专利名称：抗总剂量辐照的soi器件,及其制造方法
技术领域：
本发明涉及集成电路，尤其涉及一种新型的抗总剂量辐照的S0I器件及其制造方 法，属于电子技术领域。
背景技术：
集成电路技术正越来越广泛的被应用于航天、军事、核电和高能物理等与总剂量 辐照相关的行业中。而且随着集成电路集成度的不断提高，半导体器件的尺寸日益减小， 浅槽隔离技术正以其优良的器件隔离性能成为集成电路中器件之间电学隔离的主流技术。 但是由于总剂量辐照粒子对于器件中二氧化硅氧化层的损伤，会在S0I器件的氧化层内产 生大量的固定正电荷。在S0I器件中，用二氧化硅材料制作的埋氧层中的这些固定正电荷 会引起器件的衬底反型，并带来诸如亚阈值斜率变坏、器件可靠性变差等较坏影响，对CMOS 集成电路的可靠性产生较大的负面影响，并且埋氧层中的固定正电荷的存在还会引起衬底 的载流子反型，这些反型载流子在源漏偏压的作用下形成较大的源漏导通电流，使得器件 在栅压远小于阈值电压即关态的时候仍然存在较大的源漏导通电流，增大了 CMOS集成电 路的功耗，并引起一系列的可靠性问题。如何提高S0I器件的抗总剂量辐照特性，以改善整 个CMOS集成电路的抗辐照特性，成为现阶段亟待解决的一个总剂量辐照可靠性问题。因此，如果能够在不改变S0I器件埋氧结构优势的前提下提出一种可以大幅度减 弱埋氧层中固定正电荷对器件阈值电压的影响的新型器件结构，消除总剂量辐照对S0I器 件的不良影响，提高CMOS集成电路的可靠性，将会对整个集成电路的抗辐照加固具有重大 的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以减少总剂量辐照后阈值漂移的S0I器件，以及该器 件的制造方法。本发明在现有的S0I器件的结构基础上，在通常由二氧化硅材料制作的埋氧层中 增加一层由多晶硅材料构成的牺牲层，利用牺牲层材料多晶硅对辐照后的埋氧层中存在的 固定正电荷产生钳制作用，从而减弱辐照后S0I器件所产生的阈值电压漂移，改善器件的 亚阈值斜率，减小关态电流，并最终达到减小CMOS集成电路功耗，提高CMOS集成电路可靠 性的目的。具体来说，本发明提供一种抗总剂量辐照的S0I器件，该S0I器件包括衬底层，埋 氧层和顶层，所述埋氧层中包括一多晶硅牺牲层，所述埋氧层在所述多晶硅牺牲层中产生 固定负电荷。所述多晶硅牺牲层的厚度优选在lOnm到20nm的范围内；所述衬底层和所述多晶 硅牺牲层之间的埋氧层的厚度优选在lOnm到20nm的范围内；顶层和所多晶硅述牺牲层之 间的埋氧层的厚度优选在60nm到70nm的范围内。衬底层的材料优选为常规使用的P型硅， 由硅制成的衬底层在本发明中也称为硅膜衬底层。所述埋氧层的材料优选为常规使用的二氧化硅。本发明的新型抗总剂量辐照S0I工艺结构利用埋氧层材料中的正电荷能在牺牲 层材料中感应产生负电荷的特性，将埋氧层材料中因辐照产生的大量固定正电荷的电场限 制在这一牺牲层上。埋氧层中的正电荷在牺牲层中产生的大量固定负电荷的存在大大减弱 了浅槽隔离结构中埋氧层材料对硅膜衬底层材料的反型作用，并增大了埋氧层中大量固定 正电荷与衬底之间的距离，而与衬底相接的一薄层二氧化硅埋氧层材料因为很薄(比如10 纳米至20纳米)，里面产生的固定正电荷的量非常少，对衬底的影响可以忽略。这一结构设 计可以起到抑制甚至抵消埋氧层材料内固定正电荷对硅膜衬底中载流子的镜像感生作用， 抑制硅膜衬底的载流子反型，使得寄生晶体管的导通载流子大幅度减少甚至降低为零，从 而大幅度降低S0I器件的关态泄漏电流，使集成电路的抗辐照性能得到较大幅度的提升。