CN115497945A - 一种基于双抗辐照机制的sram及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双抗辐照机制的SRAM及其制备方法,在SOI工艺的MOS器件上嵌入SBD结构形成新型MOS器件,新型MOS器件的两种抗辐照机制分别为SBD嵌入结构和SOI工艺中的绝缘SiO2埋层,把NMOS器件T1、T2、T3、T4、T5、T6通过金属互联线进行连接,构成一个SRAM储存单元,将T3、T4的漏极与高电位VDD连接,栅极与栅电位VGG相连;T1的源极接地,漏极与T3的源极和T2的栅极连接与a点;T2的源极接地,漏极与T4的源极和T1的栅极连接与b点,此时T1、T2、T3、T4共同构成了一个RS锁存器,再将T5NMOS管的漏极与a点相连,源极与位线相连;将T6NMOS管的漏极与b点相连,源极与位线相连,同时将嵌入的SBD的金属Al的金属端接地。本发明能够达到显著提高SRAM抗辐照性能的目的。

Description

一种基于双抗辐照机制的SRAM及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体集成电路技术领域,具体涉及一种基于双抗辐照机制的SRAM及其制备方法。
背景技术
宇航级芯片中的SRAM存储了航天中的科学数据,然而它直接暴露在存在着大量高能粒子和宇宙射线的太空环境中,当这些高能粒子和宇宙射线穿透航天由器的保护层,与集成电路器件发生作用,产生辐射效应,就会导致SRAM功能异常、丢失数据甚至永久损毁。因此,为了保证宇航级芯片中的SRAM在太空环境中长期工作的稳定性与可靠性,对其进行抗辐射设计是必不可少的。
现有的加固技术主要从以下三个方面突破:
第一种是从电路层面出发,设计出具有抗辐照性能的电路结构,双模冗余,双互锁存存储结构等,使得电路具有一定的纠错能力;
第二种是从版图层出发,在进行版图设计时,采用环形栅结构、保护漏等特殊的结构来减弱电离辐射效应的影响;
第三种是从工艺封装角度出发,可以使用特殊陶瓷封装来加强对电路的保护,减弱高能粒子对内部器件的辐照影响。
这些方法在一定程度上能够削弱单粒子效应,但其有不少缺点,如会产生额外的抗辐照电路结构、需要专门制定版图且会增加版图面积、使用陶瓷封装使得芯片安全高度依赖于封装等不足,不利于抗辐照集成电路芯片的生产与应用。上述方法都是针对器件外围抗辐照所提出的,没有涉及器件的抗辐照。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种基于双抗辐照机制的SRAM及其制备方法,具有结构简单,易于集成,与现有工艺兼容性良好,制造成本低的特点,能够达到显著提高SRAM抗辐照性能的目的。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于双抗辐照机制的SRAM,采用具有双抗辐照机制的MOS器件。
所述MOS器件上包括两种抗辐照机制,分别为SBD嵌入结构和SOI工艺中的绝缘SiO2埋层;
所述SBD嵌入结构包括作为正极的金属Al和作为负极的n型Si;其中金属Al高度为12nm;n型Si高度为10~20nm,掺杂浓度为3.8×1017cm-3,金属Al与轻掺杂的n型Si形成整流接触,用于降低肖特基势垒;
SOI工艺中的绝缘层为SiO2埋层,长度与沟道长度相同;
NMOS器件中的T1、T2、T3、T4、T5、T6通过金属互联线进行连接,构成一个SRAM储存单元,将T3、T4的漏极与高电位VDD连接,栅极与栅电位VGG相连;T1的源极接地,漏极与T3的源极和T2的栅极连接与a点;T2的源极接地,漏极与T4的源极和T1的栅极连接与b点,此时T1、T2、T3、T4共同构成了一个RS锁存器,再将T5 NMOS管的漏极与a点相连,源极与位线相连;将T6 NMOS管的漏极与b点相连,源极与位线相连,此时由T1、T2、T3、T4、T5、T6构成了SRAM的储存单元,同时将嵌入的SBD嵌入结构的金属Al015的金属端接地。
所述具有双抗辐照机制的MOS器件,包括Si衬底,Si衬底中有绝缘SiO2埋层;
