CN109712873B - 基于深层离子注入方式的mos场效应管抗位移辐照加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法涉及半导体器件领域，目的是为了克服MOS型器件易受总剂量辐射损伤导致MOS型器件抗辐照能力低下的问题，具体步骤为计算离子源电压值V、离子束电流值I、离子注入深度D和离子注入时间t，并向MOS场效应管的栅极氧化层注入离子。本发明通过离子注入的方式，在MOS场效应管的栅极氧化层内人为地引入缺陷陷阱，可以对由总剂量辐射效应造成的电子空穴对产生复合作用，并对器件内部由于总剂量辐射缺陷所产生的电场产生补偿作用，从而提高MOS场效应管的抗辐照能力。能大幅度降低总剂量辐照诱导的氧化物俘获正电荷和界面态影响，可以增强MOS器件的抗辐照性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及采用离子注入方式对MOS场效应管进行处理的方法。
背景技术
MOS型器件是航天器关键系统中应用最广泛的电子器件之一。空间辐照效应中对MOS型器件影响最严重的辐射损伤是总剂量辐射损伤。总剂量辐射效应主要会令MOS器件的氧化层中产生电子空穴对，生成氧化物俘获正电荷，以及令空穴在氧化层输运过程中释放H+，在氧化层与体材料界面处形成界面态。
而MOS型器件表面的氧化物俘获正电荷和界面态会使得器件的抗辐照能力减弱，也会导致MOS器件的内部电场产生变化，进而影响MOS器件的电学特性。总之，能够产生总剂量损伤的带电粒子辐照注量越大，在材料内形成的电子空穴对浓度越大，造成的器件性能退化也就更加严重，从而减少电子器件的使用寿命，导致电子器件的异常或失灵，甚至导致航天器发生灾难性的事故。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有MOS型器件易受总剂量辐射损伤导致MOS器件抗辐照能力低下的问题，提供了一种基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法。
本发明的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，具体步骤如下：
步骤一、根据MOS场效应管的结构参数，确定需注入所述MOS场效应管的离子类型和离子注入深度D，并计算离子源电压值V；
步骤二、计算离子注入量Ф，所述离子注入量Ф满足如下条件：
根据离子注入量Ф向MOS场效应管注入离子后，能够使MOS场效应管的输出、转移特性变化量分别小于未注入离子时输出、转移特性的5％～15％；
步骤三、根据所述离子注入量Ф确定离子注入时间t，并计算离子束电流值I：其中，所述离子注入时间t为300s～3000s；
步骤四、根据所述离子源电压值V、离子束电流值I、离子注入深度D和离子注入时间t，向MOS场效应管的栅极氧化层注入离子。
本发明的有益效果是：
本发明通过离子注入的方式，在MOS场效应管的栅极氧化层内人为地引入缺陷陷阱，可以对由总剂量辐射效应造成的电子空穴对产生复合作用，并对器件内部由于总剂量辐射缺陷所产生的电场产生补偿作用，从而提高MOS场效应管的抗辐照能力。能大幅度降低总剂量辐照诱导的氧化物俘获正电荷和界面态影响，可以增强MOS器件的抗辐照性能。在相同的辐照剂量条件下，与未采用本发明的MOS场效应管抗位移辐照加固方法进行处理的碳化硅MOS场效应管相比抗辐照能力提高约3～5倍。
附图说明
图1为本发明的MOS场效应管抗位移辐照加固方法的流程图；
图2为本发明MOS场效应管抗位移辐照加固方法中向MOS场效应管的栅极氧化层注入离子的示意图；
图2中，a为栅电极，b为栅极氧化层，c为源区，d为漏区，e为衬底层，箭头方向为离子注入方向；
图3为具体实施方式七和具体实施方式八中碳化硅MOS场效应管的抗辐照能力对比示意图；
图3中，横坐标为碳化硅MOS场效应管输出特性变化量归一化结果，纵坐标为碳化硅MOS场效应管在Si离子辐照源下的辐射吸收剂量(单位rad)；方块点连接折线为未采用本发明方法进行抗辐照加固的碳化硅MOS场效应管抗辐照能力曲线；圆点连接折线为采用采用本发明方法进行抗辐照加固的碳化硅MOS场效应管抗辐照能力曲线。
