JPS6342174A - 耐放射線性が改善された半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置にかかり、特に半導体集積回路素
子特性の耐放射線性向上に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路を宇宙環境、原子炉周辺などで使
用する機会が増加しつつある。そのような厳しい環境下
におかれた半導体集積回路は種々の放射線損傷を受け、
回路の誤動作および破壊を生じ、システムの機能低下を
受けやすい。したがって放射線に強い半導体集積回路の
開発が望まれる。高集積回路の基本素子である絶縁ゲー
ト電界効果トランジスタ（以後、ＭＯＳトランジスタと
略す）およびバイポーラトランジスタの放射線損傷の主
な原因はシリコン酸化膜中への正電荷の蓄積とシリコン
酸化膜−シリコン基板界面における界面準位密度の増加
である。その結果、しきい値電圧の変動とリーク電流の
増加、あるいは電流増幅率の低下をもたらす。すなわち
電離放射線がシリコン酸化膜に入射すると多量の電子−
正孔対が生成する。その後その一部は再結合して消滅す
るが、一部はシリコン酸化膜にｔＩｌｒ獲される。その
際、電子の移動度は大きく、正のゲート電圧のもとでは
短時間で酸化膜外に拡散するが正孔は移動度が小さく、
シリコン酸化膜内に捕獲され、正の固定電荷が形成され
る。またシリコン酸化膜−シリコン基板界面に捕獲され
た正孔は界面準位を形成するといわれている。

以上述べた固定正電荷の生成と界面準位の発生量はシリ
コン酸化膜の形成法、およびその後の熱処理過程によっ
て大きく変化する。したがって低温製造プロセス等径々
の放射線性向上の方法が採用されている。

従来、放射線環境内で使用される半導体集積回路は一旦
、放射線損傷により特性が設計基準を越えると使用不能
になり、新しい集積回路に変換する必要があった。しか
し、衛星内で用いる集積回路等、容易に交換できない場
合がある。したがって耐性の優れた集積回路の開発が望
まれるわけであるが、その耐性はまだ充分とは言えない
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は上記の問題点を解決するため新規の半導体集積
回路を提供するものである。

ゲート絶縁膜下の半導体基板に望ましくは１０７〜１０
８ｄｙｎｅｓｃｍ　＝の圧縮応力がかかるようなゲート
電極を存し、かつ１００〜３００″Ｃの加熱処理を施す
装置を備えた半導体装置を得る。この加熱処理は周期的
に繰り返されたり、あるいは素子の放射線劣化がある一
定の基準を越えたときに施こす。

〔発明の原理〕

次に、本発明の原理について述べる。放射線照射により
酸化膜中に固定電荷が蓄積し、シリコン−シリコン酸化
膜界面に界面準位が発生する。その際、第５図に示すよ
うにゲート電極によりゲート酸化膜下のシリコン基板に
圧縮応力が加わると放射線損傷は減少する。特に界面準
位生成量は圧縮応力増加とともに大幅に減少する。すな
わち圧縮応力は正電荷が界面に達し、界面準位を形成す
る過程を阻止する効果をもつさらに加熱処理を行うと固
定正電荷は比較的低温（５０℃以上）で消去されるかあ
るいはシリコン界面に達し、界面準位を形成する。一方
、界面準位消滅のための活性化エネルギーは高には、固
定正電荷から界面準位への転化する割合を減少させる必
要がある。シリコン基板への圧縮応力はこの効果を有す
る。

出願人は、シリコン半導体素子の層間膜あるいは保護膜
を多量の水素を含む構造にし、加熱処理により容易にシ
リコン酸化膜中に水素拡散できるようにして界面準位を
減らすことを特願昭６ｌ−１９４１３（昭和６１年１月
３０日出願）に提案した。すなわち、シリコン酸化膜中
に拡散した水素は固定正電荷の捕獲された場所に到達し
、正電荷を受けとりプロトンとなる。

さらに生成したプロトンはシリコン界面に達し、一部は
界面準位を発生する。この過程は比較的低温（５０℃以
上）でも速やかに進行する。

また水素の存在下では界面準位消去のための活性化エネ
ルギーは１００〜３００　’Ｃ程度に減少する。したが
って１００〜３００℃の加熱処理を行えば損傷が回復で
きるが、シリコン酸化膜中の水素濃度が増加すると放Ｑ
ｔ線照射による劣化速度がしだいに増加す゛る。また２
００〜３００℃の高温処理の回数はできるだけ減少させ
るのが経済的である。このため、シリコン基板への圧縮
応力の印加は固定正電荷から界面準位への転化する割合
を減少させるので加熱処理回数および加熱温度を低減す
る効果を臀している。

