一種提高VDMOS器件抗輻照能力的方法與流程

2023-05-23 03:57:51 2

本發明涉及半導體製造技術領域，具體涉及一種提高VDMOS器件抗輻照能力的方法。

背景技術：

太空飛行器在軌飛行過程中，與空間各類帶電粒子(電子及質子)發生交互作用。這些電子及質子對太空飛行器用電子器件的性能有著強烈的影響，會造成電離輻射效應、位移輻射效應和單粒子效應等。這些輻射效應將導致電子器件的異常或失靈，甚至最終導致太空飛行器發生災難性的事故。國內外研究結果表明，太空飛行器在軌會發生不同形式的故障，縮短了工作壽命，造成很大的損失。故障分析結果表明，空間帶電粒子對太空飛行器上電子器件產生輻射損傷效應是故障乃至事故的重要原因。目前我國航天技術發展迅速，衛星和宇宙飛船的某些關鍵核心集成電路仍依賴進口的抗輻照加固器件，且價格昂貴，由于禁運，很多甚至只能採用非加固器件。神舟十號發射成功後這種情況更加嚴重，航天事業的發展和宇宙探索的進步對於先進集成電路在空間自然輻射環境下抗輻照技術的研究需求十分迫切。此外，隨著放射性醫學的進步與核技術應用的推廣，微電子技術在這些環境中的應用也越來越廣泛。因此，不僅是航天和軍事領域，微電子技術的民用領域也要求提高半導體器件及集成電路的抗輻照能力。伴隨著這些要求的提高，電子元器件抗輻照原理及技術的發展就顯得更加重要。

眾所周知，電離輻照損傷主要是在MOSFET的SiO2層中產生大量陷阱電荷和在Si/SiO2界面產生大量界面態，因而對器件輻照性能影響最大的是柵氧化層的輻照能力。SiO2的抗輻照能力與氧化條件有關。通過近幾十年對柵氧化工藝的大量研究，得到了適用於加固工藝的氧化條件：低溫H2-O2合成氧化，嚴格控制柵氧前矽片的清洗處理和爐管清洗，選擇適當的退火條件，並儘量減薄氧化層厚度。與幹氧氧化相比，低溫H2-O2合成氧化有如下一些優點：(1)幹氧製備的SiO2層中空穴遷移率比溼氧SiO2中的高。因此，用H2-O2合成氧化法製備的SiO2層中，在空穴運動到界面附近被空穴陷阱俘獲之前，被電子複合的機率較大；(2)H2-O2合成氧化的溫度僅850℃，比幹氧氧化的溫度低得多。因此，產生的缺陷少，相應地由於輻射產生的陷阱電荷也少；(3)採用H2-O2合成氧化法製備的氧化層抗輻射能力明顯增強，這是因為輻射電荷的產生與SiO2層中的電子、空穴陷阱都有關係。H2-O2合成氧化法製備的SiO2層中含有較多的OH-基，OH-基是電子陷阱。它產生的負電荷積累補償了一部分正電荷的作用。但H2-O2合成氧化法本質上就是水汽氧化SiO2的生長速率很快，且生成的SiO2層較疏鬆，針孔多，擊穿電壓低。氧化層界面電荷密度較大，製備柵氧存在介質擊穿場強低、抗熱電子效應差的缺點。隨著器件尺寸的縮小，上述問題將嚴重製約H2-O2合成氧化法在工藝中的應用。

N2O退火氮化氧化的柵介質同常規的氧化柵介質相比，能有效地提高擊穿特性、抑制熱載流子效應和提高抗FN應力損傷。同時由於氮化促使Si-N鍵代替Si-O鍵，抑制界面態產生.可能提高抗輻射能力。但直接生長的氮化氧化柵存在自限制生長特性，難以滿足工藝的要求。

技術實現要素：

針對現有採用H2-O2合成氧化法和氮氧化柵製備柵氧化層各自存在的不足之處，本發明的目的在於提供一種提高VDMOS器件抗輻照能力的方法，該方法是將H2-O2合成氧化法和氮氧化柵兩種技術結合起來，併集合二者優點的三層結構柵，可改善VDMOS器件的擾輻照能力，同時能夠保證VDMOS器件在輻射環境中的安全運行。

為實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下：

一種提高VDMOS器件抗輻照能力的方法，該方法是將VDMOS器件中的柵氧化層替換為三層結構柵，從而提高VDMOS器件的抗輻照能力；所述三層結構柵是由依次疊加複合的氮氧化物層(N2O氮化柵氧化層)、氫氧合成氧化層(氫氧合成柵氧化層，SiO2層)和氮氧化物層組成。