具体实施方式
具体实施方式一
本发明所涉及的一种基于离子注入方式的SiC MOS型场效应管抗辐照加固方法，在不明显影响器件的电性能参数情况下，在完成氧化层工序后，可基于离子注入技术途径进行氧化层离子注入，形成可俘获总剂量辐射缺陷的陷阱，最终提高SiC MOS型器件的抗辐照能力。具体的技术途径为，首先通过SRIM和TCAD软件进行模拟仿真，以确定注入离子的种类、能量、射程与注量，再进行离子注入。入射离子选用Si和O离子，选用上述离子可有效的形成总剂量辐射缺陷的俘获陷阱，可有效的降低辐射缺陷的密度，同时还可以避免改变SiCMOS场效应管内部的掺杂类型和浓度。通过氧化层内的离子注入方式，可以减小氧化物俘获正电荷和界面态对器件性能的影响，从而提高SiC MOS型器件的抗辐照能力。
本发明采用现有的SRIM软件和TCAD软件，对MOS场效应管进行性能仿真，有效地缩短了参数的确定时间与程序，能够快速的确定离子注入所需参数。
本发明的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，具体步骤如下：
步骤一、根据MOS场效应管的结构参数，确定需注入MOS场效应管的离子类型和离子注入深度D，并计算离子源电压值V(单位为V)；
步骤二、计算离子注入量Ф，离子注入量Ф满足如下条件：
根据离子注入量Ф向MOS场效应管注入离子后，能够使MOS场效应管的输出、转移特性变化量分别小于未注入离子时输出特性、转移特性的5％～15％；
采用TCAD软件模拟仿真MOS场效应管电学特性变化以及氧化层内部缺陷信息，电学特性变化包括输出特性变化及转移特性变化，通过模拟改变MOS场效应管的离子注入量Ф，使得在TCAD软件模拟仿真中，MOS场效应管的输出特性变化量及转移特性变化量小于未注入离子时MOS场效应管输出及转移特性的5％～15％，记录此时的离子注入量Ф(单位为ions/cm2)。
作为优选，上述的MOS场效应管的输出特性变化量及转移特性变化量分别小于未注入离子时MOS场效应管输出特性及转移特性的10％，此时的离子注入量Ф可视为最优离子注入量。
TCAD软件，全称为Technology ComputerAided Design，半导体工艺模拟以及器件模拟工具，该软件的发行商为美国Silvaco公司。其作用是通过设定器件的结构参数、加工工艺、外界条件等参数，来模拟器件的电性能及内部状态。
步骤三、根据离子注入量Ф确定离子注入时间t，并计算离子束电流值I：其中，离子注入时间t为300s～3000s；
离子注入时间t即离子注入机对MOS场效应管进行离子注入时的运行时间，又称为辐照时间。可通过均衡考虑来确定电流和时间的具体数值，通常离子注入时间应大于300s，以控制注入量误差；由于不同的离子注入机具有不同的工作电流范围，因此可以通过改变离子注入时间t来使得离子束电流值I处于离子注入机的工作电流范围，时间通常应控制在300s分钟至3000s之间，满足最终的离子注入量即可。
步骤四、根据离子源电压值V、离子束电流值I、离子注入深度D和离子注入时间t，向MOS场效应管的栅极氧化层注入离子。
利用上述步骤确定的离子源电压值V、离子束电流值I和离子注入时间t等参数对离子注入机进行设置后，对MOS场效应管进行离子注入。
如图2所示，a为栅电极，b为栅极氧化层，c为源区，d为漏区，e为衬底层，箭头方向为离子注入方向。离子从外部注入到MOS场效应管的栅极氧化层。
具体实施方式二
本具体实施方式二与具体实施方式一的区别在于，离子注入深度D为MOS场效应管的栅极氧化层中央。
需要事先测量栅极氧化层的厚度，然后取得栅极氧化层中央的位置数据。
具体实施方式三
本具体实施方式三与具体实施方式二的区别在于，步骤二中，
MOS场效应管的转移特性为：栅源电压为5V下的漏极电流；
MOS场效应管的输出特性为：栅源电压为10V下的饱和漏极电流；
MOS场效应管的转移特性为漏极电流和栅源电压之间的关系，为了方便，本具体实施方式中选择栅源电压为5V下的漏极电流；