在源漏区上分别设置有SBD嵌入结构,所述SBD嵌入结构由金属Al和n型Si组成,金属Al位于n型Si的上方。
所述Si衬底表面为P型Si层,P型Si层上表面依次为栅氧化层和多晶硅,P型Si层侧面形成的直壁的沟槽中填充SiO2材料。
在光刻胶上刻蚀出进行NMOS晶体管源区和漏区掺杂的窗口,窗口位于沟槽中栅电极两侧到SiO2之间,NMOS有源区为轻掺杂源区(LDS)和轻掺杂漏区(LDD);
所述栅氧化层和多晶硅外侧覆盖Si3N4生成侧墙,Si3N4生成侧墙中位于栅氧化层设置高纯硅Si侧墙,高纯硅Si侧墙顶部为金属层。
所述轻掺杂源区(LDS)和轻掺杂漏区(LDD)和SiO2之间为重掺杂源漏区,MOS器件表面为金属导线层,形成金属电极。
一种基于双抗辐照机制的SRAM的制备方法,包括以下步骤;
S101、选取单晶Si衬底;
S102、RCA方法清洁Si衬底,然后用10%的氢氟酸清洗,去除Si表面氧化层;
S103、向衬底Si中掺杂P型杂质,掺杂浓度约为1.5×1016cm-3,形成P型Si衬底;
S104、通过SIMOX技术(注氧隔离技术)形成埋氧化层,使氧离子注入到单晶硅衬底下一定深度,离子注入后经过高温长时退火,在硅片中形成埋置的SiO2层,制成SOI(绝缘层上硅);
S105、在一定温度下,利用分子束外延工艺在SOI的顶部硅层表面淀积厚度为300nm的P型Si层,掺杂浓度为3×1018cm-3
S106、淀积SiO2保护层,利用化学气相淀积方法,即CVD工艺在上述P型Si层上淀积大约10nm SiO2层;
S107、用CVD工艺在SiO2材料表面淀积厚度约为100nm的Si3N4,在氮化硅与硅之间生长薄氧化层SiO2层起缓冲作用;
S108,在Si3N4层和SiO2层两端需要形成沟槽区的位置进行刻蚀,形成沟槽窗口,即形成基本为直壁的沟槽;
S109,通过沟槽区窗口,利用干法刻蚀,在硅衬底中刻蚀出约为300nm深度的沟槽;
S110,利用CVD向沟槽填充SiO2材料;
S111,利用CMP方法去除表面多余的SiO2,由于氮化硅具有较强的抗抛光能力,对CMP工艺起到抛光终止层的作用,是Si3N4上方的SiO2全部被抛光去除,得到平整的表面;
S112,分别用H3PO4和HF刻蚀表面的Si3N4和SiO2,得到深度约为130~150nm的浅沟槽,即浅槽隔离技术;
S113,淀积一层高质量的栅氧化层,厚度约为5nm;
S114,在栅氧化层上淀积一层厚度为10nm的多晶硅,作为栅电极材料;
S115,对栅氧化层和多晶硅两端进行刻蚀,只保留宽度为6nm的栅氧化层和多晶硅,用作栅电极及起互连作用;
S116,在光刻胶上刻蚀出进行NMOS晶体管源区和漏区掺杂的窗口,窗口位于沟槽中栅电极两侧到SiO2之间,采用离子注入工艺,对NMOS有源区进行离子注入,形成深度约为30nm~40nm的轻掺杂源区(LDS)和轻掺杂漏区(LDD);
S117,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,只在栅极以及栅极两侧的基础上额外刻蚀宽16nm的区域,淀积Si3N4生成侧墙;
S118,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,只在栅极以及侧墙两侧的基础上额外刻蚀宽度5nm的区域,淀积厚度为10nm的高纯硅Si侧墙,并对侧墙进行n型掺杂,此n型硅将作为SBD(肖特基二极管)的n型区;
S119,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,刻蚀出比栅极、两边侧墙各宽5nm的窗口,淀积Si3N4生成侧墙,用来隔离源漏区与SBD;
S120,以侧墙为掩膜,采用自对准工艺曾称重掺杂的源漏区,掺杂浓度约为4.02×1020cm-3,形成源漏区以及LDD、LDS区域;
S121,利用CMP工艺,将多余的Si3N4去除;
S122,利用CVD工艺在整个硅片表面淀积厚度为25nm的BPSG,形成介质层;
S123,在BPSG表面涂光刻胶,并生成用来淀积SBD金属层的窗口,余下高度为10~20nm的n型Si011,作为SBD的半导体部分;
