一種抗總劑量輻照的soi器件及其製造方法

2023-12-01 22:31:06 1

專利名稱：一種抗總劑量輻照的soi器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及集成電路，尤其涉及一種新型的抗總劑量輻照的S0I器件及其製造方 法，屬於電子技術領域。
背景技術：
集成電路技術正越來越廣泛的被應用於航天、軍事、核電和高能物理等與總劑量 輻照相關的行業中。而且隨著集成電路集成度的不斷提高，半導體器件的尺寸日益減小， 淺槽隔離技術正以其優良的器件隔離性能成為集成電路中器件之間電學隔離的主流技術。 但是由於總劑量輻照粒子對於器件中二氧化矽氧化層的損傷，會在S0I器件的氧化層內產 生大量的固定正電荷。在S0I器件中，用二氧化矽材料製作的埋氧層中的這些固定正電荷 會引起器件的襯底反型，並帶來諸如亞閾值斜率變壞、器件可靠性變差等較壞影響，對CMOS 集成電路的可靠性產生較大的負面影響，並且埋氧層中的固定正電荷的存在還會引起襯底 的載流子反型，這些反型載流子在源漏偏壓的作用下形成較大的源漏導通電流，使得器件 在柵壓遠小於閾值電壓即關態的時候仍然存在較大的源漏導通電流，增大了 CMOS集成電 路的功耗，並引起一系列的可靠性問題。如何提高S0I器件的抗總劑量輻照特性，以改善整 個CMOS集成電路的抗輻照特性，成為現階段亟待解決的一個總劑量輻照可靠性問題。因此，如果能夠在不改變S0I器件埋氧結構優勢的前提下提出一種可以大幅度減 弱埋氧層中固定正電荷對器件閾值電壓的影響的新型器件結構，消除總劑量輻照對S0I器 件的不良影響，提高CMOS集成電路的可靠性，將會對整個集成電路的抗輻照加固具有重大 的意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種可以減少總劑量輻照後閾值漂移的S0I器件，以及該器 件的製造方法。本發明在現有的S0I器件的結構基礎上，在通常由二氧化矽材料製作的埋氧層中 增加一層與襯底層材料相同的犧牲層，利用犧牲層材料對輻照後的埋氧層中存在的固定正 電荷產生鉗製作用，從而減弱輻照後S0I器件所產生的閾值電壓漂移，改善器件的亞閾值 斜率，減小關態電流，並最終達到減小CMOS集成電路功耗，提高CMOS集成電路可靠性的目 的。具體來說，本發明提供一種抗總劑量輻照的S0I器件，該S0I器件包括襯底層，埋 氧層和頂層，所述埋氧層中包括和襯底層材料相同的犧牲層，所述埋氧層在所述犧牲層中 產生固定負電荷。所述犧牲層的厚度優選在lOnm到20nm的範圍內；所述襯底層和所述犧牲層之間 的埋氧層的厚度優選在20nm到30nm的範圍內；頂層和所述犧牲層之間的埋氧層的厚度優 選在50nm到60nm的範圍內。襯底層和犧牲層的材料優選為常規使用的P型矽，由矽製成 的襯底層在本發明中也稱為矽膜襯底層。所述埋氧層的材料優選為常規使用的二氧化矽。
本發明的新型抗總劑量輻照S0I工藝結構利用埋氧層材料中的正電荷能在犧牲 層材料中感應產生負電荷的特性，將埋氧層材料中因輻照產生的大量固定正電荷的電場限 制在這一犧牲層上。埋氧層中的正電荷在犧牲層中產生的大量固定負電荷的存在大大減弱 了淺槽隔離結構中埋氧層材料對矽膜襯底層材料的反型作用，並增大了埋氧層中大量固定 正電荷與襯底之間的距離，而與襯底相接的一薄層二氧化矽埋氧層材料因為很薄(比如20 納米至30納米)，裡面產生的固定正電荷的量非常少，對襯底的影響可以忽略。這一結構設 計可以起到抑制甚至抵消埋氧層材料內固定正電荷對矽膜襯底中載流子的鏡像感生作用， 抑制矽膜襯底的載流子反型，使得寄生電晶體的導通載流子大幅度減少甚至降低為零，從 而大幅度降低S0I器件的關態洩漏電流，使集成電路的抗輻照性能得到較大幅度的提升。圖la，b分別顯示了常規S0I器件和本發明S0I器件在埋氧層中形成的電荷類型 以及矽膜襯底中形成反型載流子濃度對比。