CN85103269B - 抗辐射半导体器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抗辐射半导体器件，其电特性不会由于射线辐照而退化。本发明提出用以确定某种导电类型而掺入半导体内的杂质应选用同一元素的热中子吸收截面较小的那种同位素，例如，用原子质量数为１１的硼原子作为受主杂质，用原子质量数为１２３的锑Ｓｂ作为施主杂质。当用射线辐照时，该杂质所经受的原子核反应大大小于其它同位素，所以，其杂质浓度变化甚小，电特性也不会发生变化。

Description

抗辐射半导体器件

本发明涉及一种半导体器件，具体地说，是针对因辐射所造成的半导体器件特性退化问题，作了改进的抗辐射半导体器件。

近些年来，由于集成电路技术的发展，半导体器件以微处理机的形式，已显著地广泛地应用到办公室自动化、工业电子设备，或机器人等方面。

大多数普通半导体集成电路只能在与平常的环境相似的条件下正常工作。在有些环境中，诸如在外层空间，那里是超高真空，充满宇宙辐射，或者处于原子反应堆周围那类恶劣环境中，那里到处是辐射源，半导体器件无法使用。

但是，在构成未来的工业的空间技术方面，以及对用于检验原子反应堆工作的机器人，和对用于监测反应堆内部情况的敏感元件等等方面来说，非常需要增强其抗辐射性能的半导体器件。

需要应用半导体器件的辐射环境概述如下;

（1）外层空间……辐射主要包括质子射线和β-射线。这些辐射可分为三类：高能粒子的太阳宇宙射线，它们主要是由质子射线和少量的α-射线组成;次级辐射，其主要组成部分是能量至少有2Mev的β一射线以及能量不低于6Mev的质子射线;银河系宇宙射线，它由85%的质子和大约15%的α-粒子组成。

（2）原子能设施……其辐射中主要包括伽玛射线和中子射线（快中子，热中子）。

现已知道，当用射线辐照时，半导体器件或半导体集成电路会受到以下几个与射线的种类因素有关的方面的影响：

（1）因稳态电离辐射所造成的器件功能的退化或损伤，其程度取决于辐射的累积剂量，

（2）因瞬态电离辐射所造成的器件功能退化或损坏，或产生一个干扰正常工作的电流，其程度取决于辐射的累积剂量，

（3）由单个粒子，例如α粒子或质子，引起的瞬时故障，和

（4）由快中子造成材料的损坏或退化。所以，应用在宇宙射线，诸如太阳宇宙射线，次级辐射和银河系宇宙射线范围内，或用于原子能设施，诸如核电站和核燃料精炼厂的半导体器件最好应是一抗辐射的半导体器件，这些器件的特点是对上述射线辐照的影响几乎可忽略不计。因而迫切需要发展这类半导体器件。

对在以硅制作的MOS（金属-氧化物-半导体）型，或双极型半导体器件，以及用砷化镓一类的化合物半导体制作的器件已经进行了抗辐射半导体器件的研制工作。但是，这些工作主要是改进工艺，如形成氧化物膜的条件;或是改进器件设计，如集成电路的完善化;或是仅仅采取一个措施，如通过监测和故障找出最佳工作条件。能应用所有的半导体器件的技术尚未得到发展。

“IEEE Transaction of Nuclear Science”原子核科学的电机和电子工程师学会学报Vol.NS-80，NO.6.Dec.1983，PP、4224-4228公布了按一般的方法在最佳条件下生产的16K位的MNOS（金属-氮化物-氧化物半导体）EAROM（电可改写只读存贮器）。

本发明的目的是提供一种能抗辐射的半导体器件，它能解决因辐射所引起的特性退化问题。

本发明的另一目的是提供一种抗辐射半导体器件，该器件即使受射线辐照时，其特征性不退化。

本发明的特征是在半导体基体中的P-或n-型导电类型的，半导体区是通过掺杂一些具有较小的热中子吸收截面且富集了的杂质而形成的。

关于热中子吸收截面较小的杂质，原子质量数为123的锑（Sb）、可作为n-型杂质，即施主杂质，而原子质量数为11的硼（B），原子质量数为69的镓（Ga）以及原子质量数为113的铟（In）可作为P-型杂质，即受主杂质。在同一元素的同位素中，它们是具有较小热中子吸收截面的一种。此外，热中子吸收截面较小的杂质还包括作为施主杂质的磷（P）和铋（Bi），以及作为受主杂质的铝（Al），而且这些元素p，Bi和A1可以与上述元素Sb、B、Ga和In结合起来使用。这些元素最好只包括那些具有较小热中子吸收截面的同位素。