S124采用溅射技术淀积SBD中的金属层,然后去除光刻胶;
S125,利用CVD工艺在硅片表面淀积一层BPSG,来保护嵌入的SBD;
S126,采用硝酸和氢氟酸刻蚀BPSG,形成通往重掺杂源漏区和SBD金属端的直壁沟槽,宽度约10nm,称为金属接触孔;
S127,利用电子束蒸发工艺在整个衬底表面淀积厚度为20nm金属导线层,形成金属电极;
S128,利用选择性刻蚀工艺刻蚀制定区域的金属,并利用CMP工艺进行平坦化处理;
S129,利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20~30nm的SiN材料,用于钝化电介质,最终形成具有双抗辐照机制的NMOS器件;
S130,通过金属互联线,把六个NMOS器件T1、T2、T3、T4、T5、T6连接,构成一个SRAM储存单元,将T3、T4的漏极与高电位VDD连接,栅极与栅电位VGG相连;T1的源极接地,漏极与T3的源极和T2的栅极连接与a点;T2的源极接地,漏极与T4的源极和T1的栅极连接与b点,此时T1、T2、T3、T4共同构成了一个RS锁存器,再将T5 NMOS管的漏极与a点相连,源极与位线相连;将T6 NMOS管的漏极与b点相连,源极与位线相连,最后,将上述六个NMOS中嵌入的SBD的金属端全部接地,此时T1、T2、T3、T4、T5、T6就构成了一个具有双抗辐照机制的SRAM储存单元。
所述衬底、埋置的SiO2层、P型Si层、SiO2层,Si3N4、SiO2材料、栅氧化层、多晶硅作为栅电极材料;
轻掺杂的源漏区、淀积Si3N4生成侧墙;高纯硅Si侧墙对侧墙进行n型掺杂,掺杂浓度为3.8×1017cm-3,此n型硅将作为SBD(肖特基二极管)的n型区;
淀积Si3N4生成侧墙,用来隔离源漏区与SBD;重掺杂的源漏区形成源漏区以及LDD、LDS区域。
所述S104中,采用200keV的能量使剂量为1.8×1018cm-2的氧离子注入到单晶硅衬底下一定深度,离子注入后经过高温(≥1200℃)长时间(约5小时)退火。
所述S105中,一定温度为500-600℃温度。
所述S112中,浅沟槽得宽长比通常在2:1~5:1之间。
所述S116中,离子注入,注入剂量为6×1012cm-2~1×1014cm-2
所述S118中,掺杂浓度为3.8×1017cm-3
本发明的有益效果:
本发明在现有的SOI工艺MOS器件上加入SBD嵌入结构,消除了由单粒子效应等辐射效应引起的MOS器件的逻辑状态翻转、错误等问题,增强了以该MOS器件为核心的SRAM在太空等高辐射环境中工作时的抗辐照性能,实现了SRAM存取数据时的稳定性和可靠性。SOI工艺与SBD嵌入结构结合,在增强抗辐照性能的同时,与现有的硅工艺具有良好的兼容性。相比于其他通过添加电路结构、改变版图设计、改变封装外壳等抗辐照技术,具有结构简单,制造成本低,稳定性与可靠性明显提升等优点,同时可以与其他的加固技术完全兼容,可同时使用多种加固技术来使得宇航级芯片中SRAM的抗辐照性能得到进一步提升。
附图说明
图1为单晶硅衬底示意图。
图2为埋置SiO2氧化层(002)的示意图。
图3为淀积P型硅层(003)的示意图。
图4为淀积SiO2保护层(004)的示意图。
图5为用CVD工艺在SiO2材料表面淀积Si3N4(005)示意图。
图6为刻蚀Si3N4和SiO2形成沟槽窗口示意图。
图7为通过沟槽窗口在硅衬底中刻蚀出深度约为300nm的沟槽示意图。
图8为用CVD向沟槽填充SiO2材料(006)示意图。
图9为用CMP方法去除表面多余的SiO2示意图。
图10为浅槽隔离示意图。
图11为淀积一层厚度约为5nm的高质量栅氧化层(007)示意图。
图12为在栅氧化层上淀积一层厚度为10nm的多晶硅(008)示意图。
图13为刻蚀多晶硅形成栅电极的示意图。
图14为采用离子注入工艺形成轻掺杂的源漏区(009)示意图。
图15为淀积Si3N4生成侧墙(010)示意图。
图16为淀积高纯硅侧墙并进行n型掺杂的示意图。
图17为淀积Si3N4生成侧墙(012)示意图。
