CN101577279B - 一种抗辐照的多叉指cmos器件 - Google Patents

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本发明公开了一种抗辐照的多叉指CMOS器件，属于电子技术领域。本发明多叉指CMOS器件包括有源区、STI区、和连接所述有源区和所述STI区的栅极，所述栅极呈多叉指状，其特征在于，所述有源区沿着有源区横向的宽度大于所述栅极位于所述有源区范围内沿着有源区横向的宽度。优选地，相邻的两个叉指的根部内轮廓线不呈各个折角同时为90°的折线状，位于端部的两个叉指的根部外轮廓线不呈直角状。本发明多叉指CMOS器件可以有效的降低栅串联电阻，从而提高电路的性能；同时占用的版图面积减小，可提高芯片的集成度。

Description

一种抗辐照的多叉指CMOS器件
技术领域
本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种抗辐照的新型多叉指CMOS器件，属于电子技术领域。
背景技术
集成电路芯片具有体积小，重量轻，寿命长，可靠性高，性能好等优点。同时由于成本低，便于大规模生产成为各种电子设备的核心，在生产生活的各个领域中得到广泛应用。集成电路是由基本的半导体器件构成的具有特定功能的电路模块。应用于集成电路的器件经历了从双极晶体管到场效应晶体管到互补型金属氧化物场效应晶体管(CMOS)演变的过程。CMOS器件因其低功耗，速度快，集成度好等优点广泛应用于集成电路芯片中，现在集成电路95％由CMOS器件组成。
目前传统的CMOS器件一般包括栅极(Gate)、漏极(Drain)、源极(Source)、衬底(Substrate)，为了避免器件之间形成导电通路，器件之间采用STI(Shallow Trench Insulator)浅沟槽隔离。对于NMOS，如图1a所示，当栅极加负压或者不加电压时，由于pn结之间的势垒，源极漏极之间没有导电通道因而电流非常小，是关态；当栅极上加正电压超过阈值电压时，p型衬底反型，形成源极漏极之间的导电沟道，源漏之间在漏端电压作用下形成比较大的电流，是开态。
随着航天与军事科技的发展，芯片被大量应用于军事以及太空领域。在这些应用中芯片经常处于辐射的环境下，辐照会在CMOS器件的STI区产生正电荷。这些正电荷将吸引衬底中的电子，可以使得与STI相邻的衬底(p型半导体)中形成电子反型层，在STI与衬底的界面处形成寄生的导电通道，产生很大的泄漏电流，严重影响器件的正常关断。
多叉指CMOS器件由于较好的对称性以及较小的栅电阻而广泛应用于射频/模拟电路领域。对于应用于辐照环境的多叉指CMOS器件，由于它存在较多的泄漏边缘，如图2a所示，将产生较大的泄漏电流。另外由于它相对于类似的CMOS器件有相对窄的沟宽，STI区间距较近，在辐照中STI区俘获的空穴引起的电场可能在相邻的STI区发生耦合，引起更大的阈值电压漂移进而影响器件性能。因此，对多叉指结构的CMOS器件进行辐照加固就显得尤其重要。
应用于抗辐照领域的CMOS器件，常采用环珊结构。环珊结构由于源极或漏极不与STI区氧化层相邻，辐照将不会产生源漏之间的泄漏电流。但是环珊结构由于其所占用版图面积大、栅寄生电阻大、不能制作沟宽/沟长比小的器件、每个宽长比器件都要单独设计等因素对电路设计带来很大的麻烦，因而应用受到限制。
本发明中提出的新结构结合了传统叉指结构CMOS器件与环珊结构器件的优点，既考虑了对抗辐照能力的加固，又考虑了在电路设计中的便利，有很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种既抗辐照又具有良好性能的新型多叉指CMOS器件。
为了达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种抗辐照的多叉指CMOS器件，其具有常规多叉指CMOS器件所具有的有源区、STI区、和连接所述有源区和所述STI区的栅极(多晶硅栅极)，所述栅极呈多叉指状，常规的多叉指CMOS器件如图2a所示。在此基础上，本发明器件的特征在于，如图2b所示，有源区沿着有源区横向(图中竖直方向)的宽度W1大于所述栅极位于所述有源区范围内沿着有源区横向的宽度W2，即，W1＞W2。由此，多晶硅栅极的叉指根部(图中栅极的横向部分)位于有源区内，叉指的端部位于STI区内，从而，栅极仅连接有源区和一个STI区。换言之，本发明的器件相对于常规器件将栅极“下移”，使栅极的叉指根部脱离另一个STI区。
优选地ΔW＝W1-W2在100nm到200nm的范围内。
本发明器件基于以下原理：
