專利名稱：抗總劑量輻照的soi器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路，尤其涉及一種新型的抗總劑量輻照的S0I器件及其制造方 法，屬于電子技術領域。
背景技術：
集成電路技術正越來越廣泛的被應用于航天、軍事、核電和高能物理等與總劑量 輻照相關的行業(yè)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(yōu)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。 但是由于總劑量輻照粒子對于器件中二氧化硅氧化層的損傷，會在S0I器件的氧化層內(nèi)產(chǎn) 生大量的固定正電荷。在S0I器件中，用二氧化硅材料制作的埋氧層中的這些固定正電荷 會引起器件的襯底反型，并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(chǎn)生較大的負面影響，并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 在柵壓遠小于閾值電壓即關態(tài)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，并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(xiàn)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(yōu)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以減少總劑量輻照后閾值漂移的S0I器件，以及該器 件的制造方法。本發(fā)明在現(xiàn)有的S0I器件的結構基礎上，在通常由二氧化硅材料制作的埋氧層和 通常由P型硅材料制作的襯底層之間增加一個犧牲層，該犧牲層由氮化硅等以受主型缺陷 為特征并在輻照后能形成負電荷的工藝材料制成。利用輻照后在犧牲層內(nèi)產(chǎn)生的大量負電 荷，犧牲層材料可以對輻照后的埋氧層中存在的固定正電荷產(chǎn)生鉗制作用，從而減弱輻照 后S0I器件所產(chǎn)生的閾值電壓漂移，改善器件的亞閾值斜率，減小關態(tài)電流，并最終達到減 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(fā)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，所述埋氧層和襯底層之間還包括犧牲層，所述犧牲層在S0I器件經(jīng)總劑量輻 照后產(chǎn)生負電荷。所述犧牲層的厚度優(yōu)選在lOnm到20nm的范圍內(nèi)；所述埋氧層的厚度優(yōu)選在70nm 到80nm的范圍內(nèi)；所述犧牲層的材料優(yōu)選為氮化硅。襯底層的材料優(yōu)選為常規(guī)使用的PS 硅，由硅制成的襯底層在本發(fā)明中也稱為硅膜襯底層。所述埋氧層的材料優(yōu)選為常規(guī)使用的二氧化硅。本發(fā)明的新型抗總劑量輻照S0I工藝結構利用犧牲層材料能在總劑量輻照后感 應產(chǎn)生負電荷的特性，將埋氧層材料中因輻照產(chǎn)生的大量固定正電荷的電場限制在這一犧 牲層上。犧牲層中產(chǎn)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 硅膜襯底層材料的反型作用，并增大了埋氧層中大量固定正電荷與襯底之間的距離。這一 結構設計可以起到抑制甚至抵消埋氧層材料內(nèi)固定正電荷對硅膜襯底中載流子的鏡像感 生作用，抑制硅膜襯底的載流子反型，使得寄生晶體管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(tài)泄漏電流，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(guī)S0I器件和本發(fā)明S0I器件在埋氧層中形成的電荷類型 以及硅膜襯底中形成反型載流子濃度對比?？梢钥吹捷椪蘸蟪Ｒ?guī)S0I器件的埋氧層中產(chǎn)生 了大量的固定正電荷，這些正電荷導致硅膜襯底中產(chǎn)生了很多的負電荷的反型載流子，是 形成S0I器件關態(tài)泄漏電流的主要原因。而本發(fā)明的新型S0I器件則由于犧牲層的存在， 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，并且在犧牲層中產(chǎn) 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(tài)電流和集成電路的靜態(tài)功耗。圖2給出了分別采用傳統(tǒng)S0I器件和本發(fā)明S0I器件的集成電路中的NM0S晶體 管器件導通電流比較示意圖。從圖中可以看出，在柵壓小于零的時候采用傳統(tǒng)S0I器件的 NM0S晶體管就已經(jīng)存在很大的電流，這種大電流在器件還未進入工作狀態(tài)的時候就已經(jīng)存 在，給CMOS集成電路造成很大的功率損耗，并在很大程度上降低了 CMOS集成電路的應用可 靠性。