CN102522362A - 一种改进soi结构抗辐照性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种改进SOI结构抗辐照性能的方法，该方法包括以下步骤：对所述SOI结构进行质子、中子和γ射线等高能粒子注入，并执行退火操作。本发明通过利用高能粒子注入在埋氧层中引入位移损伤，以此来提高SOI结构抗辐照的性能。

Description

一种改进SOI结构抗辐照性能的方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术，尤其涉及一种改进SOI结构抗辐照性能的方法。
背景技术
绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术是一种全介质隔离技术，即在顶层硅膜与衬底之间存在一层埋氧层，用于把有源器件薄膜去与衬底进行隔离。基于SOI技术所制造的半导体器件被称为SOI器件。请参考图1，图1为现有技术中典型的SOI CMOS结构的剖面示意图。由于埋氧层实现了良好的隔离，而SOI器件有源区的体积也较小，相对于体硅具有更低的泄漏电流，且无闩锁效应，因此SOI器件在器件抗辐照性能方面有着其它器件不可比拟的优越性。但是，也正是由于埋氧层的存在，其内部存在大量的空穴陷阱，当SOI器件持续工作在电离辐照环境中时，电离辐照会在埋氧层中激发电子-空穴对，电子会很快迁移出埋氧层，而空穴会被空穴陷阱俘获，成为固定空间正电荷，造成正电荷的积累。这些固定空间正电荷主要集中在顶层硅膜和埋氧层的界面附近。当埋氧层中的正电荷积累到一定程度时，SOI N沟道晶体管的背栅界面将会反型，致使器件漏电电流增加、电特性参数漂移，并最终失效。因此，如何提高SOI器件的抗总剂量性能成为目前研究的焦点。
在现有技术中，主要采用以下两种方式提高SOI结构的抗辐照能力，进而提升SOI器件的抗总剂量辐照水平。
第一种方式是向SOI结构的硅衬底中注入硼等正离子，以此来提高背栅阈值电压，从而提高SOI器件的抗辐照能力。
第二种方式是向埋氧层中引入深电子陷阱或者复合中心，防止辐照产生的电子迁移出埋氧层，保持埋氧层的电中性，从而提高埋氧层的抗辐照能力。注入到埋氧层内的离子应该能够很容易地和辐照产生的电子结合，且不容易分离，在埋氧层中也不会重新分配。通常采用对埋氧层进行离子注入(例如Si、N、Al等)的方式，向埋氧层中引入深电子陷阱或者复合中心。以向埋氧层中注入Si为例，注入的Si在埋氧层中形成电子陷阱，当这些电子陷阱被填充后，它们会补偿陷阱正电荷，减少埋氧层中的净正电荷。以向埋氧层中注入N为例，对于典型的SOI器件，由于埋氧层内存在高浓度的空穴陷阱，整个埋氧层内辐照所产生的电子-空穴对中的空穴几乎在原位被俘获，而电子则被浅能级电子陷阱俘获并很快就被热激发，随后大多数热激发的电子被电场扫出埋氧层。在这种情况下，埋氧层宏观上带正电，会影响SOI器件的正常使用性能。N离子的注入能在埋氧层中产生大量的电子陷阱，并且在退火后，N离子与Si结合形成键能较大的Si-N键，替代了部分弱键。弱键被替代能够减低埋氧层在电离辐照中产生的电子-空穴对，从而提高SOI器件的抗辐照性能；而且在电离辐照中，这些电子陷阱俘获电子后既可以作为复合中心吸引辐照产生的空穴，又可以补偿被空穴陷阱俘获的空穴，有助于达到宏观电中性；此外，这些电子陷阱还影响了埋氧层内的电场，有利于辐照后产生的电子-空穴对的复合。
但是，上述两种方式均存在一定的缺点。其中，第一种方式的缺点在于对SOI结构抗辐照能力的提升有限。第二种方式的缺点在于：在向SOI结构的埋氧层中进行离子注入的过程中，不可避免地会对顶层硅膜造成一定的注入损伤，尽管这样的损伤可以通过注入后的退火基本予以消除，但退火后遗留的部分缺陷仍会对SOI器件的性能产生一定的影响。此外，离子注入在有效改善埋氧层抗辐照性能的同时，会影响到埋氧层的内部微观结构，宏观上的表现则为埋氧层电特性的变化，而这样的变化又可能反过来影响到离子注入对SOI结构的抗辐照改进效果。例如，高剂量氮离子的注入对埋氧层的结构会产生影响，使致密的SiO2原子网络松弛，Si-O-Si键角变得更大，这会使更多的空穴俘获在埋氧层内，不利于SOI器件的抗辐照性能，而且，注氮还会使NMOSFET和PMOSFET的背栅阈值电压分别降低和提高。
