CN108598168A - 抗总剂量辐射的功率场效应晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及半导体制造领域，公开了一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管及其制造方法。该抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，包括：提供具有硅基有源区的晶片、并氧化硅基有源区的表面形成遮蔽层；经由遮蔽层向硅基有源区内注入氮离子形成掺氮硅区，注入的氮离子的离子束能量范围为50KeV至110KeV，注入的氮离子的剂量范围为1*1011cm‑3至1*1013cm‑3；除去遮蔽层；氧化掺氮硅区形成凸出于硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层；在掺氮氧化硅介质层上依次形成多晶硅栅极层、隔离层和电极层。本发明提供的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法制造的功率场效应晶体管的抗总剂量辐射能力强，可靠性高。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造领域，特别涉及一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管及其制造方法。
背景技术
功率场效应晶体管根据其结构不同分为结型场效应晶体管(JFET，JunctionField Effect Transistor)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)。功率MOSFET作为新一代的功率半导体开关器件，可以满足微电子器件大功率和强电流的需求，而且由于它的电学特性极佳、开关功耗极小且高频特性良好，因此不但在消费、工业和交通等领域有着广泛应用，而且在卫星等航天设备的电源(DC/DC，Direct Current)上也应用广泛。如果把控制航天设备运行的CPU称为整个航天设备的“大脑”，那么功率MOS器件就相当于航天设备的“心脏”，在能量转换及降低损耗方面起着极其重要的作用。
随着空间技术的不断发展，对功率场效应晶体管器件提出了更高的要求。本发明的发明人发现，现有技术中至少存在以下问题：当航天设备位于空间环境中时，为了提高空间电源的能量转换及利用效率，在航天设备的电源DC/DC中NMOS功率器件和PMOS功率器件通常需要配对使用。由于空间环境十分恶劣，存在着多种宇宙射线及高能粒子，而功率MOS器件对高能质子和重离子的辐射作用极为敏感，当入射到器件的单个粒子能量达到一定程度后，NMOS器件易产生单粒子效应，导致器件产生扰动或损坏，当剂量达到一定程度时，又会产生总剂量效应，导致器件产生永久性破坏。相比于NMOS器件，PMOS功率器件内部沟道部分主要是电子电流，而且硅基电子迁移率约为空穴迁移率的3倍(电子迁移率0.13cm2/V*S，空穴迁移率0.05cm2/V*S)，电子不易在沟道处产生积累，其寄生的PNP三极管的发射效率及电流放大倍数都比较低，其开启电压及二次击穿电压都比较高，因此P沟道MOS功率器件在空间应用中不易产生单粒子效应(单粒子烧毁及单粒子栅穿效应)。大量研究表明PMOS的固定陷阱电荷和界面态电荷极性都为正，呈相互叠加作用，造成其阈值电压漂移加剧，漏电流增大，其总剂量辐射问题一直难以解决。因此为了对功率场效应晶体管进行有效的抗辐射加固，以提高功率MOS器件的抗总剂量辐射能力和可靠性，有必要优化功率场效应晶体管的结构以及制造工艺。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管及其制造方法，该方法制造的功率场效应晶体管的抗总剂量辐射能力强，可靠性高。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，包括以下步骤：
提供具有硅基有源区的晶片、并氧化硅基有源区的表面形成遮蔽层；
经由遮蔽层向硅基有源区内注入氮离子形成掺氮硅区，注入的氮离子的离子束能量范围为50KeV至110KeV，注入的氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3；
除去遮蔽层；
氧化掺氮硅区形成凸出于硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层；
在掺氮氧化硅介质层上依次形成多晶硅栅极层、隔离层和电极层。
本发明的实施方式还提供了一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管，包括：硅基有源区以及依次设置在硅基有源区上的掺氮氧化硅介质层、多晶硅栅极层、隔离层以及电极层，掺氮氧化硅介质层所含的氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过控制向硅基有源区注入的氮离子的能量和剂量形成掺氮硅区，注入的氮离子的离子束能量范围为50KeV至110KeV，注入的氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3，然后氧化掺氮硅区生长出掺氮氧化硅介质层，与现有技术中氧化硅作为功率场效应晶体管的介质层相比，氮离子能中和氧化硅中硅原子之间的不饱和键，减少不饱和键在总剂量辐射时对电子的俘获，从而减小总剂量辐射时功率场效应晶体管的阈值电压漂移，以增强功率场效应晶体管的抗总剂量辐射能力，从而使得功率场效应晶体管的可靠性更高。
另外，注入的氮离子的离子束能量为90KeV。
另外，注入的氮离子的剂量为5*1012cm-3。
另外，氧化掺氮硅区形成凸出于硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤，具体包括：
在氮气氛围中将待氧化的晶片装入高压炉内并密封高压炉；
先向高压炉内吹入干燥氧气5分钟，然后向高压炉内吹入水汽5分钟；
在水汽气氛中增压7.5分钟至8.5分钟；
