CN111627980A - 抗辐照双极器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
抗辐照双极器件的制备方法，涉及电子器件技术，本发明包括下述步骤：1)在N型衬底上生成厚牺牲层；2)厚牺牲层上光刻形成基极注入窗口，并由此窗口离子注入或扩散形成基区；3)掩膜下光刻出发射极注入窗口，由此离子注入或扩散形成发射区；4)掩膜下光刻并离子注入形成P+欧姆接触区，至此形成上表面覆盖有掩膜和厚牺牲氧化层的半导体区；5)去除掩膜和厚牺牲氧化层，在半导体区的上表面生长一厚度20～80nm的薄层抗辐射二氧化硅层；6)在发射区和间隔区的界面上方，沿二氧化硅层的上表面设置二氧化硅介质层和导电场板；7)分别设置连接基区、发射区和P+欧姆接触区的电极。在与现有技术同样的辐射环境下，本发明器件电流增益增加20％～30％。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件技术，属于空间环境效应、核科学与应用技术领域，更具体地，涉及一种基于抗辐射加固的双极晶体管器件及其制备方法。
背景技术
空间带电辐射粒子主要包括重离子、电子、质子及X射线等。这些带电粒子与晶体管器件发生相互作用，产生电离辐射效应、单粒子效应和位移辐射效应等。对于采用SiO2作为绝缘材料和钝化层的晶体管器件，在不同类型辐射粒子的作用下，会在氧化物层中产生大量电子—空穴对，因在氧化物中电子的迁移率远高于空穴。在电场的作用下，电子以很快的速度向电极终端漂移，而迁移率较低的正电荷被氧化物陷阱所捕获，形成正氧化物电荷。另外，空穴在二氧化硅层迁移过程中，会与含氢缺陷发生反应，释放氢离子。氢离子会逐渐输运到Si/SiO2界面，与Si-H键发生反应，H++Si-H→Si悬挂键+H2↑，进而造成界面态缺陷。氧化物俘获正电荷和界面态均会改变载流子的复合速率，对于双极型晶体管，氧化物俘获正电荷和界面态会增加双极晶体管基区的空间电荷区复合速率，导致基极电流增加，双极晶体管电流增益降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种抑制晶体管电离辐射效应，特别是总剂量辐射的抗辐射氧化层的结构。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，抗辐照双极器件的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)在N型衬底101上生成厚牺牲层102；
2)厚牺牲层102上光刻形成基极注入窗口，并由此窗口离子注入或扩散形成基区103，
3)掩膜下光刻出发射极注入窗口，由此离子注入或扩散形成发射区104；
4)掩膜下光刻并离子注入形成P+欧姆接触区106，至此形成上表面覆盖有掩膜和厚牺牲氧化层的半导体区；
5)去除掩膜和厚牺牲氧化层，在半导体区的上表面生长一厚度20～80nm 的薄层抗辐射二氧化硅层105；
6)在发射区和间隔区的界面上方，沿二氧化硅层105的上表面设置二氧化硅介质层108和导电场板107，导电场板107嵌入二氧化硅介质层108且平行于二氧化硅层105的上表面，所述间隔区为发射区和基区P+欧姆接触区106之间的基区；
7)分别设置连接基区、发射区104和P+欧姆接触区106的电极；
在步骤6)或步骤7)中，使导电场板107与发射区104形成导电连接。
进一步的，所述步骤6)中，导电场板107在半导体区上表面的投影与 P+欧姆接触区106、间隔区和发射区104皆有重叠部分。
进一步的，所述步骤6)中：首先刻蚀形成发射极孔112，然后制备形成导电场板并使导电场板与发射区104形成电连接。
或者，所述步骤6)为：首先在二氧化硅层105的上表面覆盖二氧化硅介质层108，然后在二氧化硅层105上刻蚀出导电场板位置槽和穿透薄层抗辐射二氧化硅层105的通孔，在通孔和导电场板位置槽内沉积金属，形成与发射区104构成导电连接的导电场板，所述导电场板位置槽位于发射区和间隔区的界面上方，所述间隔区为发射区和基区P+欧姆接触区106之间的基区。