因此，亟需提出一种可以解决上述问题的改进SOI结构抗辐照性能的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进SOI结构抗辐照性能的方法，利用高能中子、质子和γ射线等高能粒子辐照SOI材料的方式在SOI埋氧层中引入位移损伤，形成缺陷如同复合中心，减小辐照产生的电子-空穴对，以此来提高SOI结构背栅隐埋氧化层的抗辐照性能，进而提升SOI器件的抗辐照性能。
本发明提供了一种改进SOI结构抗辐照性能的方法，包括：
对所述SOI结构的埋氧层进行高能粒子注入，并执行退火操作。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过加速器辐照高能中子、质子、γ射线等方式在埋氧层中引入位移损伤形成缺陷，这些缺陷如同复合中心一样，使载流子的寿命减小，这样在辐照过程中所产生的大量电子-空穴对会被复合中心所复合，使得埋氧层中空穴陷阱所俘获的空穴数量大大减小。此外，辐照质子、中子和γ射线等对于埋氧层仅仅是引入了位移损伤，与现有技术中通过离子注入在埋氧层中引入深电子陷阱或复合中心的方式相比，对SOI器件的电中性特性并不会产生影响，所以不会造成SOI器件背栅阈值电压漂移等改变埋氧层电学特性的影响，因此可以有效地提高SOI结构背栅隐埋氧化层的抗辐照性能，进而提升SOI器件的抗辐照性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中SOI CMOS结构的剖面示意图；
图2为根据本发明的改进SOI结构抗辐照性能的方法流程图；
图3和图4为根据本发明一个具体实施例按照图2所示流程改进SOI结构抗辐照性能的各个阶段的剖面示意图；以及
图5为改进与未改进SOI晶圆辐照后背栅阈值电压与辐照吸收总剂量之间的关系曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面，请结合图3和图4通过本发明的一个实施例对图2中改进SOI结构抗辐照性能的方法进行具体地描述。
SOI结构一般包括衬底100、位于所述衬底之上的埋氧层110以及位于所述埋氧层110之上的硅层120。
具体地，如图3所示，SOI结构包括衬底100、埋氧层110以及硅层120，其中，所述埋氧层110位于所述衬底100之上，所述硅层120位于所述埋氧层110之上。
在本实施例中，所述衬底100的材料为单晶硅。典型地，所述衬底100的厚度可以约为但不限于几百微米，例如从0.5mm-1.5mm的厚度范围。
所述埋氧层110的材料为SiO2，典型地，所述埋氧层110的厚度范围为200nm-400nm。
所述硅层120的材料为单晶硅，其厚度范围为200nm-300nm。
如图2中步骤S 101所示，根据本发明的一个实施例，对SOI结构的埋氧层110进行辐照，并对所述SOI结构执行退火操作。
具体地，首先，如图4所示，将所述SOI晶圆放在加速器下对其进行辐照，将高能粒子注入所述埋氧层110，在所述埋氧层110中引入位移损伤形成缺陷。其中，所述辐照的高能粒子可以是质子、中子，还可以是γ射线。在本实施例中，所述采用质子注入，注入的剂量范围为5×1016cm-2至5×1017cm-2，所述质子注入的能量范围为30MeV至50MeV，在这个能量下质子能够稳定地穿透硅层120注入到埋氧层110中，并且后续的退火过程不会对其产生较大的影响。本领域的技术人员应该可以理解，所述质子注入的剂量和能量的大小应该根据SOI结构的具体情况而决定，例如，当硅层120的厚度不同时，为了保证质子可以注入到埋氧层110中，质子注入能量的大小也会相应有所不同，所以上述所述质子注入的剂量和能量范围不应作为对本发明的限制。