在水汽气氛中降压3分钟至4分钟；
关闭水汽，并向高压炉内注入氮气以代替水汽；
在氮气气氛中退火7分钟后取出晶片，晶片表面形成有掺氮氧化硅介质层。
另外，氧化掺氮硅区形成凸出于硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤中，氧化掺氮硅区的温度范围为650℃至850℃。
另外，氧化掺氮硅区形成凸出于硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤中，形成的掺氮氧化硅介质层厚度范围为600埃至1500埃。
另外，氧化掺氮硅区形成凸出于硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤中，形成的掺氮氧化硅介质层的厚度为700埃。
另外，提供具有硅基有源区的晶片、并氧化硅基有源区的表面形成遮蔽层的步骤中，形成的遮蔽层的厚度为200埃。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明提供的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法中氧化硅基有源区的表面形成遮蔽层的示意图；
图2是本发明提供的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法中向硅基有源区内注入氮离子形成掺氮硅区的示意图；
图3是本发明提供的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法中除去遮蔽层的示意图；
图4是本发明提供的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法中氧化掺氮硅区形成掺氮氧化硅介质层的示意图；
图5是本发明提供的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。
参见图1-5，本发明的第一实施方式涉及一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管100制造方法。，本实施方式的核心在于提供具有硅基有源区101的晶片、并氧化硅基有源区100的表面形成遮蔽层102；经由遮蔽层102向硅基有源区101内注入氮离子形成掺氮硅区103，注入的氮离子的离子束能量范围为50KeV至110KeV，注入的氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3；除去遮蔽层102；氧化掺氮硅区103形成凸出于硅基有源区101表面的掺氮氧化硅介质层104；在掺氮氧化硅介质层104上依次形成多晶硅栅极层105、隔离层106和电极层107，通过控制向硅基有源区101注入的氮离子的能量和剂量形成掺氮硅区102，注入的氮离子的离子束能量范围为50KeV至110KeV，注入的氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3，然后氧化掺氮硅区103生长出掺氮氧化硅介质层104，与现有技术中氧化硅作为介质层相比，氮离子能中和氧化硅中硅原子之间的不饱和键，减少不饱和键在总剂量辐射时对电子的俘获，从而减小总剂量辐射时功率场效应晶体管100的阈值电压漂移，以增强功率场效应晶体管100的抗总剂量辐射能力，从而使得功率场效应晶体管100的可靠性更高。
下面对本实施方式的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。
本实施方式中的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管100制造方法，具体包括：
步骤S11，如图1所示，提供具有硅基有源区101的晶片、并氧化硅基有源区的表面形成遮蔽层102。
在步骤S11中，形成的遮蔽层102能避免下述步骤注入氮离子时外界杂质沾污硅基有源区101表面。本实施方式中，形成的遮蔽层102的厚度可以为200埃。
步骤S12，如图2和图3所示，经由遮蔽层102向硅基有源区101内注入氮离子形成掺氮硅区103，注入的氮离子的离子束能量范围为50KeV至110KeV，注入的氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3。
在步骤S12中，优选地，注入的氮离子的离子束能量为90KeV，注入的氮离子的剂量为5*1012cm-3。通过精度控制注入氮的能量和剂量，能避免氮注入过量引起硅基有源区101的界面应力失配产生表面缺陷以及沟道载流子迁移率降低等问题，也能避免氮注入过少引起的功率场效应晶体管100抗击穿能力提升不多，抗总剂量辐射能力不强的问题。本实施方式中引入的氮离子剂量能减少功率场效应晶体管100的界面态电荷，降低总剂量辐射时界面态电荷对载流子的俘获能力，减少阈值电压的漂移，从而增强功率场效应晶体管100的抗总剂量辐射能力。
步骤S13，如图3所示，除去遮蔽层102。
在步骤S13中，可以采用蚀刻工艺去除遮蔽层102。具体地，在本实施方式中，用氢氟酸漂洗掉遮蔽层102。
步骤S14，如图所示，氧化掺氮硅区103形成凸出于硅基有源区101表面的掺氮氧化硅介质层104。
本实施方式中，具体地，氧化掺氮硅区103并在掺氮硅区103的表面形成掺氮氧化硅介质层104的步骤，具体包括：
步骤S121，在氮气氛围中将待氧化的晶片装入高压炉内并密封高压炉。
步骤S122，先向高压炉内吹入干燥氧气5分钟，然后向高压炉内吹入水汽5分钟。
步骤S123，在水汽气氛中增压7.5分钟至8.5分钟。
步骤S124，在水汽气氛中降压3分钟至4分钟。
步骤S125，关闭水汽，并向高压炉内注入氮气以代替水汽。
步骤S126，在氮气气氛中退火7分钟后取出晶片，晶片表面形成有掺氮氧化硅介质层104。
本实施方式中，氧化掺氮硅区103形成凸出于硅基有源区101表面的掺氮氧化硅介质层104的步骤中，需要精确控制高压炉内的温度在650℃至850℃范围内，同时精确控制施加的压力范围为0.5MPa至2MPa，优选为1MPa，通过高压低温的氧化满足了将掺氮硅区103氧化形成掺氮化硅介质层104的工艺要求。本实施方式中，氧化速率快且氧化温度比常规温度低100℃至200℃，能减少高温对功率场效应晶体管100造成的损伤，工艺更简单，可靠性更好。