图18为采用自对准工艺曾称重掺杂的源漏区(013)示意图。
图19为用CMP工艺,去除多余Si3N4示意图。
图20为用CVD工艺淀积BPSG介质层(014)示意图。
图21为生成用来淀积SBD金属层的窗口示意图。
图22为用溅射技术淀积SBD中的金属层(015)示意图。
图23为用CVD工艺在硅片表面淀积一层BPSG(016)示意图。
图24为用硝酸和氢氟酸刻蚀BPSG形成金属接触孔示意图。
图25为用电子束蒸发工艺淀积厚度为20nm金属导线层(017)示意图。
图26为用选择性刻蚀工艺刻蚀制定区域的金属并用CMP工艺进行平坦化处理示意图。
图27为用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20~30nm的SiN材料(018)示意图,即本发明核心NMOS器件的结构示意图。
图28为本发明的NMOS器件连接成为SRAM的示意图。
图29为两种抗辐照机制示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种基于双抗辐照机制的SRAM,首先,通过在传统SOI工艺的MOS器件上嵌入SBD结构形成新型MOS器件,结构示意如图27所示。新型MOS器件的两种抗辐照机制分别为SBD嵌入结构和SOI工艺中的绝缘SiO2埋层。SBD嵌入结构由作为正极的金属Al(如图27(015)所示)和作为负极的n型Si(如图27(011)所示)组成。其中金属Al高度为12nm;n型Si高度为1020nm,掺杂浓度为3.8×1017cm-3。选择具有较低功函数的金属Al与轻掺杂的n型Si形成整流接触,可以降低肖特基势垒。SOI工艺中的绝缘层为SiO2埋层(如图27(002)所示),长度与沟道长度相同。
其次,把所设计的如图27所示的NMOS器件T1、T2、T3、T4、T5、T6按照如图28所示的方式,通过金属互联线进行连接,构成一个SRAM储存单元。具体地,将T3、T4的漏极与高电位VDD连接,栅极与栅电位VGG相连;T1的源极接地,漏极与T3的源极和T2的栅极连接与a点;T2的源极接地,漏极与T4的源极和T1的栅极连接与b点。此时T1、T2、T3、T4共同构成了一个RS锁存器。再将T5 NMOS管的漏极与a点相连,源极与位线相连;将T6 NMOS管的漏极与b点相连,源极与位线相连,此时由T1、T2、T3、T4、T5、T6构成了SRAM的储存单元。同时将嵌入的SBD的金属端(如图27(015))接地。
本发明提供了一种基于双抗辐照机制的SRAM的制备方法。
S101、如图1,选取单晶Si衬底001;
S102、RCA方法清洁Si衬底,然后用10%的氢氟酸清洗,去除Si表面氧化层;
S103、向衬底Si中掺杂P型杂质,掺杂浓度约为1.5×1016cm-3,形成P型Si衬底;
S104、通过SIMOX技术(注氧隔离技术)形成埋氧化层。采用200keV的能量使剂量为1.8×1018cm-2的氧离子注入到硅片表面下一定深度。离子注入后经过高温退火,在硅片中形成埋置的SiO2层002,如图2所示;
S105、如图3,在500-600℃温度下,利用分子束外延工艺在SOI的顶部硅层表面淀积厚度为300nm的P型Si层003,掺杂浓度为3×1018cm-3
S106、如图4,淀积SiO2保护层。利用化学气相淀积方法,即CVD工艺在Si衬底上淀积大约10nm SiO2层004;
S107、如图5,里用CVD工艺在SiO2材料表面淀积厚度约为100nm的Si3N4005,由于氮化硅与硅之间热膨胀系数差别较大,为了防止硅表面受热应力的影响,在氮化硅与硅之间生长的薄氧化层起缓冲作用;
S108,如图6,在Si3N4和SiO2层上刻蚀掉需要形成沟槽区位置的Si3N4和SiO2形成沟槽窗口;
S109,如图7,通过沟槽区窗口,利用干法刻蚀,在硅衬底中刻蚀出约为300nm深度的沟槽;
S110,如图8,利用CVD向沟槽填充SiO2材料006;
S111,如图9,利用CMP方法去除表面多余的SiO2。由于氮化硅具有较强的抗抛光能力,对CMP工艺起到抛光终止层的作用,是Si3N4上方的SiO2全部被抛光去除,得到平整的表面;
