CN111863941A - 一种抗辐射vdmos器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抗辐射VDMOS器件及其制备方法。所述抗辐射VDMOS器件的制备方法包括：在完成VDMOS器件的源极接触孔刻蚀后，向肼区内多次注入或扩散重金属离子，在所述肼区内形成重金属离子注入或扩散区，且所述重金属离子注入或扩散区的掺杂浓度自远离衬底一侧向靠近所述衬底一侧递减。本发明通过对外延层进行多次重金属离子注入或扩散，增加外延层辐射诱导电子空穴对的复合率，减少在高电场下电荷的收集效率，提升功率器件的抗单粒子烧毁能力，同时还能够保证VDMOS器件本身的高性能指标。另外，本发明与常规的功率VDMOS器件的制备方法工艺上兼容，步骤简单，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，具体而言，涉及一种抗辐射VDMOS器件及其制备方法。
背景技术
随着电子器件的广泛应用以及人类空间活动的日益扩展，空间环境和核辐射环境对电子器件影响的重要性也日益突显。空间环境和核辐射环境是诱发装备出现异常和故障的重要原因。其中，以辐射环境对装备的影响最为突出。入射粒子可以穿透装备外部防护结构，在舱内电子元器件中产生电离辐射损伤、位移辐射损伤、单粒子事件和内部充放电等效应。这些效应都会引起电子元器件性能退化或失效，在严重情况下甚至导致装备发生故障。
功率VDMOS器件是辐射环境中广泛应用的一类电子器件。在辐射环境作用下，功率VDMOS器件会产生多种复杂的辐射损伤效应，如单粒子效应、电离效应、位移效应、电离/位移协同效应等，导致功率VDMOS器件成为装备电子系统的损伤敏感部位。而装备服役出现故障乃至事故,实际上总是源于“短板效应”，与关键敏感器件或材料受到损伤密切相关，功率VDMOS器件受到损失，将直接影响装备的寿命和可靠性，因此，研究VDMOS功率器件的辐射效应并设计相应的抗辐射器件生产工艺流程意义重大。
抗辐射加固是指对各类辐射效应与辐射损伤，通过一系列的结构、电路、版图级的优化设计，使整个系统能尽可能回避辐射带来的危害或将辐射损伤控制在可接受范围内。考虑到辐射环境的复杂性，抗辐射加固的手段也十分多样，包括针对个别效应的加固措施、适用于各类辐射场合的通用抗辐射加固方法、防范于未然的辐射屏蔽、亡羊补牢式的装备自检措施等。但目前针对功率VDMOS器件的抗辐射加固尤其是抗单粒子烧毁能力的提高有限，且会一定程度上影响功率VDMOS器件本身的性能指标。
发明内容
本发明解决的问题是如何有效提高辐射环境中功率VDMOS器件的抗单粒子烧毁能力，且能够保证功率VDMOS器件自身性能指标。
为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种抗辐射VDMOS器件的制备方法，包括：在完成VDMOS器件的源极接触孔刻蚀后，通过所述源极接触孔向肼区内多次注入或扩散重金属离子，在所述肼区内形成重金属离子注入或扩散区，且所述重金属离子注入或扩散区的掺杂浓度自远离衬底一侧向靠近所述衬底一侧递减。
较佳地，向所述肼区内注入或扩散所述重金属离子的次数为2-5次。
较佳地，每次注入或扩散的所述重金属离子的浓度为1e17cm-2-1e20cm-2。
较佳地，所述重金属离子在所述肼区内的分布形式为圆锥、圆柱、正方体或长方体。
较佳地，所述重金属离子注入或扩散区的截面形状为圆形、圆环形、长方形、正方形或梯形。
较佳地，每次注入所述重金属离子后还进行退火激活处理，其中退火气氛包括N2、O2和H2中的至少一种，退火温度为800℃-1300℃，退火时间为2min-200min。
较佳地，每次注入或扩散所述重金属离子前还进行光刻处理，以刻蚀出源区接触区。
较佳地，所述重金属离子包括金离子、铜离子和铂离子中的至少一种。
本发明提供的抗辐射VDMOS器件的制备方法相比现有技术具有的有益效果如下：