图la，b分别显示了常规S0I器件和本发明S0I器件在埋氧层中形成的电荷类型 以及硅膜衬底中形成反型载流子浓度对比。可以看到辐照后常规S0I器件的埋氧层中产生 了大量的固定正电荷，这些正电荷导致硅膜衬底中产生了很多的负电荷的反型载流子，是 形成S0I器件关态泄漏电流的主要原因。而本发明的新型S0I器件则由于牺牲层的存在， 大大抑制了埋氧层中固定正电荷的反型作用，将电场钳制在牺牲层中，并且在牺牲层中产 生的负电荷也很好的抑制了正电荷的镜像反型作用，在很大程度上遏制了反型载流子的形 成，降低了器件关态电流和集成电路的静态功耗。图2给出了分别采用传统S0I器件和本发明S0I器件的集成电路中的NM0S晶体 管器件导通电流比较。从图中可以看出，在栅压小于零的时候采用传统S0I器件的NM0S晶 体管就已经存在很大的电流，这种大电流在器件还未进入工作状态的时候就已经存在，给 CMOS集成电路造成很大的功率损耗，并在很大程度上降低了 CMOS集成电路的应用可靠性。 而采用本发明S0I器件的NM0S晶体管在关态时电流非常小，几乎为零，对电路性能的影响 可以忽略，大大增强了 CMOS集成电路的可靠性，降低了 CMOS集成电路的功率损耗。此外，本发明还提供了 S0I器件的制造方法，该方法包括a)在硅片上通过热氧化生长方法形成第一 Si02层，其厚度一般为60-70nm ；b)在第一 Si02层上通过低压化学气相淀积方法形成多晶硅牺牲层，其厚度一般为 10-20nm ；c)在多晶硅牺牲层上通过热氧化生长方法形成第二 Si02层，其厚度一般为 10-20nm ；d)在第二 Si02层上通过低压化学气相淀积方法形成P型硅层。除此之外，本发明的抗总剂量辐照工艺结构的另一特点是所采用的多晶硅材料具 有与传统的CMOS工艺完全兼容的特点，并保留了传统的S0I工艺结构在集成电路隔离方面 具有的所有技术优势，制造工艺步骤非常简单。和现有技术相比，本发明所提出的新型的S0I器件可以大大增强集成电路的抗总 剂量辐照性能，对于减少总剂量辐照下集成电路的功耗和增强集成电路的可靠性具有重大 意义，在集成电路抗总剂量辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
图1显示常规S0I器件和本发明S0I器件经总剂量辐照后的对比图，图la表示常规S0I器件，图lb表示本发明S0I器件；图2显示常规S0I器件和本发明S0I器件的反型载流子浓度比较图；图3-10显示实施例的S0I器件制备方法各步骤的示意图。其中1-顶层；2-埋氧层；3-衬底层；4-多晶硅牺牲层；11-硅片；21-第一 Si02 层；22-第二 Si02 层。
具体实施例方式下面通过一个具体的制备实施例结合附图对本发明作进一步描述。本实施例制备根据本发明的S0I器件，制备方法主要包括如下步骤1)如图3所示，在硅片11上用热氧化生长方法生长一层二氧化硅层，即传统意 义上的埋氧层，在此称为第一 3102层21，生长过程中的热氧化温度约为1050°C，厚度约为 60-70nmo2)如图4所示，用化学机械抛光等方法对第一 5102层21的表面进行平坦化处理， 使其表面尽可能有利于接下来的淀积层均勻淀积。3)如图5所示，在第一 Si02层21的抛光表面上淀积多晶硅牺牲层4，厚度约为 10nm_20nmo4)如图6所示，同样用化学机械抛光等方法对多晶硅牺牲层4的表面进行平坦化 处理，将其表面磨平。