S112,如图10,分别用H3PO4和HF刻蚀表面的Si3N4和SiO2,得到浅槽隔离的平整表面;
S113,如图11,淀积一层高质量的栅氧化层007,厚度约为5nm;
S114,如图12,在栅氧化层上淀积一层厚度为10nm的多晶硅008,作为栅电极材料;
S115,如图13,进行刻蚀,只保留宽度为6nm的多晶硅,用作栅电极及起互连作用;
S116,如图14,在光刻胶上刻蚀出进行NMOS晶体管源漏掺杂的窗口,采用离子注入工艺,对NMOS有源区进行离子注入,形成轻掺杂的源漏区009;
S117,如图15,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,只在栅极以及栅极两侧的基础上额外刻蚀宽16nm的区域,淀积Si3N4生成侧墙010;
S118,如图16,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,只在栅极以及侧墙两侧的基础上额外刻蚀宽度5nm的区域,淀积厚度为10nm的高纯硅Si侧墙011,并对侧墙进行n型掺杂,掺杂浓度为3.8×1017cm-3,此n型硅将作为SBD(肖特基二极管)的n型区;
S119,如图17,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,刻蚀出比栅极、两边侧墙各宽5nm的窗口,淀积Si3N4生成侧墙012,用来隔离源漏区与SBD;
S120,如图18,以侧墙为掩膜,采用自对准工艺曾称重掺杂的源漏区013,掺杂浓度约为4.02×1020cm-3,形成源漏区以及LDD、LDS区域;
S121,如图19,利用CMP工艺,将多余的Si3N4去除;
S122,如图20,利用CVD工艺在整个硅片表面淀积厚度为25nm的BPSG,形成介质层014;
S123,如图21,在BPSG表面涂光刻胶,并生成用来淀积SBD金属层的窗口,余下高度为10~20nm的n型Si011,作为SBD的半导体部分;
S124,如图22,采用溅射技术淀积SBD中的金属层015,然后去除光刻胶;
S125,如图23,利用CVD工艺在硅片表面淀积一层BPSG016,来保护嵌入的SBD;
S126,如图24,采用硝酸和氢氟酸刻蚀BPSG,形成金属接触孔;
S127,如图25,利用电子束蒸发工艺在整个衬底表面淀积厚度为20nm金属导线层017,形成金属电极;
S128,如图26,利用选择性刻蚀工艺刻蚀制定区域的金属,并利用CMP工艺进行平坦化处理;
S129,如图27,利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20~30nm的SiN材料018,用于钝化电介质,最终形成构成所述抗辐照SRAM电路的基本NMOS器件;
S130,如图28,通过金属互联线,把所设计的如图27所示的六个NMOS器件T1、T2、T3、T4、T5、T6按照如图28所示的方式连接,构成一个SRAM储存单元。具体地,将T3、T4的漏极与高电位VDD连接,栅极与栅电位VGG相连;T1的源极接地,漏极与T3的源极和T2的栅极连接与a点;T2的源极接地,漏极与T4的源极和T1的栅极连接与b点。此时T1、T2、T3、T4共同构成了一个RS锁存器。再将T5 NMOS管的漏极与a点相连,源极与位线相连;将T6 NMOS管的漏极与b点相连,源极与位线相连。最后,将上述六个NMOS中嵌入的SBD的金属端(图27(015)所示)全部接地。此时T1、T2、T3、T4、T5、T6就构成了一个具有双抗辐照机制的SRAM储存单元。
连接形成如图所示的SRAM电路,虚线框中为六管存储单元,其中T1~T4 MOS管构成了一个RS锁存器,其作用是存储1位二值数据,T5、T6为本单元控制门,由行选择线Xi控制,当Xi=1时,T5、T6导通,锁存器与位线接通;当Xi=1时,T5、T6截止,锁存器与位线隔离,T7、T8为一列存储单元公用的控制门,用于控制位线与数据线的连接状态,由列选择线Yj控制。