MOS场效应管的输出特性为不同栅源电压下，漏极电流与漏源电压之间的关系，随着漏源电压的升高，漏极电流具有饱和趋势，为了方便，本具体实施方式中选择栅源电压为10V下的饱和漏极电流。
因此，MOS场效应管的转移特性变化量为：MOS场效应管注入离子后，栅源电压为5V下的漏极电流相对于未注入离子时漏极电流的变化量；
MOS场效应管的输出特性变化量为：MOS场效应管注入离子后，栅源电压为10V下的饱和漏极电流相对于未注入离子时饱和漏极电流的变化量。
具体实施方式四
本具体实施方式四与具体实施方式二或三的区别在于，步骤一包括：
步骤一一、根据MOS场效应管的结构参数、离子类型以及离子注入深度D，计算离子束的离子能量E；
利用MOS场效应管的结构参数，采用SRIM软件模拟仿真获得注入MOS场效应管的离子的离子能量E和射程信息，其中射程对应为离子注入MOS场效应管的离子注入深度D，这个离子注入深度D是需要事先确定一个值，通过SRIM软件选择入射离子(需注入MOS场效应管的离子类型)和靶成分(通过MOS场效应管本身得知)后。SRIM软件会生成一个表格，表格中包含有不同射程(离子注入深度D)所对应的离子能量E，进而选择与预先确定离子注入深度D对应的离子能量E(单位为eV)。
SRIM软件，全称The Stopping and Range ofIons in Matter，由James Ziegler编制，是国际上常用的粒子与材料交互作用模拟软件。该软件为开源软件，即公开源代码。其作用是模拟粒子在材料中的运动及作用方式，可以计算粒子在材料中的能量损失、射程、碰撞截面等信息。
步骤一二，利用下述公式计算离子源电压值V：
其中，C为单位离子电荷数，由离子类型确定。
单位离子电荷数即单位个离子所带电荷数量，例如单位Si4+离子带有四个电荷，即C＝4。
具体实施方式五
本具体实施方式五与具体实施方式四的区别在于，步骤三中，利用下述公式计算离子束电流值I：
其中，q为单位电荷电量。
具体实施方式六
本具体实施方式六与具体实施方式一的区别在于，还包括，
步骤五、对完成离子注入的MOS场效应管进行退火处理。
具体实施方式七
本具体实施方式七与具体实施方式一、二、三、五或六的区别在于，MOS场效应管为碳化硅MOS场效应管。
碳化硅为第三代半导体材料中的一种材料，目前为抗辐射领域的研究热点。碳化硅材料的宽禁带和高的原子临界位移能决定了其器件具有强的抗电磁波冲击和高的抗辐射破坏的能力。碳化硅器件的结构参数能进一步优化，其抗辐照能力有望再得到提高。因此本发明就是对碳化硅MOS场效应管的结构参数进一步优化。
如图3所示，图3为碳化硅MOS场效应管的抗辐照能力对比示意图，横坐标为碳化硅MOS场效应管输出特性变化量归一化结果，纵坐标为碳化硅MOS场效应管在Si离子辐照源下的辐射吸收剂量(单位rad)；方块点连接折线为未采用本发明方法进行抗辐照加固的碳化硅MOS场效应管抗辐照能力曲线；圆点连接折线为采用采用本发明方法进行抗辐照加固的碳化硅MOS场效应管抗辐照能力曲线。
本实施例中，采用本发明方法对碳化硅MOS场效应管进行抗辐照加固，并将加固后的碳化硅MOS场效应管与未进行抗辐照加固的碳化硅MOS场效应管同时进行辐照对比。
上述对比方式具体为，选用Si离子辐照源，剂量率为1rad/s，总剂量为100krad，选择100krad处，碳化硅MOS场效应管的输出特性变化量归一化结果(栅压为10V下的饱和电流)作为抗辐射能力判据。由图3可见，与未经过本发明方法进行抗辐照加固的碳化硅MOS场效应管相比，经过本发明方法进行抗辐照加固的碳化硅MOS场效应管抗辐照能力提高约3.9倍。
具体实施方式八
本具体实施方式八与具体实施方式七的区别在于，需注入MOS场效应管的离子类型为硅离子、氧离子或混合离子，混合离子由硅离子和氧离子混合而成。
当MOS场效应管为碳化硅MOS场效应管时，注入离子类型可以为硅离子或碳离子，以避免改变碳化硅MOS场效应管内部的掺杂类型和浓度；其中，硅离子和碳离子可以是所有种类的硅离子和碳离子，即单位离子电荷数一般为1～4的硅离子和单位离子电荷数一般为1～2的碳离子。并且，硅离子和碳离子可以在对同一个碳化硅MOS场效应管处理时混用。