可以看到輻照後常規S0I器件的埋氧層中產生 了大量的固定正電荷，這些正電荷導致矽膜襯底中產生了很多的負電荷的反型載流子，是 形成S0I器件關態洩漏電流的主要原因。而本發明的新型S0I器件則由於犧牲層的存在， 大大抑制了埋氧層中固定正電荷的反型作用，將電場鉗制在犧牲層中，並且在犧牲層中產 生的負電荷也很好的抑制了正電荷的鏡像反型作用，在很大程度上遏制了反型載流子的形 成，降低了器件關態電流和集成電路的靜態功耗。圖2給出了分別採用傳統S0I器件和本發明S0I器件的集成電路中的NM0S晶體 管器件導通電流比較。從圖中可以看出，在柵壓小於零的時候採用傳統S0I器件的NM0S晶 體管就已經存在很大的電流，這種大電流在器件還未進入工作狀態的時候就已經存在，給 CMOS集成電路造成很大的功率損耗，並在很大程度上降低了 CMOS集成電路的應用可靠性。 而採用本發明S0I器件的匪OS電晶體在關態時電流非常小，幾乎為零，對電路性能的影響 可以忽略，大大增強了 CMOS集成電路的可靠性，降低了 CMOS集成電路的功率損耗。此外，本發明還提供了 S0I器件的製造方法，該方法包括a)在矽片B上形成第一 Si02層，其厚度一般為50-60nm ；b)在矽片A上注入H+離子，形成的H+離子層將矽片A分成第一部分和第二部分； 將矽片A和矽片B鍵合，通過熱處理使矽片A的第二部分在H+離子處氣泡剝離，對矽片A 的第一部分的表面作表面處理；矽片A的第二部分的厚度一般為10-20nm ；c)在矽片A的第一部分的表面形成第二 Si02層，其厚度一般為20-30nm ；d)在矽片C上注入H+離子，形成的H+離子層將矽片C分成第一部分和第二部分； 將矽片C和第二 Si02層鍵合，通過熱處理使矽片C的第二部分在H+離子處氣泡剝離，對矽 片C的第一部分的表面作表面處理。除此之外，本發明的抗總劑量輻照工藝結構的另一特點是所採用的P型矽犧牲層 材料具有與傳統的CMOS工藝完全兼容的特點，並保留了傳統的S0I工藝結構在集成電路隔 離方面具有的所有技術優勢，製造工藝步驟非常簡單。和現有技術相比，本發明所提出的新型的S0I器件可以大大增強集成電路的抗總 劑量輻照性能，對於減少總劑量輻照下集成電路的功耗和增強集成電路的可靠性具有重大 意義，在集成電路抗總劑量輻照加固技術應用中，有著明顯的優勢和廣泛的應用前景。


圖1顯示常規S0I器件和本發明S0I器件經總劑量輻照後的對比圖，圖la表示常 規S0I器件，圖lb表示本發明S0I器件；圖2顯示常規S0I器件和本發明S0I器件的反型載流子濃度比較圖；圖3-圖9顯示實施例的S0I器件製備方法各步驟的示意圖。其中1-頂層；2-埋氧層；3-襯底層；4-犧牲層；11-矽片B;12_矽片A;21_第一 5102層；22-第二 5102層；31-矽膜襯底層；41-矽 片A的第一部分；42-矽片A的第二部分；6-H+層。
具體實施例方式下面通過一個具體的製備實施例結合附圖對本發明作進一步描述。本實施例製備根據本發明的S0I器件，製備方法主要包括如下步驟1)準備種子矽片A 12和種子矽片B11。如圖3所示，通過熱氧化方法在矽片B11 的表面上形成一層二氧化矽，即第一 Si02層21，其厚度約為50-60nm。2)如圖4所示，從矽片A12的表面注入H+離子，以在矽片A12中形成H+層6，注 入射程取決於S0I的頂部矽膜厚度。3)如圖5所示，將矽片A12與矽片B11經清洗和親水處理後做低溫鍵合。4)如圖6所示，對鍵合片進行熱處理(400°C -600°C )，使矽片A12在H+分布的峰 值處氣泡剝離，其中矽片A的第一部分41留在第一 Si02層21上，構成S0I結構中的犧牲 層，其厚度約為10-20nm，剝離下來的矽片A的第二部分42經拋光後可以繼續使用。5)如圖7所示，剝離後的鍵合片經1100°C高溫下再退火，以進一步增加鍵合強度。 