接着，对所述SOI结构进行退火操作，以消除质子注入对硅层120所造成的注入损伤。由于高温退火会在埋氧层110中引入较多的缺陷，所以本发明采用低温退火的方式对所述SOI结构进行退火。通过控制退火的温度以及退火的时间使埋氧层110中由于退火所产生的缺陷尽可能地减小。其中，所述低温退火优选在800℃至900℃的范围内进行。
优选地，采用多次注入以及多次退火的方式减小由于质子注入对硅层120所造成的损伤，即，在对所述埋氧层110进行质子注入并执行退火操作后，根据具体情况，多次重复上述质子注入以及退火的步骤。采用多次质子注入加退火的方式，可以使注入损伤所形成的缺陷在硅层120中的分布更加均匀，同时降低辐照对SOI器件正面顶层硅膜的损伤从而减小辐照对SOI器件性能的影响。
与现有技术相比，本发明所提供的方法具有以下优点：通过辐照高能粒子例如质子、中子等方式在埋氧层中引入位移损伤形成缺陷，这些缺陷如同复合中心一样，使载流子的寿命减小，这样在辐照过程中所产生的大量电子-空穴对会被复合中心所复合，使得埋氧层中空穴陷阱所俘获的空穴数量大大减小。此外，质子注入对于埋氧层仅仅是引入了位移损伤，与现有技术中通过离子注入在埋氧层中引入深电子陷阱或复合中心的方式相比，质子注入对SOI器件的电中性特性并不会产生影响，所以不会造成SOI器件背栅阈值电压漂移等改变埋氧层电学特性的影响，因此可以有效地提高SOI结构的抗辐照性能，进而提升SOI器件的抗辐照性能。
下面，基于实验结果，对使用本发明所提供的方法进行改进后的SOI晶圆与未改进的SOI晶圆的抗辐照能力进行比较。请参考图5，图5为改进后与未改进SOI晶圆辐照后背栅阈值电压与辐照吸收总剂量之间的关系曲线图，图5中的横坐标表示辐照总剂量，纵坐标表示SOI晶圆的背栅阈值电压。实验中采用商业化标准的SmartCut SOI晶圆，其厚度为370nm，硅层的厚度为300nm，制作该类SOI结构的初始晶圆为[100]晶向的p型Si，其电阻率在10Ω·cm至20Ω·cm之间。其中，在对SOI晶圆改进的过程中，向其埋氧层中注入了5×1016cm-2至5×1017cm-2的质子，注入能量为30MeV至50MeV，并在850℃左右温度下进行了退火。此外，为了减小质子注入对硅层所造成的损伤，对该SOI晶圆执行了多次上述质子注入和多次退火的操作。在辐照实验中，将改进后的SOI晶圆和未改进的SOI晶圆放在钴60辐照源下进行总剂量辐照，从图5中可以明显看出，在接受相同辐照总剂量的情况下，改进后的SOI晶圆辐照后的背栅阈值电压的漂移量远远小于未改进的SOI晶圆辐照后的背栅阈值电压，也就是说，采用本发明提供的方法改进后的SOI晶圆的抗辐照能力远远高于未改进的SOI晶圆。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (6)

1.一种改进SOI结构抗辐照性能的方法，该方法包括以下步骤：
a)对所述SOI结构进行高能粒子注入，并执行退火操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高能粒子注入在所述SOI结构的埋氧层(110)中引入位移损伤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述对所述埋氧层(110)进行高能粒子注入的步骤包括：
利用对所述SOI结构进行辐照的方式，对所述埋氧层(110)进行高能粒子辐照注入。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
所述辐照的高能粒子是质子、中子或γ射线中的一种或其组合。
5.根据权利要求3所述的方法，其中：
所述高能粒子注入的剂量范围为5×1016cm-2至5×1017cm-2，所述高能粒子注入的能量范围为30MeV至50MeV。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述退火操作在800℃至900℃的范围内进行。
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