或者，所述步骤6)为：在发射区和间隔区的界面上方，沿二氧化硅层 105的上表面设置一导电场板107，所述间隔区为发射区和基区P+欧姆接触区 106之间的基区，然后在设置有导电场板107的二氧化硅层105的上表面覆盖二氧化硅介质层108；
本发明所提出的抗辐射加固结构可以使双极晶体管器件在与现有技术同样的辐射环境下，器件电流增益增加20％～30％。
附图说明
图1(a)-1(k)示出了本发明的制造的一种抗电离辐射双极器的流程中部分阶段的截面图。
图1(l)-1(o)示出了本发明制造的一种抗电离辐射双极器的流程中部分阶段的可改进的方案的剖面图。
图2(a)示出了示出了根据本发明的一种抑制晶体管电离辐射效应，特别是总剂量辐射的抗辐照氧化层的抗辐射的原理示意图。
图2(b)-2(d)示出了根据本发明的制造的一种抑制晶体管总剂量辐射效应的二氧化硅薄膜的制备流程。
图3为另一种制备复合抗辐射二氧化硅层的方法。
图4为一种添加了P+环结构的抗辐射双极器件剖面图及对应的版图。
图5为一种添加了浓硼环的抗辐射加固的双极晶体管器件仿真结构图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明。但是，这些描述只是示范性的，而非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免和本发明的概念混淆。
在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/ 层。本发明采用“～”符号表示的数值范围均包含端值。
首先，衬底上热氧化生成厚的二氧化硅牺牲层(也可以称为注入扩散阻挡层)，光刻集电区，在衬底上形成第一种导电类型的集电区，再在集电区形成第二种导电类型的基区，再在基区形成更高浓度的第一种导电类型的发射区；然后，刻蚀掉二氧化硅牺牲层；生长一层薄的二氧化硅，可以是复合加固的二氧化硅，也可以是非复合加固的二氧化硅；在这层薄的二氧化硅层上，位于发射区-基区结的上方制备导电场板，可以是多晶硅也可以是金属，导电场板与发射极电位连接；溅射厚的二氧化硅介质层，分别刻蚀出发射极孔、基极、集电极孔，淀积金属，刻蚀完成金属电极的图形化，制备钝化层。前述“复合加固”是指在二氧化硅层和正电荷抑制层形成复合层结构，例如，在厚度为2～20nm 的第一二氧化硅层的上表面上生长正电荷抑制层，然后在正电荷抑制层上再生长一层厚度为15～50nm的第二二氧化硅层，正电荷抑制层材料为Al2O3，厚度为
总剂量辐射会在二氧化硅介质层中产生大量的会电子—空穴对，因在氧化物中电子的迁移率远高于空穴。在电场的作用下，电子以很快的速度向电极终端漂移，而迁移率较低的正电荷被氧化物陷阱所捕获，形成正氧化物电荷。本发明通过制备更薄的二氧化硅层或抗辐射二氧化硅层，减少辐射所形成的正氧化物电荷；同时研究表明位于二氧化硅介质层中的正氧化物电荷主要导致基区表面电流复合率增加，基极电流增加，所以通过在发射区基区结上添加导电场板，该场板与发射极具有相同的电位，该电位与基区电位总存在0.7V左右的电势差，从而降低辐射所捕获的正电荷对基区表面电流的影响，从而提高器件抗辐射的能力。
抗辐射二氧化硅层的制备可以采用以下两种方法：第一种，位于非常薄的 SiO2表面的单层Al-O键会引入受主态(Al-induced acceptor states)，捕获电子，从而在界面处产生负的固定电荷，Al-O键倾向于作为受主接受电子，在二氧化硅表面的Al键接受电子后产生电场，二氧化硅表面的正电荷通过电场的作用减小，从而降低二氧化硅的表面态Dit，达到了抗电离辐照的效果。具体流程见实施实例。
第二种方法可以采用复合结构的SiO2层，即先在硅表面热氧化生长一层薄的SiO2层，再采用CVD、LPCVD、PECVD等工艺溅射一层薄的二氧化硅或氮化硅，因为CVD、LPCVD、PECVD等工艺溅射的介质层含有一定的缺陷，而这些缺陷的存在有利于捕获辐射所造成的正电荷，有利于提高抗辐射性能。通常在Si 衬底界面存在许多断裂的硅键，采用热氧化生长SiO2层，将修复这些断裂的键，如果直接采用溅射的方法，Si/SiO2的界面态较差，影响器件性能。