传统的多叉指结构CMOS器件在其宽度方向(和有源区的横向方向相同)源漏两端都与STI区相邻，而本发明的多叉指结构CMOS器件只有一端与STI区相邻。图4给出了两种器件沿有源区横向的剖面图。由于辐照(总剂量效应)引起CMOS器件的退化机制主要为在STI区俘获的正电荷会引起STI区与衬底界面处的泄漏电流路径，导致泄漏电流增加。而这种新结构减少了隔离区与有源区接触的部分，因此在辐照时这种结构将具有比较小的泄漏电流，可以用于抗辐照加固。简言之，如图2所示，图2a中的常规器件存在两处泄漏电流I，而图2b中的本发明器件则只存在一处泄漏电流I，粗略地说，减少了一半泄漏电流。
可见，传统的多叉指CMOS器件具有较多的泄漏边缘路径，因此具有较大的泄漏电流。与之相反，本发明的多叉指MOS器件减小了一半的泄漏边缘路径，因此可以有效地减小泄漏电流。另外，由于本发明的多叉指CMOS器件只有一端与STI区相邻，避免了窄沟两端STI区的电场耦合引起的器件特性退化，因此也可具有较好的窄沟特性。
另一方面，本发明中所提出的新型器件不是简单的将多晶硅栅的部分下移到有源区内部，考虑到两个叉指之间的90°的折角之间的强电场将引起尖角效应(Corner Effects)，造成器件的亚阈值特性变差。为了避免这种效应，本发明中的多叉指结构之间采用多边形过渡，如图3b、c所示。采用本发明这种结构设计的器件可以在保持器件常规性能的同时提升器件的抗辐照性能。
具体来说，在本发明器件呈多叉指状的栅极中，相邻的两个叉指的根部内轮廓线不呈各个折角同时为90°的折线状。
优选地，所述内轮廓线呈折线状，所述折线的各个折角在大于90°到小于180°的范围内，如图3b、c所示。
优选地，所述内轮廓线呈弧线状，比如圆弧状或椭圆弧状，如图3d所示。所述弧线的开口均朝向所述多叉指状的开口。
需要说明的是，上面所述的折角指的是折线的内角，该内角朝向折线围合的空间内部，即，朝向多叉指的开口。
类似地，本发明器件还对多叉指结构端部的两个叉指的根部外轮廓线作了改进，常规器件的外轮廓线同样呈直角状。本发明器件则不同。
优选地，所述外轮廓线呈折线状，所述折线的各个折角在大于90°到小于180°的范围内。
优选地，所述外轮廓线呈弧线状，比如圆弧状或椭圆弧状。
上面所述的折角也表示朝向多叉指开口方向的内角。
另外，对于现有技术中的环珊结构而言，它和本发明器件之间的区别在于：
1)本发明器件采用叉指结构，使各叉指栅结构的串联电阻变成并联形式，可以有效的降低栅串联电阻，从而提高电路的性能；
2)采用叉指结构使设计不同的宽长比器件变得简单，对于不同宽长比，只需要调节叉指数量即可以实现，而环珊器件必须针对不同宽长比进行定制设计；另外，叉指结构可以设计小宽长比的器件，环珊结构在这方面无法做到；
3)叉指结构使器件占用的版图面积减小，可提高芯片的集成度。
附图说明
图1a、图1b、图1c分别表示传统NMOS器件沿有源区纵向的剖面图、俯视图、和沿有源区横向的剖面图；
图2a表示传统的多叉指CMOS器件的俯视图；
图2b表示本发明多叉指CMOS器件的俯视图；
图3表示叉指根部的内轮廓线，a表示传统CMOS器件的情形，b、c、d则表示本发明器件的情形；
图4a表示传统的多叉指CMOS器件沿有源区横向的剖面图；
图4b表示本发明多叉指CMOS器件沿有源区横向的剖面图；
图5a-e表示本发明器件的制备方法实施例的流程图，其中后缀“-1”表示沿有源区横向的剖面图，后缀“2”表示对应的俯视图，
其中：
1-衬底；2-源极；3-漏极；4-栅极；5-STI区；6-有源区；7-叉指；8-栅介质；9-二氧化硅掩膜；10-光刻胶；11-氮化硅掩膜；12-P型掺杂区。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步描述。
本实施例制备本发明多叉指CMOS器件，制备方法包括下列步骤，其中所称的各种方法均为本领域普通技术人员熟知的常用方法，其细节不再赘述。
1)在P型硅衬底1上热生长二氧化硅9与CVD(化学气相淀积)氮化硅11作为掩模，如图5a；
2)利用光刻技术刻蚀二氧化硅9与氮化硅11，并刻蚀硅衬底1形成如图5b所示的沟槽；
3)淀积STI氧化层5，并用化学机械抛光技术对表面进行平整化处理；
4)利用光刻技术对沟道进行掺杂形成P-型掺杂区12，热生长一层二氧化硅栅介质8，淀积多晶硅栅极4如图5c-1；
5)利用光刻技术对栅极4进行光刻，形成如图5d-1所示的图形
此处需要使用针对本结构处于有源区内的栅交叉部位多边形过渡设计的掩膜版。
6)利用光刻技术对源极2漏极3离子注入，形成如图5e-1所示的图形。