本发明的基本思想如下。在有中子辐射的核反应堆附近，由于吸收一个中子发射一个γ-射线的（n、γ）核反应，或吸收一个中子发射一个α-射线的（n、α）核反应使掺入半导体基体内的杂质元素发生原子核蜕变，其结果是杂质浓度按上述反应的方式改变，从而得不到所设计的器件特性。因此，如果一种同位素，其原子核反应的截面，对于核反应来说，足够小的话，例如，利用（P、2P）或（n、α）核反应时，就可减轻由于核蜕变引起的特性退化。这个思想适用于所有的半导体器件。

图1是MOS晶体管的剖面图，它是本发明的一个实施例：

图2示出了阈值电压的变化ΔV_TH与硅体内掺入的杂质元素数量Nx之间的关系曲线;

图3是一组计算曲线，示出硼原子数量随热中子辐射时间的变化情况。

图4是阈值电压的漂移与辐度对硅体内硼原子数量的关系曲线。图上所示的是热中子辐照前的硼原子数量，辐照后硼原子数量减少20%。

图5是复合双极型晶体管的剖面图。它是本发明的第二个实施例;

图6是图5所示的复合晶体管的等效电路图;

图7示出了硅体内的电子、空穴的漂移迁移率和杂质浓度之间的关系;

图8示出了P型和n型硅区域的电阻率与杂质浓度之间的关系。

参照图1，序号1表示-P型硅基片，该基片掺以施主杂质，从而形成n型源区1a和n型漏区1b。源电极2和漏电极3分别与源区1a和漏区1b保持欧姆接触。在源区和漏区1a、1b之间的硅基片1的表面上，隔着一个氧化硅层设置一个栅极电极4。这样就构成了一个n沟道MOS晶体管。

在此实施例中，硅基片1中掺杂的是硼，按照本发明的思想，所掺杂的是原子质量数为11的硼。用于形成源区1a和漏区1b的施主杂质是磷P。

众所周知，半导体中的载流子流是导电的电子和空穴，它们是通过在高纯硅单晶中掺杂少量异质元素（杂质元素）的方法产生的。更具体地说，在硅单晶中用少量的周期表中Ⅴ族元素（磷P、砷As、锑Sb或铋Bi）掺杂的情况下，在导带中就产生了导电的电子，因而制成n型硅晶体。相反，在用少量的Ⅲ族元素（硼B、铝Ai、镓Ga或铟In）掺杂的情况下，产生空穴，而制成P型硅晶体。

现已采用了几种方法，可使杂质元素掺入到硅晶体的晶格中的适当位置：

（1）把原来就含有一定数量杂质元素的材料熔化，然后进行晶体生长的方法;

（2）把预定量的杂质元素安置在硅晶体表面，在高温下靠浓度梯度的作用使杂质元素扩散的方法。

（3）把杂质元素离化，并加速，把预定剂量杂质元素注入到硅中再通过热处理使杂质原子在适当的晶格点入位的方法。

无论应用哪种方法，都必须通过控制杂质元素的数量，制备出具有所需特性的硅基片。显然，需要事先充分考虑到，由于辐射或类似原因，在杂质元素的数量发生变化时，会使希望保持不变的电参数产生波动，这将成为器件失灵的原因。

阈值电压V_TH是MOS晶体管的重要参数之一，它与被掺入硅中的杂质元素数量有如下关系：

这里φMS为栅电极材料与硅之间的功函数之差，φ_F为费米能级的能量，ε_O为自由空间介电常数，ε_SI为硅的相对介电常数，q为电子电荷，Q_SS为氧化膜内静电荷的数量，Cox为氧化膜电容，以及N为杂质浓度。

现在假定，阈值电压V_TH的变化由下式给出：

ΔV_TH＝V_TH（Nα）-V_TH（NO）

那么可以得到：

<math><msub><mi>ΔT</mi><mi>TH</mi></msub><mi>=2K·Tln（</mi><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mi>X</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mi>O</mi></msub></mrow></mfrac><mi>）+</mi><mfrac><mrow><msqrt><msub><mi>2ε</mi><mi>0</mi></msub><msub><mi>·ε</mi><mi>Si</mi></msub><mi>·q·KT</mi></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>OX</mi></msub></mrow></mfrac><mi>×</mi><BREAK><msub><mi> N</mi><mi>0</mi></msub><mi>·In（</mi><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mi>X</mi></msub></mrow><mrow><mi>ni</mi></mrow></mfrac><msub><mi>）-N</mi><mi>X</mi></msub><mi>·In（</mi><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mi>0</mi></msub></mrow><mrow><mi>ni</mi></mrow></mfrac><mi>） </mi></math>

