CN108054089A - 一种基于位错减少辐照损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于位错减少辐照损伤的方法，该方法主要是通过对所述硅材料及器件进行质子、中子和γ射线等高能粒子注入，并进行退火操作，可以实现引入密度与位置可控的位错作为复合中心来减少辐照损伤的目的。本发明实现了在硅材料及器件指定位置引入位错，能够控制位错密度和位错区域；通过辐照高能粒子在硅材料及器件中引入位错形成缺陷，如同复合中心，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，使得空穴陷阱所俘获的空穴数量大大减小；此外，高能粒子对于引入的位错，与现有方式相比，不仅对硅材料及器件的电中性特性不会产生影响，还减少了硅材料及器件的辐照损伤。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种基于位错减少辐照损伤的方法。
背景技术
硅材料及器件持续工作于电离辐照环境中时，电离辐照会在硅体中激发电子-空穴对，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。当正电荷积累到一定程度时，致使器件漏电电流增加、电特性参数漂移，并最终失效。
目前，硅中引入位错的方法主要有：塑性变形，其是当前较为常见的方法，引入位错密度较高，但具有破坏性，位错位置与密度不可控制；氧沉淀引入，该方法需要较长时间热处理，引入位错较为困难且位错位置不可控制；离子注入，该方法所需设备较为昂贵，且对形成位错的后续热护理条件要求较为苛刻；激光照射，该方法引入的位错只存在激光照射表面，无法在材料内部生成。
因此当前需要一种成本低廉、位错密度与位置可控且与集成电路工艺相兼容在硅片引入位错的方法，从而减少辐照损伤。
发明内容
为解决上述技术需求，本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于位错减少辐照损伤的方法，对硅材料及器件进行质子、中子和γ射线等高能粒子注入，并进行退火操作；本发明通过利用高能粒子注入在硅材料及器件中引入密度与位置可控的位错，作为复合中心减小辐照产生的电子-空穴对以此来减少辐照损伤。
本发明的技术方案如下：
一种基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：对硅材料及器件的表面进行剂量、能量强度、注入角度、束斑直径等可调的高能粒子注入，对高能粒子注入后的硅材料及器件进行退火操作；注入的高能粒子用于破坏硅晶格，在所述硅材料及器件中产生密度与位置可控的位错，作为复合中心减小辐照产生的电子-空穴对以此来减少辐照损伤；所述高能粒子为质子、中子或γ射线等中的一种或多种。
所述注入的高能粒子的剂量范围为 5×1015cm-2至 5×1017cm-2。
所述高能粒子注入的能量强度范围为5MeV至60MeV。
所述位错生成的密度与深度由高能粒子束的能量强度及注入角度控制，控制高能粒子的注入角度、注入深度等，对硅材料及器件上中所引入的位错的位置能精确的控制。当高能粒子束能量强度较低时，位错主要存在于辐照区域表面，所引入的位错密度较低；当高能粒子束强度较高时，位错贯穿辐照区域1A内部，位错密度较大。
所述高能粒子的束斑直径为0.1mm至100mm。注入高能粒子区域的大小由高能粒子束束斑控制，调节高能粒子束的束斑形状与面积，注入区域的形状和大小也随之改变，未注入高能粒子的区域将不会引入位错。
注入的高能粒子可以是单束，也可以是多束。
辐照在硅材料及器件上的高能粒子束将能量传导给硅晶格，产生局部热应力，该热应力使硅晶格产生扰动，破坏硅晶格的周期对称性，从而引入位错。
高能粒子束的功率越高，能量越大，其在硅晶格里释放出的热应力就越大，对硅晶格造成的破坏越大，引入的位错密度越大。
所述退火操作在800℃至1000℃的范围内进行，退火时间是5-15小时。
本发明的有益效果在于：
本发明实现了在硅材料及器件指定位置引入位错，能够控制位错密度和位错区域；本发明与现有集成电路工艺完全兼容，具有巨大的产业优势；本发明为非破坏性，并且不引入其他材料元素，无沾污问题；
通过辐照高能中子、质子、γ射线等方式在硅材料及器件中引入位错形成缺陷，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射线等对于引入的位错，与现有技术中通过离子注入在硅材料及器件中引入深电子陷阱或复合中心的方式相比，对硅材料及器件的电中性特性并不会产生影响，减少了硅材料及器件的辐照损伤。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是实施例中单束高能粒子束辐照硅材料的示意图。