本发明通过对外延层进行多次重金属离子注入或扩散，由于重金属离子杂质为深能级杂质，可以产生复合中心，进而增加外延层辐射诱导电子空穴对的复合率，减少在高电场下电荷的收集效率，也即将入射的高能粒子在器件内产生的瞬间大电流导出功率器件，从而提升功率器件的抗单粒子烧毁能力，同时还能够保证VDMOS器件本身的高性能指标。另外，本发明与常规的功率VDMOS器件的制备方法工艺上兼容，步骤简单，易于操作。
本发明还提供一种抗辐射VDMOS器件，采用如上所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法制成。
较佳地，抗辐射VDMOS器件包括衬底、形成于所述衬底上的外延层、形成于所述外延层内且靠近所述外延层上表面设置的肼区以及形成于所述肼区内且靠近所述外延层上表面两侧的源区，还包括形成于所述肼区内的重金属离子注入或扩散区。
本发明提供的抗辐射VDMOS器件相比现有技术具有的有益效果与抗辐射VDMOS器件的制备方法相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例中VDMOS器件刻蚀出源区接触区的截面结构示意图；
图2为本发明实施例中VDMOS器件中一次注入重金属离子的截面结构示意图；
图3为本发明实施例中VDMOS器件中二次注入重金属离子的截面结构示意图；
图4为本发明实施例中VDMOS器件中三次注入重金属离子的截面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供一种抗辐射VDMOS器件的制备方法，包括：在完成VDMOS器件的源极接触孔刻蚀后，通过源极接触孔向肼区内多次注入或扩散重金属离子，在肼区内形成重金属离子注入或扩散区，且重金属离子注入或扩散区的掺杂浓度自远离衬底一侧向靠近衬底一侧递减。其中，重金属离子包括金离子(Au)、铜离子(Cu)和铂离子(Pt)等中的至少一种。
本实施例在刻蚀源极接触孔之前采用功率VDMOS器件的的常规制作工艺在衬底上分别形成外延层、肼区、源区等。其中，衬底可以为P型或N型，肼区位于外延层中，且靠近外延层的上表面设置。源区位于肼区中，且靠近外延层的上表面设置。如图1所示为其中一种实施方式，提供N型衬底，在N型衬底上形成N型外延层，在N型外延层上注入掺杂P型离子，形成P型肼区，在P型肼区上表面两侧注入掺杂N型离子，进行退火后形成N型源区，刻蚀出源极接触孔后，向P型肼区内注入或扩散重金属离子，形成重金属离子注入或扩散区。在肼区内注入或扩散重金属离子后，在外延层上分别形成源极、漏极和栅极，完成VDMOS器件的制备，其中在制备重金属离子注入或扩散区前后的步骤均为现有技术，在此不再赘述。
VDMOS器件一般用于航天器电源系统，而航天器是在太空中运行的，太空中各种高能粒子、宇宙射线等辐射对VDMOS器件均会造成损伤，辐射环境对VDMOS器件可能产生的辐照效应主要包括单粒子烧毁，单粒子栅击穿等，其中单粒子烧毁效应是在电场辐照条件下，太空中的高能粒子入射到VDMOS器件中，并在VDMOS器件中沿着粒子轨迹产生大量的电子空穴对，在飘移和扩散效应的作用下，空穴进入固有寄生管的发射极，电子流向集电极形成瞬态电流，当集电极与发射极之间的电压高于寄生管的击穿电压时，寄生管的集电极电流发生雪崩倍增，造成器件烧毁。
本实施例在制备VDMOS器件时，向肼区内注入或扩散重金属离子杂质，当重金属离子杂质进入外延层中，会在外延层半导体的能带中产生新的缺陷能级，大量的缺陷能级成为电子空穴对的复合中心，且能级是位于禁带中央附近的深能级，为有效的复合中心，对辐射诱导产生的电子和空穴起到复合作用，减小电荷的收集影响，降低辐照电流，将太空中入射的高能粒子在器件内产生的瞬间大电流导出器件。另外，本实施例通过对重金属离子杂质进行多重注入或扩散，使得在肼区内形成自远离衬底一侧至靠近衬底一侧递减的浓度分布，如此，后续制备出漏极电极后，重金属离子注入或扩散区中掺杂浓度分布最大的区域远离电极，避免重金属离子杂质作为复合中心复合电子或空穴时集中在电极附近，对器件整体性能影响较大。因此本实施例既保证了VDMOS器件本身的高性能指标，又能够有效提升VDMOS器件的抗单粒子烧毁能力，达到减缓VDMOS器件辐射损伤的目的。