这里，n₁代表本征载流子浓度，No是杂质元素的基准数量，而Nx是杂质元素的掺入量。

通过举例可以看出，当具有载流子浓度n_i的本征半导体转变成P型时所加入的受主的掺杂量是No。当P型半导体部分转变成n型时所加入的施主掺杂为Nx。

如图2所示，在假设的条件下，即No＝3×10¹³cm³和氧化硅膜的厚度dox＝1000

时，计算得到ΔV_TH对Nx的偏差的变化曲线。Nx改变20%，导致阈值电压将变化±0.1V。因此杂质元素数量的波动，将对器件特性产生了很大的影响。为此缘故，到现在为止，通常的作法是把注意力集中在诸如，通过离子注入的方法控制杂质元素的掺杂量，以及在制造工艺中进行控制，使掺杂数量的离散保持在2%的范围之内。

下面将解释由于热中子引起原子核蜕变，从而造成的杂质浓度改变的情况。

如前所述，在制备硅时，用于硅单晶掺杂的杂质元素是元素周期表中的Ⅴ族元素（P、As、Sb、Bi）或Ⅲ族元素（B、Al、Ga、In）有关各元素的天然同位素丰度比，以及各相应同位素的热中子吸收截面，例于表1。取自理科年表1982，同位素表，第七版（“Rika Nenpyo”〔Chronological Table of Science〕1982）。

从表1可以看出，在有热中子的环境里使用半导体器件时，电参数变化最大的将是那些采用以硼B为掺杂元素的P型基片的半导体器件。特别是目前，在P型基片半导体器件的生产中只能用天然组分的硼，因此热中子辐射对采用P型基片的半导体器件的影响非常大。如表1所示，天然硼中含有大约20%的原子质量数为10的硼10（B¹⁰），B¹⁰原子的热中子吸收截面接近4000靶恩，（1靶恩＝10^-24cm²）。

现用字母σ表示热中子吸收截面，用φ表示热中子辐射通量，用t表示辐射周期的时间，并且假设B¹⁰的丰度比为20%，那么由于中子辐射而造成的硼原子的数量变化，可用下式表示：N¹ _B＝0.8N^O _B·0.2N^O _Bexp（-σφt）

这里，符号N^O _B和N^t _B分别表示硼原子在辐射前以及在经受时间为t的辐射后的数量。

在辐射情况下，以热中子辐射通量为参数所计算出的硼原子数量随辐射的变化值示于图3。在目前的轻水原子反应堆的条件下（热中子辐射通量大约为3×10¹³n/cm²·s），经过大约300天的辐照，B¹⁰将基本衰减到零，所以硼原子的总数量下降大约20%。此外，如果考虑到，因制造工艺条件的差异，致使杂质元素的数量在±2%内变动，那么甚至只要有10¹³n/cm²·s的热中子辐射量，就能在几十天内造成上述后果。

图4表示以硼原子数作为杂质元素引入的MOS晶体管的阈值电压V_TH，因中子辐照而发生的变化。在图4中，纵坐标表示的是在辐照之前掺入的硼原子之中，只有B¹⁰才会减少，直到硼原子的总量减到辐照前原子量的80%情况下的阈值电压V_TH的漂移幅度，即：

这里，下标“O”表示辐射前的值，下标“1”指的是由于辐照使硼原子的数量下降20%时的值。另一方面，横坐标表示辐照前P-型硅基片中所含有的硼原子数量。从图4中可以看出，如果辐照前的硼原子数量较多，氧化层较厚，则热中子辐射导致的电参数变化也较大。举例说明之，在MOS晶体管中，如果氧化层厚度是1000

，并且在辐照前掺杂浓度为10¹²n/cm³，那么，在比额定电压低的0.56V（约10%）时，在源极与漏极之间就开始产生电流，所以器件就失效了。很容易理解，如果辐照前硅基片中B¹⁰的浓度较低，那么辐照的影响将减弱。

此外，B¹⁰吸收热中子，并引起（n、α）反应，使原子核蜕变成锂Li同时发射出氦He。正因为如此，还必须充分考虑到，除了由于硼原子数量减少的影响外，还有原子核蜕变成锂和所产生的氦都将加重对电参数的影响。

如上所述的本发明的实施例，利用了热中子吸截面较小的B¹¹，清除掉天然硼中的B¹⁰，把B¹¹作为掺杂杂质制备P-型硅基片，因此，由于射线辐照造成杂质元素的减少，进而引起电参数退化的现象趋向于减轻，从而增强了抗辐射的能力。