本申请结构示意如图29所示。SBD嵌入结构由金属Al015和n型Si011组成。其中金属Al高度为12nm;n型Si高度为10~20nm,n型Si的掺杂浓度为3.8×1017cm-3。选择具有较低功函数的金属Al与轻掺杂的n型Si形成整流接触,可以降低肖特基势垒。SOI工艺中的绝缘层002,为SiO2埋层,长度与沟道长度相同。
在引入SBD嵌入结构和SOI工艺后,其两种抗辐照机制示意如图29所示。一方面,SBD嵌入结构对于MOS器件抗辐照可以起到两个作用:第一,接地的SBD可以减弱漏端电场,缓和由漏端PN结反偏所形成的横向电场,使电极收集电荷的能力降低,从而因单粒子射入而产生的大量电子-空穴对在被电极收集之前复合消失,并且随着电场强度的减小而产生的电子-空穴对发生雪崩击穿的几率也大幅降低;第二,当MOS器件处于关断状态时,如果高能粒子轰击敏感区形成电子-空穴对,SBD可以对产生的电荷进行引流,避免全部的正、负电荷流分别流向源、漏两极形成电流,导致MOS器件的逻辑功能发生反转、错误。当MOS器件处于导通状态时,由于SBD的漏电很小,因此不会对MOS的正常工作产生影响。另一方面,SOI工艺中的绝缘层把沟道与面积很大的衬底分隔开,这时,高能粒子轰击衬底产生的大量电荷将不会被源漏区收集,降低了单粒子效应对MOS器件的逻辑状态的影响,从而大幅增强了MOS器件的抗辐照性能。上述两种抗辐照机制,显著地提升了宇航级芯片中SRAM的抗辐照性能。
本发明的工作原理:
在引入SBD嵌入结构(图27(011)、(015))和SOI工艺后,本发明具有两种抗辐照机制,其主要工作原理如下述:
一方面,SBD嵌入结构对于MOS器件抗辐照可以起到两个作用:第一,接地的SBD可以减弱漏端电场,缓和由漏端PN结反偏所形成的横向电场,使电极收集电荷的能力降低,从而因单粒子射入而产生的大量电子-空穴对在被电极收集之前复合消失,并且随着电场强度的减小而产生的电子-空穴对发生雪崩击穿的几率也大幅降低;第二,当MOS器件处于关断状态时,如果高能粒子轰击敏感区形成电子-空穴对,SBD可以对产生的电荷进行引流,避免全部的正、负电荷流分别流向源、漏两极形成电流,导致MOS器件的逻辑功能发生反转、错误。当MOS器件处于导通状态时,由于SBD的漏电很小,因此不会对MOS的正常工作产生影响,从而能够保证其构成的SRAM能够正常工作。
另一方面,SOI工艺中的硅绝缘层002把沟道与面积很大的衬底001分隔开,这时,高能粒子轰击衬底产生的大量电荷将不会被源漏区收集,降低了单粒子效应对MOS器件的逻辑状态的影响,从而大幅增强了MOS器件的抗辐照性能。
将具有上述如图27所示的具有两种抗辐照机制的NMOS器件按照图28的电路连接方式进行连接,并将其中嵌入的SBD正极接地,就得到本发明所述的一种具有双抗辐照机制的SRAM,其在数字电路应用中的基本工作原理与传统的SRAM基本一致。当图28中所示的行、列选择线呈高电位时,T5~T8管均导通,由T1~T4组成的RS锁存器与数据线相连,该储存单元就通过数据线传送数据,完成读操作或写操作。

Claims (8)

1.一种基于双抗辐照机制的SRAM,其特征在于,所述MOS器件上包括两种抗辐照机制,分别为SBD嵌入结构和SOI工艺中的绝缘SiO2埋层;
所述SBD嵌入结构包括作为正极的金属Al(015)和作为负极的n型Si(011);其中金属Al(015)高度为12nm;n型Si(011)高度为1020nm,掺杂浓度为3.8×1017cm-3,金属Al(015)与轻掺杂的n型Si(011)形成整流接触,用于降低肖特基势垒;
SOI工艺中的绝缘层为SiO2埋层(002),长度与沟道长度相同;
NMOS器件中的T1、T2、T3、T4、T5、T6通过金属互联线进行连接,构成一个SRAM储存单元,将T3、T4的漏极与高电位VDD连接,栅极与栅电位VGG相连;T1的源极接地,漏极与T3的源极和T2的栅极连接与a点;T2的源极接地,漏极与T4的源极和T1的栅极连接与b点,此时T1、T2、T3、T4共同构成了一个RS锁存器,再将T5 NMOS管的漏极与a点相连,源极与位线相连;将T6NMOS管的漏极与b点相连,源极与位线相连,此时由T1、T2、T3、T4、T5、T6构成了SRAM的储存单元,同时将嵌入的SBD嵌入结构的金属Al(015)的金属端接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于双抗辐照机制的SRAM,其特征在于,具有双抗辐照机制的MOS器件,包括Si衬底(001),Si衬底001中有绝缘SiO2埋层(002);