另外，在制备场板时，可以采用三种不同的结构，第一种结构先刻蚀出发射极孔，金属溅射后，直接刻蚀出金属电极，该电极横跨发射区基区结延伸到部分基区，这种工艺只需要在层间介质层上开一个窗口，工艺更简单；第二种结构先在薄的二氧化硅层上淀积金属，刻蚀出独立的场板，再沉积层间介质二氧化硅层，刻蚀出发射极孔和场板孔，淀积刻蚀金属，实现场板与发射极的连接，这种电极连接方式可以增大集电极电阻，可以抵消掉由于基区低阻区而引起的基区电阻减小；第三种结合了改进结构1和改进结构2，既能减少工艺步骤，又能增大发射区电阻；导电场板跨接在发射区与基区表面，跨接范围可以是发射区与低浓度基区表面，也可以是跨接发射区、低浓度基区表面以及高浓度基区表面；场板材料为多晶硅或纯Al或掺杂Al或Ti/TiN或其他金属导电材料；导电场板与发射极相连，或导电场板接地或负电位。
在NPN管的基区形成P+欧姆接触区时，可以采用环形版图，形成基区表面的浓硼环，也有利于提高NPN管的抗辐射能力。同样，在PNP管基区形成n+ 欧姆接触区时，也可以采用环形版图，形成基区表面的浓硼环。
以下结合附图详细说明。
图1(a)-1(l)是示出了本发明的制造的一种抗电离辐射双极NPN晶体管的流程中部分阶段的截面图。如图1(a)所示，在N型衬底101上热氧化生成的厚牺牲层102。如图1(b)所示光刻出基极注入窗口，离子注入(或扩散)形成基区103，如图1(c)所示；如图1(d)所示，光刻出发射极注入窗口，离子注入(或扩散)形成发射区104，如图1(e)所示；如图1(f)所示光刻并离子注入形成基区P+欧姆接触区106；去除厚的牺牲氧化层，生长一薄层抗辐射二氧化硅层105，厚度20～80nm，如图1(g)所示，具体方法随后在图2中具体阐述。
图1(h)所示为，横跨基区低阻区和发射区形成导电场板107，场板107 可以采用CMOS的栅工艺形成的多晶硅，或者金属淀积的Al、TiN、Pt或其他金属层；场板107也可以跨接在发射极结和部分基区表面如图1(i)所示；采用 PECVD、或LPCVD淀积一层二氧化硅介质层108，如图1(j)所示；图1(k) 所示为进行发射极、基极、集电极接触孔的刻蚀及金属电极的电极及图形化；最后进行钝化层的淀积及引出点的图形化。器件最终结构如图1(k)所示，抗辐射层105可以减少空穴的累积，场板107可以加速空穴的漂移和复合，从而达到提高器件抗辐照能力的目的。场板的厚度优选为10nm～1000nm。
图1(l)-1(n)示出了本发明制造的一种抗电离辐射双极器的流程中部分阶段的可改进的方案的剖面图。
图1(1)所示为，在制备场板107前，先刻蚀出发射极孔112，溅射金属场板并完成场板107与发射极的连接，淀积层间介质二氧化硅108，进行发射极、基极、集电极接触孔及电极金属的图形化，该结构增加了一次刻孔工艺。
图1(m)所示为，在制备有抗辐射二氧化硅的器件表面上采用PECVD或 LPCVD电极厚的层间介质后发射极孔的刻蚀分别采用大小不同的两个图形121、 122光刻刻蚀，如图1(n)所示沉积金属电极，一次性完成场板与发射极电极的制备与连接，该工艺和结构更简单使用，只需要增加一次光刻刻蚀。
图1(o)为没有制备抗辐射二氧化硅层，而直接淀积二氧化硅层间介质层108后，采用如图1(m)同样的工艺完成包含有场板与发射极电极集成的抗辐射加固结构。
图2(a)所示为双极器件总剂量辐射原理图，如图所示，总剂量辐射会在二氧化硅介质层中产生大量的会电子—空穴对，因在氧化物中电子的迁移率远高于空穴。在电场的作用下，电子以很快的速度向电极终端漂移，而迁移率较低的正电荷被氧化物陷阱所捕获，形成正氧化物电荷。正氧化物电荷量跟二氧化硅的厚度及结构有关，减薄二氧化硅层厚度，或采用抗辐射加固的二氧化硅制备方法可有效降低总剂量辐射所引起的正氧化物电荷。
图2(b)-2(d)示出了根据本发明的制造一种抑制晶体管电离辐射效应，特别是总剂量辐射的抗辐照氧化层的流程中部分阶段的截面图；
如图2(b)所示，首先采用RCA清洗硅片101后，在HF清洗液中快速漂洗一下，去离子水冲洗后，甩干，快速热氧化方法生长超薄氧化层202，材料为 SiO2(厚度2～20nm)；接着，如图2(c)所示，在超薄氧化层上生长正电荷抑制层 203，材料为Al2O3，具体地，可以采用ALD的方法生长(1～10周期)的Al2O3(厚度
