一種降低絕緣體上矽材料埋氧層中正電荷密度的方法

2023-06-08 00:46:36 1

一種降低絕緣體上矽材料埋氧層中正電荷密度的方法
【專利摘要】本發明屬於半導體工藝與集成電路製造【技術領域】，公開了一種降低絕緣體上矽材料埋氧層中正電荷密度的方法，該方法是以離子注入方式對絕緣體上矽（SOI)材料進行埋氧層注氟，並在注氟後對SOI材料進行退火。依據正電荷密度的高低，注氟劑量在lX1014cm-2?lX1017cm_2之間選擇，對應的退火溫度在800°C?110CTC間。本發明解決了用離子注入方式對SOI材料進行改性時引起的材料埋氧層內正電荷密度升高的問題，且對於改性SOI材料的工藝優化及提高材料埋氧層的電學品質等具有實用性強、方法簡單、易於實現等優點。
【專利說明】一種降低絕緣體上矽材料埋氧層中正電荷密度的方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於半導體工藝與集成電路製造【技術領域】，涉及一種有效降低絕緣體上矽 (SOI)材料埋氧層中正電荷密度的方法。

【背景技術】
[0002] 基於SOI技術的集成電路具有功耗低、速度快、集成密度高等優點，因而得到迅速 發展和日益廣泛的應用。SOI電路的優勢來源於SOI材料埋氧層將頂層器件與襯底完全隔 離的獨特結構。特別是，埋氧層的存在減小了器件的結區面積，增強了電路抗單粒子事件翻 轉（SEU)的能力，使SOI成為製作抗SEU電路的首選材料。然而，埋氧層的存在也降低了 電路抗總劑量輻射的水平，與體矽電路相比，S0I電路對總劑量輻射更為敏感，這是因為在 S0I場效應電晶體（M0SFET)中，因埋氧層的存在而引入了一個寄生背溝道，在輻射環境下， 當埋氧層的輻射損傷達到一定程度時，寄生背溝道將會開啟，導致S0I電路洩漏電流增大， 甚至功能失效。
[0003] 另外，相對於基於部分耗盡（PD)SOI工藝技術的電路來說，全耗盡（FD)SOI電路具 有更為優異的電學性能和更為出色的抗SEU能力。但因 FD SOI M0SFET存在正柵與背柵晶 體管的電耦合問題，導致埋氧層的輻射損傷間接影響到正柵電晶體的閾值電壓，所以其對 總劑量輻射比rosoi M0SFET還要敏感。特別，對於目前閾值電壓較小的超深亞微米FDS0I M0SFET來說，較小的閾值電壓漂移就可能導致器件洩漏電流的較大增長。所以，為了抑制 輻射環境下背柵電晶體閾值電壓的漂移給正柵電晶體帶來的影響，並避免寄生背溝道的開 啟，必須對S0I材料的埋氧層進行抗總劑量輻射加固。
[0004] 目前，常用且有效的S0I埋氧層加固方法是將一定劑量的某種摻雜劑以離子注入 方式注入到埋氧層中，對S0I材料進行改性，進而提高埋氧層的抗總劑量輻射能力。然而， 在以離子注入方式對埋氧層進行加固的同時，往往會對埋氧層的某些電學性質產生負面影 響，並可直接影響到器件的電學性能。其中，以埋氧層中正電荷密度的升高對器件的影響最 為顯著。因為埋氧層中升高的正電荷密度將引起背柵電晶體閾值電壓的變化，並可能導致 η溝道SOI M0SFET的洩露電流增加。
[0005] 為說明材料改性的同時可能會導致埋氧層內正電荷密度的上升，圖1給出了 S0I 埋氧層注氮前後所對應的金屬-氧化物-半導體（M0S)電容的高頻電容-電壓（C-V)特性 曲線。由圖1可以看到，相對於埋層注氮前的C-V曲線，埋層注氮後的C-V曲線沿橫軸發生 了較大的負向漂移。按照M0S電容C-V理論，這意味著對埋氧層所進行的注氮導致了埋層 內正電荷密度的明顯上升。因此，當以離子注入方式對S0I材料進行改性，且伴隨有埋氧層 內正電荷密度的升高時，那麼，採取某種工藝技術來有效地降低埋氧層內的正電荷密度，在 達到改性目的的同時，減少其對器件和電路造成的不良影響就變得尤為重要。
[0006] -個降低改性S0I材料埋層內正電荷密度的方法是減少離子注入的劑量，但對注 入劑量進行限制的同時，也限制了對S0I材料進行離子注入改性的靈活性，使之難以在更 大的範圍內對材料改性工藝進行優化，致使不能充分發揮離子注入在S0I材料改性中的作 用。