所述氮氧化物層是採用N2O氮化氧化工藝(氮化柵氧化層工藝)製備的氮氧化物層，所述氫氧合成氧化層是採用低溫H2-O2合成氧化法製成的SiO2層。

所述氮氧化物層的厚度為3-5nm，所述氫氧合成氧化層的厚度為6-10nm。

所述三層結構柵的製備過程具體包括如下步驟：

(1)採用HF溶液清洗矽片表面，去除矽片表面的氧化層；

(2)矽片清洗後，用氮化柵氧化層工藝在800℃條件下製備N2O氮化柵氧化層；

(3)用氫氧合成氧化法在800℃條件下在步驟(2)製備的N2O氮化柵氧化層上製備氫氧合成柵氧化層；

(4)用氮化柵氧化層工藝在800℃條件下在步驟(3)製備的氫氧合成柵氧化層上製備N2O氮化柵氧化層；

(5)三層結構柵備完成後，在800℃和N2氣氛下退火30min。

本發明設計機理及有益效果如下：

1、本發明是在輻照環境下，通過將VDMOS電晶體結構中的柵氧化層做成氮氧化層、H2-O2合成氧化層、氮氧化層的三層結構柵。結合H2-O2合成和氮氧化柵兩種技術的優點，提出了一種新的三層結構柵，可改善VDMOS器件的抗輻照能力。

2、N2O氮化引入的N同柵介質內的Si-Si鍵和矽懸掛鍵結合，可降低空穴俘獲陷阱密度。

3、N2O氮化在Si/SiO2界面處引入Si-N鍵代替界面Si-O應力鍵，抑制了FN應力和輻照下界面態的產生。

4、替換了體內Si-O鍵的Si-N鍵，起到了抑制輻照下Si-O鍵斷裂的作用，抑制了輻照下電子俘獲產生速率。

5、在多晶矽工藝過程中，N2O氮化減少了柵介質體內的Si-H、Si-OH弱鍵矽懸掛鍵，從而減少了電子俘獲陷阱。

6、氮化引入的N把有缺陷的鍵有機結合為堅固的結構。從而減少缺陷密度，提高柵結構的堅固性和抗輻照性能。

7、多晶矽摻雜工藝後的退火工藝將進一步使有缺陷的鍵有機結合為堅固的結構，從而減少缺陷密度，提高柵結構的堅固性和抗輻照性能。

8、採用快速退火工藝將會略微增加界面的應力。從而影響到柵結構的完整性和抗輻照能力。相較於常規退火，快速退火更有利於激活雜質，因此要綜合考慮兩種工藝。

9、採取矽化物技術可適當地減少由快速退火引入的界面應力。從而保證了柵結構的完整性和抗輻照能力。

附圖說明

圖1為本發明實施例1製備的VDMOS場效應電晶體的三層結構柵。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明製備的具有三層結構柵的VDMOS電晶體作進一步詳細描述。

常規VDMOS器件包括襯底、外延層、P體區、N+源區、SiO2柵氧化層、多晶矽柵電極、絕緣層和金屬化源極電極。本發明將VDMOS器件中的柵氧化層替換為三層結構柵，從而提高VDMOS器件的抗輻照能力；所述三層結構柵是由依次疊加複合的氮氧化物層、氫氧合成氧化層和氮氧化物層組成。所述氮氧化物層是採用N2O氮化氧化工藝製備的厚度為3-5nm的氮氧化物層，所述氫氧合成氧化層是採用低溫氫氧合成氧化法製成的厚度為6-10nm的SiO2層。

實施例1

本實施例三層結構柵的製備過程如下：

(1)採用HF溶液(水：HF＝50:1)清洗矽片表面120秒，去除矽片表面的氧化層；

(2)矽片清洗後，經衝水、甩幹後，用氮化柵氧化層工藝在800℃條件下製備4nm的N2O氮化柵氧化層。氮化的柵介質同常規的氧化柵介質相比，能有效地提高擊穿特性、抑制熱載流子效應和提高抗FN應力損傷。同時由於氮化促使Si-N鍵代替Si-O鍵，抑制界面態產生，可能提高抗輻射能力；

(3)用氫氧合成氧化法在800℃條件下在步驟(2)製備的N2O氮化柵氧化層上製備8nm的氫氧合成柵氧化層。由於H2-O2合成氧化的溫度僅800℃，產生的缺陷少，相應地由於輻射產生的陷阱電荷也少，因此採用H2-O2合成氧化法製備的氧化層抗輻射能力明顯增強；

(4)用氮化柵氧化層工藝在800℃條件下在步驟(3)製備的氫氧合成柵氧化層上製備4nm的N2O氮化柵氧化層；

(5)三層結構柵備完成後，在800℃和N2氣氛下退火30min,三層結構柵如圖1所示。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍內。