〔実施例〕

次に図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明の一実施例として、層間膜あるいは保護膜に多量
の水素を含まない半導体集積回路を放射線照射した場合
を例にとって述べる。第１図および第２図の（Ａ）はゲ
ート電極によりシリコン基板界面に圧縮応力を印加した
集積回路、（Ｂ）は応力を印加しない集積回路を示して
いる。

第１図および第２図はこれら集積回路（Ａ）、（Ｂ）を
放射線照射しつつ、一定時間ごとに１００℃の加熱を行
なった場合の放射線損傷の導いずれでもかまわない。第
１図が固定正電荷量、第２図が界面準位発生量の時間変
化である。

集積回路（Ｂ）では加熱処理によって固定電荷が減少す
るものの界面準位の増加は加熱処理によって急戯に増加
し、閾値電圧の変動、リーク電流が増大する。

一方、集積回路（Ａ）では加熱処理によって固定正電荷
は減少し、さらに放射線損傷および加熱処理による界面
準位発生量は圧縮応力によ本発明の他の実施例によれば
、層間膜および保護膜に多量の水素を含む半導体集積回
路を放射線照射した場合について述べる。第３図および
第４図の（Ｃ）はゲート電極によりシリコン基板界面に
圧縮応力を印加した集積回路、（Ｄ）は応力を印加しな
い集積回路を示す。

第３図！１第４図はこれら集積回路を、放射線照射し一
定時間ごとにｉ　ｏ　ｏ　’ｃの加熱を行なった場合の
放射線損傷の時間変化を示す。第３図が固定正電荷量、
第４図が界面準位密度の経時変化である。

水素の存在下では固定正電荷から界面準位への変化が速
やかに起こる。集積回路（Ｄ）の界面準位発生量は加熱
処理によって急激に増加している。一方、集積回路（Ｃ
）の界面準位発生量は小さく、長時間の安定動作が可能
となる。

また２００〜３００℃の加熱処理を行った場合、集積回
路（Ｃ）、（Ｄ）ともに界面準位密度も減少し損傷は回
復する。しかし、加熱処理を操り返してシリコン酸化膜
中に水素濃度が増加するとともに、放射線劣化の速度は
増加する。

集積回路（Ｄ）はもともと放射線損傷量（特に界面準位
発生量）が集積回路（Ｃ）に較べ大きいため回復のため
の加熱処理時間が長くなり、これがシリコン酸化膜中の
水素濃度を高くし、劣化速度を増大させる。一方、集積
回路（Ｃ）は放射線損傷量（特に界面準位発生量）が小
さく、高温の加熱処理時間が短くてよい。したがって水
素のシリコン酸化膜中への拡散を最少に抑えることがで
き、長期にわたり安定に使用することが可能となる。

本発明の各実施例において、加熱は同−容器内又は外部
に設置されたヒーターで行う。また、この加熱は周期的
にに行っても良いし、同一容器内にテスト素子を設置し
ておき、とのテスにしても良い。

［発明の効果］ 斯くのごとく、本発明を半導体集積回路装置に適用する
と、放射線損傷を受けても回路特性を回復できるため長
時間の放射線環境下での使用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図は固定正電荷蓄積量の経時変化を示
すグラフ、第２図および第４図は界面準位発生量の経時
変化を示すグラフである。 第５図は放射線損傷と半導体基板に加える応力との関係
を示したグラフである。 （Ａ）は層間膜あるいは保護膜に多量の水素を含まず、
シリコン界面に圧縮応力が印加された集積回路の特性 （Ｂ）は居間型あるいは保護膜に多量の水素を含まず、
シリフン界面に圧縮応力が印加されない集積回路の特性 （Ｃ）は層間膜あるいは保護膜に多量の水素を含み、シ
リコン界面に圧縮応力が印加された集積回路の特性 （Ｄ＞は層間膜あるいは保護膜に多量の水素を含み、シ
リコン界面に圧縮応力が印加されない集積回路の特性 手呼ｈバ　（η」り寸）メ匣−ン 寮ｌ　７ 拝聞（託はト迫） 芋２０ ＶドＭ（相片進） 猶３回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ポリサイド等のゲート電極によりシリコン半導体集
   積回路において、ゲートシリコン酸化膜上に接するメタ
   ル、シリサイドゲート絶縁膜下の半導体基板に圧縮応力
   が加わるような材料からなるゲート電極を備え、かつ１
   ００〜３００℃の加熱処理を施こす装置を具備したこと
   を特徴とする耐放射線性が改善された半導体装置。 ２、前記加熱処理は周期的に行なわれることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の耐放射線性が改善された
   半導体装置。 ３、前記加熱処理は放射線性損傷がある基準値を越える
   と自動的に行なわれることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の耐放射線性が改善された半導体装置。 ４、前記圧縮応力は１０＾７〜１０＾８ｄｙｎｅｓ／ｃ
   ｍ＾２であることを特徴とする特許請求の範囲第２項も
   しくは第３項記載の耐放射線性が改善された半導体装置
   。