【發明內容】

[0007] (一）要解決的技術問題
[0008] 有鑑於此，本發明的目的是要提供一種降低SOI材料埋氧層中正電荷密度的方 法，以解決用離子注入方式對SOI材料進行改性時引起的材料埋氧層內正電荷密度升高的 問題。
[0009] (二）技術方案
[0010] 為達到上述目的，本發明提供了一種降低SOI材料埋氧層中正電荷密度的方法， 該方法是以離子注入方式對SOI材料進行埋氧層注氟，並在注氟後對SOI材料進行退火。
[0011] 上述方案中，所述S0I材料包括對埋氧層以任何方式進行改性後的S0I材料，以及 需要或希望進一步降低埋氧層正電荷密度的原始S0I材料。
[0012] 上述方案中，所述對S0I材料進行埋氧層注氟，注氟的劑量依據埋氧層中正電荷 密度的大小在1X 1014cnT2?1X 1017cnT2範圍內選取。
[0013] 上述方案中，所述在注氟後對S0I材料進行退火，退火溫度範圍為800°C? 1KKTC，退火時間範圍為0. 5小時?3小時，退火氣氛為氮氣或惰性氣體。
[0014] (三）有益效果
[0015] 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：
[0016] 1、本發明提供的降低S0I材料埋氧層中正電荷密度的方法，是對需要降低埋氧層 中正電荷密度的S0I材料，以離子注入方式在其埋氧層中注入可使埋氧層正電荷密度降低 的輔助元素氟，以抑制因對材料進行某方面的改性等原因而引起的埋氧層正電荷密度的上 升，解決了用離子注入方式對S0I材料進行改性時引起的材料埋氧層內正電荷密度升高的 問題。
[0017] 2、本發明提供的降低S0I材料埋氧層中正電荷密度的方法，以埋氧層注氟為特 徵，可以有效降低因對S0I材料改性而帶來的材料埋氧層中正電荷密度的升高，實現了既 對S0I材料進行改性，又使改性後的材料埋氧層具有良好電學性質的目的。同時，拓寬了對 材料進行改性的工藝條件，使材料改性能夠在更大的範圍內進行相關工藝條件的優化，以 取得更好的改性效果。
[0018] 3、雖然在本發明的【背景技術】提到了針對埋氧層進行輻射加固的注入摻雜改性S0I 材料，但因埋氧層注氟在減少埋氧層正電荷密度方面所起作用的獨立性，使其對於其它任 何需要或希望降低埋氧層正電荷密度的改性或原始S0I材料也同樣有效，因此，本發明提 供的降低S0I材料埋氧層中正電荷密度的方法，適用範圍廣，且方法簡單實用，易於實現。
[0019] 4、本發明提供的降低S0I材料埋氧層中正電荷密度的方法，在解決上述S0I材料 注入摻雜改性帶來的埋氧層正電荷密度升高問題的同時，對需要進一步降低埋氧層內初始 正電荷密度的原始S0I材料也能同樣有效。
[0020] 5、本發明提供的降低S0I材料埋氧層中正電荷密度的方法，只需將一定劑量的氟 在一定的能量下注入到材料的埋氧層中，並進行相應的注入後退火處理，即可有效降低埋 氧層內的正電荷密度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為SOI材料埋氧層注氮前後所對應的M0S電容高頻C-ν特性曲線；圖中，VG表 示柵壓（單位：V)，C/C BQX表示歸一化電容，其中的BOX角標代指埋氧層（下同）；圖中看到， 埋氧層注氮後的C-V曲線相對於注氮前發生了較大的負向漂移，從而顯示出注氮埋氧層內 正電荷密度的明顯上升；
[0022] 圖2為注氮改性SOI材料的埋氧層在注氟前後所對應M0S電容的高頻C-V特性曲 線；注氮改性埋氧層在注氟後，其所對應的C-V曲線發生了顯著的正向漂移，從而顯示出改 性埋氧層內正電荷密度的顯著下降；
[0023] 圖3為SOI材料埋氧層注氟前後所對應的M0S電容高頻C-V特性曲線；埋氧層注 氟後的C-V曲線相對於注氟前發生了明顯的正向漂移，從而顯示出注氟埋氧層內正電荷密 度的明顯降低，且注氟劑量越大，降低的程度也越大。