具体实施方式九
本具体实施方式九与具体实施方式八的区别在于，MOS场效应管的结构参数为各结构的尺寸、材料类型、密度和掺杂浓度；各结构包括钝化层，栅极区，栅极氧化层，源区，漏区和衬底层。
其中，尺寸包括长、宽、高的值。
具体实施方式十
本具体实施方式十与具体实施方式七的区别在于，步骤五中，退火温度为800℃～100℃，退火时间为1min～3min。退火处理后完成基于深层离子注入方式的碳化硅MOS场效应管抗位移辐照加固工艺流程。
本发明方法保留了传统的MOS工艺技术，仅增加了后续的离子注入环节，既可用于对现有的MOS场效应管进行抗辐照加固，也可以MOS场效应管的生产过程中进行，直接生产出具有抗辐照性能的MOS场效应管，优化了MOS场效应管的抗辐照性能。制造工艺步骤简单。
Claims (8)
1.基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、根据MOS场效应管的结构参数，确定需注入所述MOS场效应管的离子类型和离子注入深度D，并计算离子源电压值V；
所述MOS场效应管的结构参数为各结构的尺寸、材料类型、密度和掺杂浓度；所述各结构包括钝化层，栅极区，栅极氧化层，源区，漏区和衬底层；
步骤二、计算离子注入量Ф，所述离子注入量Ф满足如下条件：
根据离子注入量Ф向MOS场效应管注入离子后，能够使MOS场效应管的输出、转移特性变化量分别小于未注入离子时输出、转移特性的5％～15％；
MOS场效应管的转移特性为：栅源电压为5V下的漏极电流；
MOS场效应管的输出特性为：栅源电压为10V下的饱和漏极电流；
所述MOS场效应管的转移特性变化量为：MOS场效应管注入离子后，栅源电压为5V下的漏极电流相对于未注入离子时漏极电流的变化量；
所述MOS场效应管的输出特性变化量为：MOS场效应管注入离子后，栅源电压为10V下的饱和漏极电流相对于未注入离子时饱和漏极电流的变化量；
步骤三、根据所述离子注入量Ф确定离子注入时间t，并计算离子束电流值I：其中，所述离子注入时间t为300s～3000s；
步骤四、根据所述离子源电压值V、离子束电流值I、离子注入深度D和离子注入时间t，向MOS场效应管的栅极氧化层注入离子。
2.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，其特征在于，所述离子注入深度D为MOS场效应管的栅极氧化层中央。
3.根据权利要求2所述的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，其特征在于，步骤一包括：
步骤一一、根据所述MOS场效应管的结构参数、离子类型以及离子注入深度D，计算离子束的离子能量E；
步骤一二，利用下述公式计算离子源电压值V：
其中，C为单位离子电荷数，由所述离子类型确定。
4.根据权利要求3所述的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，其特征在于，步骤三中，利用下述公式计算所述离子束电流值I：
其中，q为单位电荷电量。
5.根据权利要求1所述的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，其特征在于，还包括，
步骤五、对完成离子注入的所述MOS场效应管进行退火处理。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，其特征在于，所述MOS场效应管为碳化硅MOS场效应管。
7.根据权利要求6所述的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，其特征在于，需注入MOS场效应管的离子类型为硅离子、氧离子或混合离子，所述混合离子由硅离子和氧离子混合而成。
8.根据权利要求5所述的基于深层离子注入方式的MOS场效应管抗位移辐照加固方法，其特征在于，步骤五中，退火温度为800℃～100℃，退火时间为1min～3min。
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