而采用本發(fā)明S0I器件的NM0S晶體管在關態(tài)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(fā)明還提供了 S0I器件的制造方法，該方法包括a)在硅片上形成Si02埋氧層，其厚度一般為70-80nm ；b)在Si02埋氧層上形成氮化硅犧牲層，其厚度一般為10-20nm ；c)在氮化硅犧牲層上形成P型硅襯底層。除此之外，本發(fā)明的抗總劑量輻照工藝結構的另一特點是所采用的氮化硅等以受 主型缺陷為特征并在輻照后能形成負電中心的工藝材料具有與傳統(tǒng)的CMOS工藝完全兼容 的特點，并保留了傳統(tǒng)的S0I工藝結構在集成電路隔離方面具有的所有技術優(yōu)勢，制造工 藝步驟非常簡單。和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)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，對于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(yōu)勢和廣泛的應用前景。
圖1顯示常規(guī)S0I器件和本發(fā)明S0I器件經(jīng)總劑量輻照后的對比圖，圖la表示常 規(guī)S0I器件，圖lb表示本發(fā)明S0I器件；圖2顯示常規(guī)S0I器件和本發(fā)明S0I器件的反型載流子濃度比較示意圖；圖3-圖7顯示實施例的S0I器件制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-硅片；21-Si02層；31-P型硅層；41-氮化硅層。
具體實施例方式下面通過一個具體的制備實施例結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。本實施例制備根據(jù)本發(fā)明的S0I器件，制備方法主要包括如下步驟1)如圖3所示，在硅片11上用熱氧化生長方法生長一層二氧化硅層21，即傳統(tǒng)意 義上的埋氧層，熱氧化溫度約為1050°C，厚度約為70-80nm ；之后用化學機械拋光等方法將 二氧化硅層21的表面平坦化，使其表面盡可能有利于接下來的淀積層均勻淀積。2)如圖4所示，在二氧化硅21表面用低壓化學氣相淀積(LPCVD)方法淀積一層 10nm至20nm的氮化硅層41。3)如圖5所示，同樣用化學機械拋光方法將其表面磨平。4)如圖6所示，在氮化硅層41上用低壓化學氣相淀積(LPCVD)方法淀積一層P型 硅層31，作為S0I器件的襯底層。5)如圖7所示，再次使用化學機械拋光方法將P型硅層31的表面磨平，以利于后 續(xù)工藝的進行。至此，已形成本發(fā)明的S0I器件，硅片11構成頂層，3102層21構成埋氧層，氮化硅 層41構成犧牲層，P型硅層31構成硅膜襯底層。在此基礎上，按照標準S0I集成電路的工 藝流程可以進一步制備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，其特征在于，所述埋氧層和襯底層之間還包括犧牲層，所述犧牲層在SOI器件經(jīng)總劑量輻照后產(chǎn)生負電荷。
2.如權利要求1所述的抗總劑量輻照的S0I器件，其特征在于，所述犧牲層的厚度在 10nm到20nm的范圍內(nèi)。
3.如權利要求1所述的抗總劑量輻照的S0I器件，其特征在于，所述埋氧層的厚度在 70nm到80nm的范圍內(nèi)。
4.如權利要求1所述的抗總劑量輻照的SOI器件，其特征在于，所述犧牲層的材料為氮 化硅。
5.如權利要求1-4任意一項所述的抗總劑量輻照的S0I器件，其特征在于，所述襯底層 的材料為P型硅，所述埋氧層的材料為二氧化硅。
6.一種抗總劑量輻照的S0I器件的制造方法，包括下列步驟a)在硅片上形成Si02埋氧層；b)在Si02埋氧層上形成氮化硅犧牲層；c)在氮化硅犧牲層上形成P型硅襯底層。
7.如權利要求6所述的抗總劑量輻照的S0I器件的制造方法，其特征在于，Si02埋氧 層的厚度在70nm到80nm的范圍內(nèi)。
8.如權利要求6所述的抗總劑量輻照的S0I器件的制造方法，其特征在于，氮化硅犧牲 層的厚度在lOnm到20nm的范圍內(nèi)。
9.如權利要求6所述的抗總劑量輻照的S0I器件的制造方法，其特征在于，步驟a)通 過熱氧化生長方法生長Si02埋氧層，熱氧化生長溫度為1050°C。
10.如權利要求6所述的抗總劑量輻照的S0I器件的制造方法，其特征在于，分別在步 驟a)、b)和c)之后對形成的層進行表面處理，所述表面處理包括化學機械拋光處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗總劑量輻照的SOI器件及其制造方法，屬于電子技術領域。本發(fā)明SOI器件包括襯底層，埋氧層和頂層，所述埋氧層和襯底層之間還包括犧牲層，所述犧牲層在SOI器件經(jīng)總劑量輻照后產(chǎn)生負電荷。所述犧牲層的材料為氮化硅。所述襯底層的材料為P型硅，所述埋氧層的材料為二氧化硅。本發(fā)明的制造方法包括a)在硅片上形成SiO2埋氧層；b)在SiO2埋氧層上形成氮化硅犧牲層；c)在氮化硅犧牲層上形成P型硅襯底層。本發(fā)明可應用于航天、軍事、核電和高能物理等與總劑量輻照相關的行業(yè)中。
文檔編號H01L21/762GK101859781SQ20101016446
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權日2010年4月30日
發(fā)明者劉 文, 郝志華, 黃如 申請人:北京大學