由於剝離後矽片表面(即矽片A的第一部分41的表面)不夠平整，對退火後的該表面進行 化學機械拋光(CMP)，以適應器件製備的要求。6)如圖8所示，通過熱氧化生長方法在矽片A的第一部分41的表面上形成一層二 氧化矽，即第二 Si02層22，其厚度由S0I材料的埋氧層總厚度來決定，一般為20-30nm。7)如圖9所示，在第二 5102層22的表面上，運用步驟2)-步驟5)的方法，通過另 一種子矽片C(或者直接使用矽片A的第二部分42)作為轉移片，形成一層平整的矽層，即 S0I結構的矽膜襯底層31，厚度適應器件製備的要求。至此，已形成本發明的S0I器件，矽片B11構成頂層，第一 5102層21和第二 Si02 層22共同構成埋氧層，其中夾有作為犧牲層的矽片A的第一部分41，第二 Si02層22上的 Si層31構成矽膜襯底層。在此基礎上，按照標準S0I集成電路的工藝流程可以進一步製備 S0I集成電路，如圖lb所示。
權利要求
一種抗總劑量輻照的SOI器件，該SOI器件包括襯底層，埋氧層和頂層，其特徵在於，所述埋氧層中包括和襯底層材料相同的犧牲層，所述埋氧層在所述犧牲層中產生固定負電荷。
2.如權利要求1所述的抗總劑量輻照的S0I器件，其特徵在於，所述犧牲層的厚度在 10nm到20nm的範圍內。
3.如權利要求1所述的抗總劑量輻照的S0I器件，其特徵在於，所述襯底層和所述犧牲 層之間的埋氧層的厚度在20nm到30nm的範圍內。
4.如權利要求1所述的抗總劑量輻照的SOI器件，其特徵在於，所述頂層和所述犧牲層 之間的埋氧層的厚度在50nm到60nm的範圍內。
5.如權利要求1-4任意一項所述的抗總劑量輻照的SOI器件，其特徵在於，所述襯底層 和犧牲層的材料為P型矽，所述埋氧層的材料為二氧化矽。
6.一種抗總劑量輻照的S0I器件的製造方法，包括下列步驟a)在矽片B上形成第一Si02層；b)在矽片A上注入H+離子，形成的H+離子層將矽片A分成第一部分和第二部分；將 矽片A和矽片B鍵合，通過熱處理使矽片A的第二部分在H+離子處氣泡剝離，對矽片A的 第一部分的表面作表面處理；c)在矽片A的第一部分的表面形成第二Si02層；d)在矽片C上注入H+離子，形成的H+離子層將矽片C分成第一部分和第二部分；將 矽片C和第二 Si02層鍵合，通過熱處理使矽片C的第二部分在H+離子處氣泡剝離，對矽片 C的第一部分的表面作表面處理。
7.如權利要求6所述的抗總劑量輻照的S0I器件的製造方法，其特徵在於，第一Si02 層的厚度在50nm到60nm的範圍內。
8.如權利要求6所述的抗總劑量輻照的S0I器件的製造方法，其特徵在於，矽片A的第 一部分的厚度在10nm到20nm的範圍內。
9.如權利要求6所述的抗總劑量輻照的S0I器件的製造方法，其特徵在於，第二Si02 層的厚度在20nm到30nm的範圍內。
10.如權利要求6所述的抗總劑量輻照的S0I器件的製造方法，其特徵在於，在步驟b) 中，熱處理在400°C到600°C的溫度下進行，將矽片A的第二部分剝離後，在1100°C進行高溫 退火，退火後進行化學機械拋光處理。
全文摘要
本發明公開了一種抗總劑量輻照的SOI器件及其製造方法，屬於電子技術領域。本發明的SOI器件包括襯底層，埋氧層和頂層，所述埋氧層中包括和襯底層材料相同的犧牲層，所述埋氧層在所述犧牲層中產生固定負電荷。所述襯底層和犧牲層的材料同為P型矽，所述埋氧層的材料為二氧化矽。本發明的SOI器件通過在矽片上依次形成第一SiO2層，犧牲層，第二SiO2層，和矽膜襯底層而製造。本發明可用於航天、軍事、核電和高能物理等與總劑量輻照相關的行業中。
文檔編號H01L21/762GK101859783SQ20101016447
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者劉 文, 郝志華, 黃如 申請人:北京大學