Claims (9)

1.一种抗辐照的多叉指CMOS器件，包括有源区、STI区、和连接所述有源区和所述STI区的栅极，所述栅极呈多叉指状，其特征在于，所述有源区沿着有源区横向的宽度大于所述栅极位于所述有源区范围内沿着有源区横向的宽度，在所述呈多叉指状的栅极中，相邻的两个叉指的根部内轮廓线不呈各个折角同时为90°的折线状。
2.如权利要求1所述的CMOS器件，其特征在于，所述内轮廓线呈折线状，所述折线的各个折角在大于90°到小于180°的范围内。
3.如权利要求1所述的CMOS器件，其特征在于，所述内轮廓线呈弧线状。
4.如权利要求3所述的CMOS器件，其特征在于，所述弧线状为圆弧状或椭圆弧状，所述圆弧或椭圆弧的开口均朝向所述多叉指状的开口。
5.如权利要求1所述的CMOS器件，其特征在于，在所述呈多叉指状的栅极中，位于端部的两个叉指的根部外轮廓线不呈直角状。
6.如权利要求5所述的CMOS器件，其特征在于，所述外轮廓线呈折线状，所述折线的各个折角在大于90°到小于180°的范围内。
7.如权利要求5所述的CMOS器件，其特征在于，所述外轮廓线呈弧线状。
8.如权利要求7所述的CMOS器件，其特征在于，所述弧线状为圆弧状或椭圆弧状。
9.如上述权利要求任意一项所述的CMOS器件，其特征在于，所述有源区沿着有源区横向的宽度和所述栅极位于所述有源区范围内沿着有源区横向的宽度之间的差值在100nm到200nm的范围内。
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