在源漏区上分别设置有SBD嵌入结构,所述SBD嵌入结构由金属Al(015)和n型Si(011)组成,金属Al(015)位于n型Si(011)的上方。
3.根据权利要求1所述的一种基于双抗辐照机制的SRAM,其特征在于,所述Si衬底(001)表面为P型Si层(003),P型Si层(003)上表面依次为栅氧化层(007)和多晶硅(008),P型Si层(003)侧面形成的直壁的沟槽中填充SiO2材料(006)。
4.根据权利要求1所述的一种基于双抗辐照机制的SRAM,其特征在于,在光刻胶上刻蚀出进行NMOS晶体管源区和漏区掺杂的窗口,窗口位于沟槽中栅电极两侧到SiO2(006)之间,NMOS有源区为轻掺杂源区(LDS)和轻掺杂漏区(LDD)(009);
所述栅氧化层(007)和多晶硅(008)外侧覆盖Si3N4生成侧墙(010),Si3N4生成侧墙(010)中位于栅氧化层(007)设置高纯硅Si侧墙(011),高纯硅Si侧墙(011)顶部为金属层(015)。
5.根据权利要求4所述的一种基于双抗辐照机制的SRAM,其特征在于,所述轻掺杂源区(LDS)和轻掺杂漏区(LDD)(009)和SiO2(006)之间为重掺杂源漏区(013),MOS器件表面为金属导线层(017),形成金属电极。
6.根据权利要求1所述的具有双抗辐照机制的SRAM的制备方法,其特征在于,包括以下步骤;
S101、选取单晶Si衬底(001);
S102、RCA方法清洁Si衬底,然后用10%的氢氟酸清洗,去除Si表面氧化层;
S103、向衬底Si中掺杂P型杂质,掺杂浓度约为1.5×1016cm-3,形成P型Si衬底;
S104、通过SIMOX技术(注氧隔离技术)形成埋氧化层,使氧离子注入到单晶硅衬底(001)下一定深度,离子注入后经过高温长时退火,在硅片中形成埋置的SiO2层(002),制成SOI(绝缘层上硅);
S105、在一定温度下,利用分子束外延工艺在SOI的顶部硅层表面淀积厚度为300nm的P型Si层(003),掺杂浓度为3×1018cm-3
S106、淀积SiO2保护层,利用化学气相淀积方法,即CVD工艺在上述P型Si层(002)上淀积大约10nm SiO2层(004);
S107、用CVD工艺在SiO2材料表面淀积厚度约为100nm的Si3N4(005),在氮化硅与硅之间生长薄氧化层SiO2层(004)起缓冲作用;
S108,在Si3N4层(005)和SiO2层(004)两端需要形成沟槽区的位置进行刻蚀,形成沟槽窗口,即形成基本为直壁的沟槽;
S109,通过沟槽区窗口,利用干法刻蚀,在硅衬底中刻蚀出约为300nm深度的沟槽;
S110,利用CVD向沟槽填充SiO2材料(006);
S111,利用CMP方法去除表面多余的SiO2,由于氮化硅具有较强的抗抛光能力,对CMP工艺起到抛光终止层的作用,是Si3N4上方的SiO2全部被抛光去除,得到平整的表面;
S112,分别用H3PO4和HF刻蚀表面的Si3N4(005)和SiO2(004),得到深度约为130~150nm的浅沟槽,即浅槽隔离技术;
S113,淀积一层高质量的栅氧化层(007),厚度约为5nm;
S114,在栅氧化层上淀积一层厚度为10nm的多晶硅(008),作为栅电极材料;
S115,对栅氧化层(007)和多晶硅(008)两端进行刻蚀,只保留宽度为6nm的栅氧化层和多晶硅,用作栅电极及起互连作用;
S116,在光刻胶上刻蚀出进行NMOS晶体管源区和漏区掺杂的窗口,窗口位于沟槽中栅电极两侧到SiO2(006)之间,采用离子注入工艺,对NMOS有源区进行离子注入,形成深度约为30nm~40nm的轻掺杂源区(LDS)和轻掺杂漏区(LDD)(009);