本实施例通过针对外延层进行多次重金属离子注入或扩散，有效增加了外延层辐射诱导电子空穴对的复合率，减少在高电场下电荷的收集效率，有力提升功率器件的抗单粒子烧毁能力。并且本实施例注入或扩散的重金属离子作为半导体器件制造中常见的金属，与半导体器件的制造工艺具有很好的工艺兼容性，因此是一种易于实施和实现的工艺加固技术。另外，本实施例与常规的功率VDMOS器件的制备方法兼容，步骤简单，易于操作。通过本实施例提供的方法制备的VDMOS器件能够大幅度提升晶体管的抗辐射能力，对材料和器件空间与核辐射环境效应地面模拟应用和研究具有重大意义，在空间与核辐射环境效应研究与抗辐射加固技术应用中，具有明显的优势。
进一步地，重金属离子注入或扩散区的形成具体包括：在源极接触孔上通过注入、扩散、物理气相淀积、化学气相淀积、磁控溅射方法等方法多次将重金属离子注入或扩散于肼区内，并在每次注入重金属离子后退火激活。
其中，重金属离子注入或扩散次数为2-5次，优选为5次。根据重金属离子注入或扩散的次数，在重金属离子注入或扩散区内形成不同的浓度梯度，各浓度梯度之间的浓度差值越小越有利于复合作用，以降低电荷收集效率。
每次注入或扩散的重金属离子浓度为1e17cm-2-1e20cm-2，当然也可以小于1e17cm-2或者大于1e20cm-2，这主要与器件的类型有关，对于电流比较大的器件，每次注入或扩散量相对较大一些，对于电流比较小的器件，每次注入或扩散量相对较小一些，本实施例只是给出大部分器件每次注入或扩散的量在1e17cm-2-1e20cm-2。
每次注入或扩散的重金属离子的深度可以不超过肼区，但是对于有些肼区比较薄的器件，比如高频管，注入或扩散深度不易控制，注入或扩散深度也可以超过肼区。
重金属离子杂质在肼区内的分布形式可以为圆锥、圆柱、正方体或长方体，重金属离子注入或扩散区的截面形状可以为圆形、圆环形、长方形、正方形或梯形。例如，重金属离子杂质在肼区内呈圆柱形或圆锥形分布时，重金属离子注入或扩散区的截面形状为圆形，重金属离子杂质在肼区内呈长方体分布时，重金属离子注入或扩散区的截面形状为长方形。通过调节注入或扩散的重金属离子的能量，可以改变重金属离子杂质在肼区内的分布形式。优选地，重金属离子在肼区内的分布形式为倒圆锥形，如此，重金属离子注入或扩散区内远离衬底一侧的掺杂浓度最大，靠近衬底一侧的掺杂浓度最小，即重金属离子杂质不会集中在电极附近，避免对器件的性能造成影响。
注入或扩散的重金属离子杂质类型可以相同也可以不同，考虑到工艺的复杂性，一般情况下，采用同一种离子杂质进行注入或扩散，但当需要注入或扩散出比如倒圆锥形状的分布形式时，可以采用多种离子杂质进行注入或扩散。
每次注入重金属离子后退火激活时，退火气氛包括N2、O2和H2中的至少一种，退火温度为800℃-1300℃，退火时间为2min-200min。
进一步地，在每一次注入或扩散重金属离子前，还需要对器件进行光刻处理，刻蚀出源区接触区，刻蚀方式可以为干法刻蚀、湿法刻蚀或等离子体刻蚀。
下面通过具体实施方式进行详细说明。
实施例1
如图1、2所示，在完成VDMOS器件的源极接触孔刻蚀后，在源极接触孔上通过磁控溅射方法向肼区内扩散重金属离子杂质，扩散浓度为1e18cm-2，扩散深度为肼区的4/5，注入的重金属离子为Au；
进行一次退火处理和一次光刻处理，其中退火气氛为N2，退火温度为1000℃，退火时间为50min；
如图3所示，通过磁控溅射方法向肼区内二次扩散重金属离子杂质，扩散浓度1e18cm-2，扩散深度为阱区的2/5，注入重金属离子为Au；
进行二次退火处理和二次光刻处理，其中，退火气氛为N2，退火温度为1000℃，退火时间为50min；
如图4所示，通过磁控溅射方法向肼区内三次扩散重金属离子杂质，扩散浓度1e18cm-2，扩散深度为阱区内1μm，注入的重金属离子为Au；
