電流迅速上升，對于重?fù)诫s區(qū)摻雜濃度為3 X IOw的器件(曲線3)，其泄漏電流QX ΙΟ,Α)要比重?fù)诫s區(qū)摻雜濃度為IXlO18的器件(曲線4)的泄漏電流(3X 10_8Α)小兩個數(shù)量級，很大程度上提高了器件的抗輻照能力。圖5(B)中曲線1和2分別表示采用相同的摻雜濃度下使用不同摻雜區(qū)厚度的兩個器件在未進(jìn)行輻照時的特性，曲線左端即表示其泄漏電流，曲線3和4分別表示在同一劑量的輻照后兩個不同重?fù)诫s層厚度的器件的特性變化。從圖中的對比可以看出，輻照之前的特性曲線基本重合，泄漏電流小于10_14Α，在相同劑量的輻照下，器件的寄生泄漏電流迅速上升，對于重?fù)诫s區(qū)厚度為60nm的器件(曲線3)，其泄漏電流QXl(T13A)要比重?fù)诫s區(qū)厚度為20nm的器件(曲線4)的泄漏電流QX 10_9A)小四個數(shù)量級，因此優(yōu)化設(shè)計超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以很好的提高器件的抗輻照能力。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，不需要改變超大規(guī)模集成電路的制造流程，也不需要添加額外的工藝及掩膜版等，僅僅通過調(diào)節(jié)超陡倒摻雜注入的參數(shù)，即達(dá)到提高器件抗輻照能力的效果。另外，本發(fā)明可以利用模擬軟件進(jìn)行前期模擬，不用流片就可以得到定性及粗略的分析結(jié)果，從而指導(dǎo)具體工藝條件下的流片實驗，降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明綜合考慮了超深亞微米器件的常規(guī)特性以及抗輻照特性，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以使器件的短溝道特性在滿足器件常規(guī)應(yīng)用的條件下具有更好的抗輻照性能，對于提高應(yīng)用于空間環(huán)境中的集成電路芯片的可靠性及輻照環(huán)境下的壽命具有重要意義。


圖1是常規(guī)結(jié)構(gòu)的MOS器件沿溝道方向的剖面圖。圖2是超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)的MOS器件沿溝道方向的剖面圖。圖3是超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)沿溝道深度方向上的摻雜濃度分布圖。圖4是常規(guī)摻雜結(jié)構(gòu)沿溝道深度方向上的摻雜濃度分布圖。圖5相同輻照條件下不同的超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)下器件的關(guān)態(tài)泄漏電流變化圖， 其中(A)顯示了重?fù)诫s區(qū)摻雜濃度的影響，(B)顯示了重?fù)诫s區(qū)摻雜厚度的影響。圖6是本發(fā)明超陡倒摻雜MOS器件的制備流程圖。其中1 一襯底；2—源區(qū)；3—漏區(qū)；4一重?fù)诫s區(qū)；5 — LDD區(qū)；6—多晶硅柵；7—柵氧化層；8—溝道區(qū)；9一光刻膠；10——隔離氧化層。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實施例以超陡倒摻雜結(jié)構(gòu)的NMOS為例說明本發(fā)明器件的制備方法，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。根據(jù)下述步驟制備超陡倒摻雜NMOS器件
(1)硅襯底制備與襯底摻雜，如圖6(a)所示制備單晶硅襯底1，使用擴(kuò)散注入方法使之摻雜濃度為2 X IO16CnT3 8 X IO16cnT3 ；(2)源漏掩膜注入，如圖6(b)所示使用源漏掩膜版，使光刻膠9阻擋器件溝道部分，使用離子注入工藝，注入砷As，之后采用快速退火工藝使溝道兩端形成摻雜濃度為 IO20Cm-3左右的N型摻雜源區(qū)2及漏區(qū)3 ；(3)超陡倒摻雜掩膜注入，如圖6 (C)所示使用掩膜版保護(hù)源漏區(qū)域，入射離子能量為30Kev,劑量為2. 6 X IO13CnT2 5. 25 X IO1W2進(jìn)行離子注入B (硼)，形成P型重?fù)诫s區(qū)4，重?fù)诫s區(qū)4的摻雜濃度一般在3 X IO18CnT3 5 X IO1W3,重?fù)诫s區(qū)4下界面在源漏PN 結(jié)結(jié)深附近(深約60 100納米)，上界面距溝道表面30 40納米。(4)溝道調(diào)制注入重?fù)诫s區(qū)4制作完成之后，進(jìn)行溝道8的P型摻雜注入，注入 ( (鎵)，銦)等離子進(jìn)行摻雜，摻雜濃度為2X IO17CnT3 5X 1017cm_3。(5) LDD注入，如圖6 (d)所示以光刻膠9掩膜阻擋器件溝道區(qū)8和源漏，離子注入As形成N型摻雜的LDD區(qū)5，摻雜濃度為1 X 1019cm_3左右。(6)柵氧化層生長及多晶硅柵淀積，如圖6(e)所示用光刻膠定義柵氧化層的長度(50 100納米)，使用干氧氧化工藝制作厚度為3 5納米的二氧化硅柵氧化層7，并在氮氣氛中進(jìn)行退火以減少界面態(tài)；在上述制作完成的氧化層上淀積厚度為20 100納米厚度的N型重?fù)诫s多晶硅柵6 ；(7)隔離氧化層及后續(xù)制備工藝，如圖6(f)所示步驟(6)之后濕氧氧化生成隔離氧化層10以保護(hù)器件并實現(xiàn)多晶硅柵6與源區(qū)2、漏區(qū)3之間的隔離。器件制作完畢，后續(xù)工藝如打孔、連線、隔離區(qū)域等不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種超陡倒摻雜MOS器件，包括襯底、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、柵極和柵側(cè)墻，在源漏之間、溝道區(qū)的兩側(cè)為淺摻雜注入?yún)^(qū)，溝道區(qū)和淺摻雜注入?yún)^(qū)的下方為重?fù)诫s區(qū)，其特征在于，所述重?fù)诫s區(qū)的摻雜濃度為3X IO18CnT3 5X1018cm_3，重?fù)诫s區(qū)的上界面距離溝道表面 30 40納米，下界面在源漏PN結(jié)上下20納米的區(qū)域內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述重?fù)诫s區(qū)的下界面距離溝道表面60 100納米。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述重?fù)诫s區(qū)與相鄰區(qū)域之間的界面處的摻雜濃度過渡為突變結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗輻照性能增強的超陡倒摻雜MOS器件，包括襯底、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、柵極和柵側(cè)墻，在源漏之間、溝道區(qū)的兩側(cè)為淺摻雜注入?yún)^(qū)，溝道區(qū)和淺摻雜注入?yún)^(qū)的下方為重?fù)诫s區(qū)，其特征在于，所述重?fù)诫s區(qū)的摻雜濃度為3×1018cm-3～5×1018cm-3，重?fù)诫s區(qū)的上界面距離溝道表面30～40納米，下界面在源漏PN結(jié)上下20納米的區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明通過優(yōu)化超陡倒摻雜器件的參數(shù)，在器件的短溝道特性滿足常規(guī)應(yīng)用的情況下增強了器件的抗總劑量輻照性能，這對于提高應(yīng)用于空間環(huán)境中的集成電路芯片的可靠性和壽命具有重要意義。
文檔編號H01L29/36GK102194869SQ20101012802
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者劉 文, 王思浩, 黃如, 黃德濤 申請人:北京大學(xué)