一種抗單粒子燒毀的VDMOS器件及其製作方法與流程
2023-05-12 01:59:51
本發明涉及功率半導體器件技術領域，具體涉及一種抗單粒子燒毀的VDMOS器件及其製作方法。
背景技術：
功率集成電路可以應用於家電、個人電腦、行動電話、數位相機以及與日俱增的各種可攜式設備的適配器等，同時由於它降低了元件數量使產品性價比高，並且更小和更輕，近年來各種MOS型功率集成電路紛紛出現。他們不但在應用中取代了許多原來為雙極型器件所佔據的領域。其中VDMOS由於具有高輸入阻抗、開關速度快、熱穩定性好、具有負的溫度係數良好的電流自調節能力、沒有二次擊穿安全工作區域大等優點在各種功率開關應用中越來越引起人們的重視。傳統VDMOS剖面圖如圖1所示。
在航天領域，高壓VDMOS器件通常被用作太空飛行器電源系統內的安全開關。由於太空飛行器是在太空中運行的，所以這些VDMOS器件的各類電學參數除了要能夠滿足基本的設計要求外，還要能夠承受太空中各種高能粒子、宇宙射線等的輻射所帶來的影響。目前已知輻射環境對VDMOS器件可能產生的輻照效應主要包括單粒子燒毀(SEB)、單粒子柵擊穿(SEGR)和總劑量(Total dose)效應等。
重離子誘發的VDMOS器件發生的單粒子效應會使電路系統出現短暫失效或直接導致VDMOS器件損壞。
圖2給出了VDMOS器件的剖面結構及固有的寄生雙極電晶體位置示意圖。由圖中可以看出，器件的源區(n+)、體區(P區)及漏區(n-外延層)分別構成了寄生管的發射極、基極和收集極。因為結構上源區、體區共用金屬化電極，形成基極—發射極短路，所以當器件正常工作時，寄生雙極電晶體是關閉的，當重粒子入射到VDMOS器件時，沿著粒子軌跡會產生大量電子空穴對，形成電離的等離子體絲流。在漂移和擴散效應的雙重作用下，空穴通過橫向基區進入寄生管的發射級，電子通過橫向基區流向收集極而形成瞬態電流。當瞬態電流在P體區電阻上的壓降增加到一定值時，使寄生雙極電晶體的發射結成為正偏置，寄生電晶體n+p+p-n-導通。處在正偏置下的寄生雙極電晶體，當集電極和發射極之間的電壓高於寄生管的擊穿電壓時，寄生雙極電晶體的集電極電流就能發生雪崩倍增。假如這一正反饋電流不加限制，則會使源漏短路導致器件燒毀。
從單粒子燒毀效應的機理可以看出，引起單粒子燒毀效應的根本原因在於VDMOS源漏間因單個高能粒子轟擊而誘發其寄生雙極管導通發生局部熱損壞。因此，器件內部寄生雙極電晶體的相關尺寸和工藝參數對單粒子燒毀(SEB)敏感度的影響很大，有必要對研製產品進行設計和工藝加固技術研究。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種抗單粒子燒毀的VDMOS器件及其製作方法，該VDMOS在源漏區域中間斷開多晶矽條，在斷開的結型場效應電阻處注入一定的P型離子，從而形成一種具有新型結構的耗盡區。這種新型結構在一定程度上加大了耗盡區的寬度，降低基區的電阻，降低了其雪崩擊穿的靈敏度，從而達到抗單粒子燒毀的目的，提高了該器件的性能。
為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案如下：