进行三次退火处理和三次光刻处理，刻蚀出整个源区接触区，其中，退火气氛为N2，退火温度为1000℃，退火时间为50min。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，注入或扩散重金属离子的次数为5次。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，注入或扩散重金属离子的浓度为1e20cm-2。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，注入或扩散重金属离子的浓度为1e17cm-2。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，注入或扩散重金属离子的浓度小于1e17cm-2。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于，每次注入或扩散重金属离子的深度为肼区内的1μm。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种抗辐射VDMOS器件的制备方法，其特征在于，包括：在完成VDMOS器件的源极接触孔刻蚀后，通过所述源极接触孔向肼区内多次注入或扩散重金属离子，在所述肼区内形成重金属离子注入或扩散区，且所述重金属离子注入或扩散区的掺杂浓度自远离衬底一侧向靠近所述衬底一侧递减。
2.根据权利要求1所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法，其特征在于，向所述肼区内注入或扩散所述重金属离子的次数为2-5次。
3.根据权利要求1所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法，其特征在于，每次注入或扩散的所述重金属离子的浓度为1e17cm-2-1e20cm-2。
4.根据权利要求1所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法，其特征在于，所述重金属离子在所述肼区内的分布形式为圆锥、圆柱、正方体或长方体。
5.根据权利要求1所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法，其特征在于，所述重金属离子注入或扩散区的截面形状为圆形、圆环形、长方形、正方形或梯形。
6.根据权利要求1-5任一项所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法，其特征在于，每次注入所述重金属离子后还进行退火激活处理，其中退火气氛包括N2、O2和H2中的至少一种，退火温度为800℃-1300℃，退火时间为2min-200min。
7.根据权利要求1-5任一项所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法，其特征在于，每次注入或扩散所述重金属离子前还进行光刻处理，以刻蚀出源区接触区。
8.根据权利要求1-5任一项所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法，其特征在于，所述重金属离子包括金离子、铜离子和铂离子中的至少一种。
9.一种抗辐射VDMOS器件，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的抗辐射VDMOS器件的制备方法制成。
10.根据权利要求9所述的抗辐射VDMOS器件，其特征在于，包括衬底、形成于所述衬底上的外延层、形成于所述外延层内且靠近所述外延层上表面设置的肼区以及形成于所述肼区内且靠近所述外延层上表面两侧的源区，还包括形成于所述肼区内的重金属离子注入或扩散区。
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|---|---|---|---|---|
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2020
- 2020-07-28 CN CN202010735219.1A patent/CN111863941A/zh active Pending
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