S117,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,只在栅极以及栅极两侧的基础上额外刻蚀宽16nm的区域,淀积Si3N4生成侧墙(010);
S118,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,只在栅极以及侧墙两侧的基础上额外刻蚀宽度5nm的区域,淀积厚度为10nm的高纯硅Si侧墙(011),并对侧墙进行n型掺杂,此n型硅将作为SBD(肖特基二极管)的n型区;
S119,去除之前的光刻胶,重新利用光刻胶覆盖NMOS晶体管,刻蚀出比栅极、两边侧墙各宽5nm的窗口,淀积Si3N4生成侧墙(012),用来隔离源漏区与SBD;
S120,以侧墙为掩膜,采用自对准工艺曾称重掺杂的源漏区(013),掺杂浓度约为4.02×1020cm-3,形成源漏区以及LDD、LDS区域;
S121,利用CMP工艺,将多余的Si3N4去除;
S122,利用CVD工艺在整个硅片表面淀积厚度为25nm的BPSG,形成介质层(014);
S123,在BPSG表面涂光刻胶,并生成用来淀积SBD金属层的窗口,余下高度为10~20nm的n型Si(011),作为SBD的半导体部分;
S124采用溅射技术淀积SBD中的金属层(015),然后去除光刻胶;
S125,利用CVD工艺在硅片表面淀积一层BPSG(016),来保护嵌入的SBD;
S126,采用硝酸和氢氟酸刻蚀BPSG,形成通往重掺杂源漏区(013)和SBD金属端(015)的直壁沟槽,宽度约10nm,称为金属接触孔;
S127,利用电子束蒸发工艺在整个衬底表面淀积厚度为20nm金属导线层(017),形成金属电极;
S128,利用选择性刻蚀工艺刻蚀制定区域的金属,并利用CMP工艺进行平坦化处理;
S129,利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为20~30nm的SiN材料(018),用于钝化电介质,最终形成具有双抗辐照机制的NMOS器件;
S130,通过金属互联线,把六个NMOS器件T1、T2、T3、T4、T5、T6连接,构成一个SRAM储存单元,将T3、T4的漏极与高电位VDD连接,栅极与栅电位VGG相连;T1的源极接地,漏极与T3的源极和T2的栅极连接与a点;T2的源极接地,漏极与T4的源极和T1的栅极连接与b点,此时T1、T2、T3、T4共同构成了一个RS锁存器,再将T5 NMOS管的漏极与a点相连,源极与位线相连;将T6 NMOS管的漏极与b点相连,源极与位线相连,最后,将上述六个NMOS中嵌入的SBD的金属端(015)全部接地,此时T1、T2、T3、T4、T5、T6就构成了一个具有双抗辐照机制的SRAM储存单元。
7.根据权利要求6所述的具有双抗辐照机制的SRAM的制备方法,其特征在于,所述衬底(001)、埋置的SiO2层(002)、P型Si层(003)、SiO2层(004),Si3N4(005)、SiO2材料(006)、栅氧化层(007)、多晶硅(008)作为栅电极材料;
轻掺杂的源漏区(009)、淀积Si3N4生成侧墙010;高纯硅Si侧墙(011)对侧墙进行n型掺杂,掺杂浓度为3.8×1017cm-3,此n型硅将作为SBD(肖特基二极管)的n型区;
淀积Si3N4生成侧墙(012),用来隔离源漏区与SBD;重掺杂的源漏区(013)形成源漏区以及LDD、LDS区域。
8.根据权利要求6所述的具有双抗辐照机制的SRAM的制备方法,其特征在于,所述S104中,采用200keV的能量使剂量为1.8×1018cm-2的氧离子注入到单晶硅衬底(001)下一定深度,离子注入后经过高温(≥1200℃)长时间(约5小时)退火;
所述S105中,一定温度为500-600℃温度。
所述S112中,浅沟槽得宽长比通常在2:1~5:1之间。
所述S116中,离子注入,注入剂量为6×1012cm-2~1×1014cm-2
所述S118中,掺杂浓度为3.8×1017cm-3
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