一種抗單粒子燒毀的VDMOS器件的製作方法，該方法是通過改變VDMOS器件的柵下耗盡區結構，即在所述柵下耗盡區通過離子注入工藝摻入P型離子，從而獲得抗單粒子燒毀的VDMOS器件。該方法具體包括如下步驟：
(1)在外延片上定義有源區之後，在其上依次生長柵氧化層和多晶矽層，再通過光刻和腐蝕的方法刻出柵極形狀，同時確定P阱區形狀；
(2)在P阱區採取自對準離子注入工藝注入P型離子，然後通過熱推進工藝形成P體區；
(3)在P體區通過光刻腐蝕的方法刻出NSD區域，通過離子注入摻入N型離子，進行退火後形成N+源區；
(4)在柵氧化層上方的多晶矽層上，通過光刻腐蝕的方法刻出所需長度的頸區，然後在該區域通過離子注入工藝摻入P型離子；
(5)在柵區澱積一層介質層，通過光刻和腐蝕的方法在介質層上刻出接觸孔，再在接觸孔內澱積一層金屬層，通過光刻腐蝕刻出連線形貌。
步驟(1)中，在所述有源區生長柵氧化層時，採用幹氧的方法生長，生長的柵氧化層為厚度的SiO2層；在柵氧化層上生長多晶矽層之後，刻蝕出的柵長為8μm。
步驟(2)中，在形成所述P體區時，採用離子注入的方法進行P型摻雜，摻雜的離子類型為B+離子，摻雜的濃度為6E13/cm2。
步驟(3)中，在所述柵區兩側形成所述NSD區域時，採用離子注入的方法進行N型摻雜，摻雜的離子類型為As+離子，摻雜的濃度為1E16/cm2。
步驟(4)中，在所述P體區中間形成所述的頸區時，首先在多晶矽層上覆蓋光刻膠，進行光刻曝光後取出多晶矽層上的光刻膠，然後使用幹法腐蝕的方法腐蝕掉被光刻膠覆蓋區域的多晶矽，形成頸區，頸區長度為4μm；在所述頸區開口中採用離子注入的方法進行P型摻雜，摻雜的離子類型為B+離子，摻雜的濃度為1E13/cm2。
所述介質層採用的材料為SiO2；所述金屬層採用的材料為Al，金屬層厚度為2μm。
所述外延片採用的摻雜濃度為7Ω*cm、厚度為23μm，屬於N型襯底、N型外延。
本發明具有以下優點和有益效果：
本發明對傳統的VDMOS器件進行了結構優化，在兩個P體區之間的頸區摻雜一定濃度的P型雜質，該雜質濃度小於NSD區的摻雜濃度幾個數量級，對NSD區並不產生影響。而此區域摻雜的P型離子將有效改變柵氧下基區的導通電阻，在器件遭遇單粒子輻照時，其抗雪崩擊穿能力得到提升。通過本發明提供的方法可以製備具有一定抗單粒子燒毀性能的VDMOS器件。
附圖說明
圖1為傳統VDMOS結構示意圖。
圖2為單粒子燒毀原理圖。
圖3為本發明製備的具有新型體區VDMOS器件結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例詳述本發明。
本發明製作VDMOS器件的過程如下：
在選定參數的外延拋光矽片上光刻出有源區，在該區域生長緻密的柵氧化層，在柵氧化層上澱積多晶矽，並光刻出P+區。
在P阱區通過離子注入摻雜P型離子，熱推進後形成P體區；在柵區兩側通過光刻刻出NSD區，其它區域覆蓋光刻膠作為離子注入阻擋層，在NSD區注入高濃度N型離子，熱處理後形成結深。
將柵區上方的多晶矽上通過光刻腐蝕刻出一定長度的頸區，腐蝕掉該區域的多晶矽，在此區域通過離子注入摻雜一定濃度的P型離子，退火後形成頸區。
在柵區澱積一層介質層，通過光刻腐蝕的方法刻出孔，再在表面澱積一層金屬層，通過光刻腐蝕刻出連線形貌，器件結構如圖3。
實施例1
本實施例製作VDMOS器件的過程如下：