参照图5，序号11表示-n型导电的硅片，其下表面通过扩散掺入n-型杂质，所以形成一个高浓度n-型扩散区11a。硅片11的上表面上制成二个相互隔离的P型杂质扩散区11c和11d，后一扩散区11d中再制备一个n-型杂质扩散区11e，序号12-15标出了各个电极，它们分别与相应的扩散区11a和11c-11e保持欧姆接触，字符11b表示没有杂质扩散的区域。硅片11可以看作是一只复合晶体管，它由n-P-n双极晶体管Q₁和P-n-P双极晶体管Q₂组成。Q₁中，11a和11b区构成集电区，11d区形成基区，而11e区为发射区。Q₂中，11c区构成发射区，11b区为基区，而11d区则是集电区。这种情况可用图6的等效电路描述。图5中的序号16标出了用作纯化层的氧化硅薄膜。

关于可供这样结构的硅片11掺杂用的杂质，作为本发明的一种组合的例子，提出用铋Bi作为施主杂质，原子质量数为69的镓Ga作为受主杂质。

如图7和图8所示，在硅片11中的杂质浓度符合电子和空穴的迁移率的要求，并且也符合各区域中热平衡状态下相应电阻率的要求。

电阻率的起伏将影响晶体管的击穿电压和电流放大系数。

例如，晶体管的共发射极电流放大系数β可由下式给出：

<math><mi>β=</mi><mfrac><mrow><mi>1</mi></mrow><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>ε</mi></msub><msup><mi>W</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>B</mi></msub><msub><mi>L</mi><mi>E</mi></msub></mrow></mfrac><mi>+</mi><mfrac><mrow><msup><mi>W</mi><msub><mi>2</mi></msup><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msup><mi>2L</mi><mi>2</mi></msup></mrow></mfrac></mrow></mfrac></math>

其中ρ表示电阻率，W和L表示发射区或基区的宽度和长度，以及下标E和B表示射区和基区。

从上述公式可以清楚看出，当电阻率ρ_E或ρ_B变化时，电流放大系数β就不稳定。因为电阻率ρ_E和ρ_B取决于杂质浓度，所以由于射线的辐照，使杂质浓度发生变化，其结果将自然导致电流放大系数β值的变化。

因此，在本发明中，采用热中子吸收截面较小的杂质，作为施主杂质和受主杂质制造图5中11a-11e等掺杂区，正如前述，这将抑制各掺杂区常数的波动，从而使其电参数保持稳定。

虽然上述的实施例是针对MOS器件和双极型晶体管，但本发明不局限于此，而且也适用于所有现有的半导体器件。

根据本发明，在锑Sb、硼B、镓Ga和铟In的同位素中，如表1中所示的具有较小热中子吸收截面的那几种都可选择采用。出于诸如工艺等原因，例如高温扩散，所选择的杂质必然与其它杂质，例如，磷P、砷As、铋Bi或铝Al结合使用。即使在这种情况下，也希望利用热中子吸收截面较小的杂质。

本发明提出选用对原子核反应呈现出热中子吸收截面较小的那些元素，这样可以防止随着原子核蜕变而发生的半导体器件电参数的退化，因而，本发明有效地增强了半导体器件抗辐射的性能。

Claims (7)

1、抗辐射半导体器件包括：

a）、一半导体基片，它包括一种导电类型的至少一个区和另一种相反导电类型的至少一个区;

b）、分别与一种导电类型所说的区及相反导电类型所说的区保持欧姆接触的电极，其特征在于，上述两个所说的区域中至少有一个是掺杂了决定其导电类型的杂质，所说的杂质是指同一元素的各种同位素中热中子吸收截面较小的那种同位素，并经富集化了的。

2、根据权利要求1的一种抗辐射半导体器件，其中所说的用以确定某种导电类型的杂质是热中子吸收截面较小的那种同位素，是从原子质量数为11的硼B、原子质量数为69的镓Ga和原子质量数为113的In构成的那一组元素中选定的一种元素。

3、根据权利要求1的一种抗辐射半导体器件，其中所说的用以确定另一种相反导电类型的杂质是热中子吸收截面较小的那种同位素，是原子质量数为123的锑Sb。

4、根据权利要求2的一种抗辐射半导体器件，用以确定另一种相反导电类型的杂质是从磷P和铋Bi构成的那一组元素中选定的一种元素。

5、根据权利要求3的一种抗辐射半导体器件，其中，用以确定某一导电类型的杂质是铝A1。

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