图3是实施例中多束高能粒子束辐照硅材料的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例。
下面，结合图2和图3通过本发明的一个实施例对图1中基于位错减少辐照损伤的方法进行具体地描述。
实施例1
以硅材料为具体实施例，一种基于位错减少辐照损伤的方法，包括以下步骤：
如图2所示，对硅材料1表面进行单束高能粒子注入，注入的区域1A中高能粒子足以破坏硅晶格，在硅材料1表面产生位错。高能粒子的束斑直径为0.1mm至100mm，注入区域1A的大小由高能粒子束束斑控制，改变束斑形状，注入区域1A的形状随之改变。未注入高能粒子的区域1B将不会引入位错。
高能粒子包括质子、中子或γ射线等中的一种，注入的剂量范围为 5×1015cm-2至5×1017cm-2。高能粒子注入的能量范围为5MeV至60MeV，位错生成的密度与深度由高能粒子束的能量强度及注入角度控制。高能粒子束强度较低时，位错主要存在于辐照区域1A表面，所引入的位错密度较低；当高能粒子束强度较高时，位错贯穿辐照区域1A内部，位错密度较大。
实施例2
如图3所示，本发明也可应用于只需在硅材料2的体内引入位错的场合。可采用多束高能粒子束b1、b2……bn同时对硅材料不同表面进行注入，并调节多束高能粒子束与各自注入表面的夹角，使这多束高能粒子束聚焦于硅材料中特定的区域2A，在多束高能粒子束的共同热应力作用下，在该特定的区域2A内引入位错，而在未受高能粒子束会聚影响的2B区域只有极少或者没有位错。这种采用多束高能粒子束引入位错的方法，可降低每一束高能粒子束的功率，有效降低其对硅材料表面晶格的破坏，从而保护硅材料表面。
接着，对所述硅材料进行退火操作，以消除高能粒子注入对硅材料所造成的注入损伤。由于高温退火会在硅材料中引入较多的缺陷，所以本发明采用低温退火的方式对所述硅材料进行退火。通过控制退火的温度以及退火的时间使硅材料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1000℃的范围内进行，退火时间是5-15小时。
优选地，采用多次注入以及多次退火的方式减小由于高能粒子注入对硅材料所造成的损伤，根据具体情况，多次重复上述高能粒子注入以及退火的步骤。采用多次高能粒子注入加退火的方式，可以使注入损伤所形成的缺陷在硅材料中的分布更加均匀，同时降低高能粒子注入对硅材料的损伤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：对硅材料及器件的表面进行高能粒子注入，对高能粒子注入后的硅材料及器件进行退火操作；注入的高能粒子用于破坏硅晶格，在所述硅材料及器件中产生密度与位置可控的位错，作为复合中心减小辐照产生的电子-空穴对以此来减少辐照损伤。
2.根据权利要求1所述的基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：所述高能粒子为质子、中子或γ射线中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：所述注入的高能粒子的剂量范围为 5×1015cm-2至 5×1017cm-2。
4.根据权利要求1所述的基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：所述高能粒子注入的能量强度范围为5MeV至60MeV。
5.根据权利要求1所述的基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：所述位错生成的密度与深度由高能粒子束的能量强度及注入角度控制；当高能粒子束能量强度较低时，位错主要存在于辐照区域表面，所引入的位错密度较低；当高能粒子束强度较高时，位错贯穿辐照区域内部，位错密度较大。
6.根据权利要求1所述的基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：所述高能粒子的束斑直径为0.1mm至100mm。
7.根据权利要求1所述的基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：注入高能粒子区域的大小由高能粒子束束斑控制，调节高能粒子束的束斑形状与面积，注入区域的形状和大小也随之改变，未注入高能粒子的区域将不引入位错。
8.根据权利要求1所述的基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：注入的高能粒子为单束，或多束。
9.根据权利要求1所述的基于位错减少辐照损伤的方法，其特征在于：所述退火操作在800℃至1000℃的范围内进行，退火时间是5-15小时。
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