5)如图7所示，在多晶硅牺牲层4的表面上用热氧化生长方法生长另一层二氧化 硅层，厚度约为10nm至20nm，在此称为第二 3102层22。6)如图8所示，用化学机械抛光方法将第二 Si02层22的表面磨平。7)如图9所示，在第二 Si02层22的表面上用低压化学气相淀积(LPCVD)方法淀 积一层P型硅，作为S0I器件的衬底层3，厚度适应器件制备的要求，同样对衬底层3的表面 进行化学机械抛光处理，得到平整表面，如图10所示。至此，已形成本发明的S0I器件，硅片11构成顶层，第一 Si02层21和第二 Si02层 22共同构成埋氧层，其中夹有多晶硅牺牲层4，第二 Si02层22上的P型硅层构成硅膜衬底 层3。在此基础上，按照标准S0I集成电路的工艺流程可以进一步制备S0I集成电路，如图 lb所示。
权利要求
一种抗总剂量辐照的SOI器件，该SOI器件包括衬底层，埋氧层和顶层，其特征在于，所述埋氧层中包括一多晶硅牺牲层，所述埋氧层在所述多晶硅牺牲层中产生固定负电荷。
2.如权利要求1所述的抗总剂量辐照的S0I器件，其特征在于，所述多晶硅牺牲层的厚 度在10nm到20nm的范围内。
3.如权利要求1所述的抗总剂量辐照的S0I器件，其特征在于，所述衬底层和所述多晶 硅牺牲层之间的埋氧层的厚度在lOnm到20nm的范围内。
4.如权利要求1所述的抗总剂量辐照的S0I器件，其特征在于，所述顶层和所述多晶硅 牺牲层之间的埋氧层的厚度在60nm到70nm的范围内。
5.如权利要求1-4任意一项所述的抗总剂量辐照的S0I器件，其特征在于，所述衬底层 的材料为P型硅，所述埋氧层的材料为二氧化硅。
6.一种抗总剂量辐照的S0I器件的制造方法，包括下列步骤a)在硅片上通过热氧化生长方法形成第一Si02层；b)在第一3102层上通过低压化学气相淀积方法形成多晶硅牺牲层；c)在多晶硅牺牲层上通过热氧化生长方法形成第二Si02层；d)在第二Si02层上通过低压化学气相淀积方法形成P型硅层。
7.如权利要求6所述的抗总剂量辐照的S0I器件的制造方法，其特征在于，第一Si02 层的厚度在60nm到70nm的范围内。
8.如权利要求6所述的抗总剂量辐照的S0I器件的制造方法，其特征在于，多晶硅牺牲 层的厚度在lOnm到20nm的范围内。
9.如权利要求6所述的抗总剂量辐照的S0I器件的制造方法，其特征在于，第二Si02 层的厚度在lOnm到20nm的范围内。
10.如权利要求6所述的抗总剂量辐照的S0I器件的制造方法，其特征在于，分别在步 骤a)、b)、c)和d)之后对形成的层进行表面处理，所述表面处理包括化学机械抛光处理。
全文摘要
本发明公开了一种基于多晶硅的抗总剂量辐照的SOI器件及其制造方法，属于电子技术领域。本发明所述的SOI器件包括衬底层，埋氧层和顶层，所述埋氧层中包括一多晶硅牺牲层，所述埋氧层在所述多晶硅牺牲层中产生固定负电荷。所述衬底层的材料为P型硅，所述埋氧层的材料为二氧化硅。本发明所述的制造方法包括a)在硅片上通过热氧化生长方法形成第一SiO2层；b)在第一SiO2层上通过低压化学气相淀积方法形成多晶硅牺牲层；c)在多晶硅牺牲层上通过热氧化生长方法形成第二SiO2层；d)在第二SiO2层上通过低压化学气相淀积方法形成P型硅层。本发明可用于航天、军事、核电和高能物理等与总剂量辐照相关的行业中。
文档编号H01L21/762GK101859782SQ20101016446
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者刘 文, 郝志华, 黄如 申请人:北京大学