選取535μm厚的N(100)型原始矽片，磨去40μm，拋光80μm。
矽片清洗，並且用顯微鏡檢查表面。
外延生長N-：ρ＝7Ω·cm，d＝23μm。
生長場氧化層，場氧厚度溫度條件為800℃-1000℃-800℃。
使用第一塊光刻版RING MASK刻出環注入的窗口，溼法腐蝕腐掉場環窗口上的氧化層，注入40KeV/1E16Ω/平方釐米的B+。
使用第二塊光刻版刻出有源區，將有源區的場氧化層通過溼法腐蝕腐淨。
生長柵氧化層，柵氧厚度作C-V檢測，檢測柵氧化層厚度。
此步需重點做，VDMOS器件對柵氧化層要求非常高，需保證柵氧化層質量，誤差不宜過大，浮動不能超過10％，否則將影響閾值電壓，發生柵漏電等現象。
此步需使用幹氧製作。
在低溫爐管中表面生長多晶矽
使用第三塊光刻版刻出柵區，留下柵區和互聯多晶矽。柵長為8μm，腐蝕多晶矽(P-區)，幹腐：9'50」。
通過自對準注入，在窗口注入60KeV/6E13Ω/平方釐米的B+離子。
P+擴散(預擴：R□＝80～100Ω/□，700℃-940℃-700℃、主擴：R□＝150～180Ω/□，800℃-1150℃-800℃)
使用第四塊光刻版刻出NSD區，掩蔽其它區域。
在NSD窗口注入100KEV/1E16Ω/平方釐米的As離子。
注入前在120℃烘箱堅膜30分鐘，矽片背面使用N2冷卻，防止大劑量注入引起光刻膠起膠。
使用第五塊光刻版刻蝕頸區，頸區窗口長度為4μm。
在頸區窗口注入60KeV/1E13Ω/平方釐米的B+離子，熱處理後激活。
正面塗膠(5000pm)。
背面腐蝕多晶矽(幹法)和SiO2，幹腐4'38」，漂2'。
漂SiO2，擴磷(N+)，同時形成溝道，R□＝6～7Ω/□,Xjn＝1.1μ,Xjp＝5μ,R□poly-Si≤30Ω/□。
漂磷矽玻璃(PSiO2)(使用去離子水HF溶液)。
生長介質層，氧化(950℃)，5'幹氧+20'溼氧+5'幹氧，
刻邊緣多晶矽(即刻場限制環上的多晶矽)5000pm。
檢測接觸環上
腐蝕(先溼腐多晶矽上的SiO2)6'45」
去膠清洗，在爐口烘800℃20'N2。
使用第六塊光刻版刻出孔，以便後期金屬連線的製造。
在孔及表面蒸發鋁，鋁厚2μm。反刻Al 5000rpm，刻出電極。中心區鋁連成一塊，代表了VDMOS的源極。
做合金，合金材料由矽鋁銅組成，其中鋁佔98.5％，矽佔1％，銅為0.5％。
晶片表面澱積2μm厚的鈍化層。
使用第七塊光刻版刻蝕出pad區域，腐蝕鈍化層，以備後面封裝連線。
背面金屬化：釩鎳金
封裝測試
通過上述實驗方案，對VDMOS器件柵氧下結構進行優化，摻雜低濃度P區，既保證不影響源區的正常工作，又降低了區域內的導通電阻，使器件具有更好的抗寄生電阻雪崩擊穿性能。當器件遇到單粒子幹擾時，能禁受更大能量的單粒子輻照。
以上實施方案為本發明的較優實施方法，任何在本發明基礎上的明顯變化轉換，都視為在本發明保護範圍內，特此聲明本發明並不限於上文討論的實施方式，以上對具體實施方式的描述旨在於未來描述和說明本發明涉及的技術方案。基於本發明啟示的顯而易見的變換或替代也應當被認為落入本發明的保護範圍。以上的具體實施方式用來揭示本發明的最佳實施方法，以使得本領域的普通技術人員能夠應用本發明的多種實施方式以及多種替代方式來達到本發明的目的。