【具體實施方式】
[0024] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0025] 本發明是以離子注入方式對需要降低埋氧層正電荷密度的SOI材料進行注氟及 退火來達到有效降低埋氧層正電荷密度的目的。其技術方案的要點是：首先對S0I材料進 行埋氧層正電荷密度的表徵，然後依據表徵後的結果及材料頂層矽膜與埋氧層的厚度選擇 氟的注入劑量與能量，將氟注入到材料的埋氧層中，並隨後進行退火處理。
[0026] 具體而言，本發明提供的這種降低S0I材料埋氧層中正電荷密度的方法，是以離 子注入方式對S0I材料進行埋氧層注氟，並在注氟後對S0I材料進行退火。其中，所述S0I 材料包括對埋氧層以任何方式進行改性後的SOI材料，以及需要或希望進一步降低埋氧層 正電荷密度的原始S0I材料。所述對S0I材料進行埋氧層注氟，注氟的劑量依據埋氧層中 正電荷密度的大小在lX10 14cm_2?lX1017cm_2範圍內選取。所述在注氟後對S0I材料進 行退火，退火溫度範圍為800°C?1KKTC，退火時間範圍為0. 5小時?3小時，退火氣氛為 氮氣或惰性氣體。
[0027] 本發明提供的這種降低S0I材料埋氧層中正電荷密度的方法，具體包括以下步 驟：
[0028] 步驟1 :採用C-V表徵方法或其它技術手段，對需要降低埋氧層內正電荷密度的 S0I材料進行埋氧層內正電荷密度的表徵，以確定埋氧層內正電荷密度的量值；
[0029] 步驟2 :依據表徵後給出的材料埋氧層內正電荷密度的量值及材料的埋氧層與 頂層矽的厚度，確定注氟的劑量和能量，然後，將氟注入到材料的埋氧層中，並進行退火處 理；
[0030] 步驟3 :基於目前典型S0I材料的結構參數，依據一般情況下埋氧層內正電荷密度 可能達到的量值，給出注氟工藝基本參考條件如下表所示。表中，Q f表示正電荷密度，TSi表 不頂層娃厚度，TMX表不埋氧層厚度，D F表不注氟劑量，EF表不注氟能量。
[0031]

【權利要求】
1. 一種降低絕緣體上矽材料埋氧層中正電荷密度的方法，其特徵在於，該方法是以離 子注入方式對絕緣體上矽SOI材料進行埋氧層注氟，並在注氟後對SOI材料進行退火。
2. 根據權利要求1所述的降低絕緣體上矽材料埋氧層中正電荷密度的方法，其特徵在 於，所述SOI材料包括對埋氧層以任何方式進行改性後的SOI材料，以及需要或希望進一步 降低埋氧層正電荷密度的原始SOI材料。
3. 根據權利要求1所述的降低絕緣體上矽材料埋氧層中正電荷密度的方法，其特徵在 於，所述對絕緣體上矽SOI材料進行埋氧層注氟，注氟的劑量依據埋氧層中正電荷密度的 大小在1 X 1014cnT2?1 X 1017cnT2範圍內選取。
4. 根據權利要求1所述的降低絕緣體上矽材料埋氧層中正電荷密度的方法，其特徵在 於，所述在注氟後對SOI材料進行退火，退火溫度範圍為800°C?1100°C，退火時間範圍為 0. 5小時?3小時，退火氣氛為氮氣或惰性氣體。
【文檔編號】H01L21/02GK104217925SQ201310220544
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年6月5日 優先權日:2013年6月5日
【發明者】鄭中山, 於芳 申請人:中國科學院微電子研究所