)，或采用溅射的方法溅射一层Al(厚度
)自然氧化；
接着，如图2(d)所示，在正电荷抑制层203上生长氧化层204，材料为SiO2，具体地采用PECVD方法生长SiO2(厚度15～50nm)。然后在纯Ar气氛中900℃快速退火30s，使Al形成受主态。在纯H2气氛中400℃退火1小时，形成H 钝化层。最终形成的结构为抗辐照氧化层结构105。
图3所示为一种复合结构的抗辐射加固二氧化硅层，先在硅表面热氧化生长一层薄的SiO2层302(厚度为20～50nm)，再采用CVD、LPCVD、PECVD等工艺溅射一层薄的二氧化硅303(厚度为50～500nm)，因为CVD、LPCVD、PECVD 等工艺溅射的二氧化硅含有一定的缺陷，而这些缺陷的存在有利于捕获辐射所造成的正电荷，有利于提高抗辐射性能。通常在Si衬底界面存在许多断裂的硅键，采用热氧化生长SiO2层，将修复这些断裂的键，如果直接采用溅射的方法， Si/SiO2的界面态较差，影响器件性能。
图4所示为一种采用浓硼环的基区结构，上方为剖面图，下方为版图，这种结构可以与图1(l)-图1(o)器件结构相结合，通过提高双极晶体管基区表面浓度，降低表面二氧化硅层捕获的正氧化物电荷对基区表面复合率的影响，提高器件的抗总剂量能力，添加浓硼环的器件仿真结构图如图5所示。
Claims (5)
1.抗辐照双极器件的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)在N型衬底(101)上生成厚牺牲层(102)；
2)厚牺牲层(102)上光刻形成基极注入窗口，并由此窗口离子注入或扩散形成基区(103)；
3)掩膜下光刻出发射极注入窗口，由此离子注入或扩散形成发射区(104)；
4)掩膜下光刻并离子注入形成P+欧姆接触区(106)，至此形成上表面覆盖有掩膜和厚牺牲氧化层的半导体区；
5)去除掩膜和厚牺牲氧化层，在半导体区的上表面生长一厚度20～80nm的薄层抗辐射二氧化硅层(105)；
6)在发射区和间隔区的界面上方，沿二氧化硅层(105)的上表面设置二氧化硅介质层(108)和导电场板(107)，导电场板(107)嵌入二氧化硅介质层(108)且平行于二氧化硅层(105)的上表面，所述间隔区为发射区和基区P+欧姆接触区(106)之间的基区；
7)分别设置连接基区、发射区(104)和P+欧姆接触区(106)的电极；
在步骤6)或步骤7)中，使导电场板(107)与发射区(104)形成导电连接。
2.如权利要求1所述的抗辐照双极器件的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中，导电场板(107)在半导体区上表面的投影与P+欧姆接触区(106)、间隔区和发射区(104)皆有重叠部分。
3.如权利要求1或2所述的抗辐照双极器件的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中：首先刻蚀形成发射极孔(112)，然后制备形成导电场板并使导电场板与发射区(104)形成电连接。
4.如权利要求1或2所述的抗辐照双极器件的制备方法，其特征在于，所述步骤6)为：首先在二氧化硅层(105)的上表面覆盖二氧化硅介质层(108)，然后在二氧化硅层(105)上刻蚀出导电场板位置槽和穿透薄层抗辐射二氧化硅层(105)的通孔，在通孔和导电场板位置槽内沉积金属，形成与发射区(104)构成导电连接的导电场板，所述导电场板位置槽位于发射区和间隔区的界面上方，所述间隔区为发射区和基区P+欧姆接触区(106)之间的基区。
5.如权利要求1或2所述的抗辐照双极器件的制备方法，其特征在于，所述步骤6)为：
在发射区和间隔区的界面上方，沿二氧化硅层(105)的上表面设置一导电场板(107)，所述间隔区为发射区和基区P+欧姆接触区(106)之间的基区，然后在设置有导电场板(107)的二氧化硅层(105)的上表面覆盖二氧化硅介质层(108)。
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