本实施方式中，形成的掺氮氧化硅介质层104厚度范围为600埃至1500埃，优选地，形成的掺氮氧化硅介质层104的厚度为700埃。
步骤S15，如图5所示，在掺氮氧化硅介质层104上依次形成多晶硅栅极层105、隔离层106和电极层107。
实验表明，相同总剂量辐射下，现有技术中以氧化硅作为介质层的功率场效应晶体管的阈值电压漂移为-2.1V至-2.3V，而本发明中以掺氮氧化硅作104为介质层的功率场效应晶体管100的阈值电压漂移为-1.2V至-1.5V，抗总剂量辐射能力明显提高。
此外，实验还表明，具有厚度为的普通氧化硅介质层的功率场效应晶体管的抗击穿电压为50-60V，而采用本发明提供的制备方法制备的功率场效应晶体管100的抗击穿电压为80-90V，抗击穿能力明显提升。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明的第二实施方式涉及一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管100，如图5所示，包括：硅基有源区101以及依次设置在硅基有源区101上的掺氮氧化硅介质层104、多晶硅栅极层105、隔离层106以及电极层107，掺氮氧化硅介质层104所含的氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3。
通过精确控制掺氮氧化硅介质层104所含的氮离子的剂量在1*1011cm-3至1*1013cm-3范围内，与现有技术中氧化硅作为介质层相比，掺氮氧化硅中的所含的氮离子能中和氧化硅中硅原子之间的不饱和键，减少不饱和键在总剂量辐射时对电子的俘获，从而减小总剂量辐射时功率场效应晶体管100的阈值电压漂移，以提高功率场效应晶体管100的抗总剂量辐射能力，从而使得功率场效应晶体管100的可靠性更好。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，包括：
提供具有硅基有源区的晶片、并氧化所述硅基有源区的表面形成遮蔽层；
经由所述遮蔽层向所述硅基有源区内注入氮离子形成掺氮硅区，注入的所述氮离子的离子束能量范围为50KeV至110KeV，注入的所述氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3；
除去所述遮蔽层；
氧化所述掺氮硅区形成凸出于所述硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层；
在所述掺氮氧化硅介质层上依次形成多晶硅栅极层、隔离层和电极层。
2.根据权利要求1所述的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，注入的所述氮离子的离子束能量为90KeV。
3.根据权利要求1所述的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，注入的所述氮离子的剂量为5*1012cm-3。
4.根据权利要求1所述的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，所述氧化所述掺氮硅区形成凸出于所述硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤，具体包括：
在氮气氛围中将待氧化的晶片装入高压炉内并密封所述高压炉；
先向所述高压炉内吹入干燥氧气5分钟，然后向所述高压炉内吹入水汽5分钟；
在水汽气氛中增压7.5分钟至8.5分钟；
在水汽气氛中降压3分钟至4分钟；
关闭水汽，并向所述高压炉内注入氮气以代替水汽；
在氮气气氛中退火7分钟后取出晶片，所述晶片表面形成有掺氮氧化硅介质层。
5.根据权利要求4所述的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，所述氧化所述掺氮硅区形成凸出于所述硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤中，氧化所述掺氮硅区的温度范围为650℃至850℃。
6.根据权利要求4所述的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，所述氧化所述掺氮硅区形成凸出于所述硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤中，氧化所述掺氮硅区施加的压力范围为0.5MPa至2MPa。
7.根据权利要求1至6任一项所述的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，所述氧化所述掺氮硅区形成凸出于所述硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤中，形成的所述掺氮氧化硅介质层厚度范围为600埃至1500埃。
8.根据权利要求7所述的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，所述氧化所述掺氮硅区形成凸出于所述硅基有源区表面的掺氮氧化硅介质层的步骤中，形成的所述掺氮氧化硅介质层的厚度为700埃。
9.根据权利要求1所述的抗总剂量辐射的功率场效应晶体管制造方法，其特征在于，所述提供具有硅基有源区的晶片、并氧化所述硅基有源区的表面形成遮蔽层的步骤中，形成的所述遮蔽层的厚度为200埃。
10.一种抗总剂量辐射的功率场效应晶体管，其特征在于，包括：硅基有源区以及依次设置在所述硅基有源区上的掺氮氧化硅介质层、多晶硅栅极层、隔离层以及电极层，所述掺氮氧化硅介质层所含的氮离子的剂量范围为1*1011cm-3至1*1013cm-3。
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