一种抗辐照加固双极型晶体管及该晶体管的制备方法
【专利摘要】一种抗辐照加固双极型晶体管及该晶体管的制备方法，属于电子【技术领域】。它是为了解决现有双极型晶体管抗辐照能力低的问题。一种抗辐照加固双极型晶体管，发射区以基区的对角线为对称线呈左右对称的正方形对称梳状结构，该对称线两侧对称向外延伸出n对矩形齿结构，每对矩形齿结构之间的夹角均为90度；上述晶体管的制备方法，在掺杂元素扩散形成基区时，基区的扩散结深度在1μm至2.5μm之间；在基区的表面扩散一层硼；掺杂元素扩散形成发射区时，发射区的扩散结深度在0.5μm至2μm之间；在氧化时，保证干氧的厚度在1nm至10nm之间，湿氧的厚度在200nm至1μm之间。本发明适用于商业化抗辐照双极型晶体管的应用及生产。
【专利说明】一种抗辐照加固双极型晶体管及该晶体管的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子【技术领域】，尤其涉及一种抗辐照加固双极型晶体管。
【背景技术】
[0002]空间辐射环境中的电子及质子对航天器用电子器件的性能有着强烈的影响，会造成电离辐射效应、位移辐射效应和单粒子效应等，导致电子器件的异常或失灵，甚至最终导致航天器发生灾难性的事故。因此，提高双极型器件的抗辐照能力，对于优化航天器的选材和设计及提高航天器的在轨服役可靠性，具有十分重要的工程实际意义。
[0003]双极型器件的发射区周长/面积比是影响其抗辐照能力的重要因素。经辐照实验后，双极器件的基极电流&主要包括理想电流和辐照诱导的非理性电流。因此，非理性电流是需要特别注意、并加以改善的。非理想电流又包含体复合电流、耗尽层复合电流以及表面复合电流。当双极器件受到总剂量损伤(电离损伤)时，非理想电流主要是表面复合电流。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决现有双极型晶体管抗辐照能力低的问题，现提供一种抗辐照加固双极型晶体管及该晶体管的制备方法。
[0005]一种抗辐照加固双极型晶体管，该晶体管的发射区以基区的对角线为对称线呈左右对称的正方形对称梳状结构，该对称线两侧对称向外延伸出η对矩形齿结构,每对矩形齿结构之间的夹角均为90度，η为大于3的正整数。
[0006]上述η的取值范围大于3小于10。
[0007]所有矩形齿结构的宽度均相等。
[0008]位于对称线同一侧、相邻的两个矩形齿之间的距离与所述矩形齿的宽度相等。
[0009]一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，该制备方法，
[0010]在掺杂元素扩散形成基区时，基区的扩散结深度在14 111至2.54 111之间；
[0011]基区扩散完成后，在基区的表面扩散了一层硼或磷；
[0012]掺杂元素扩散形成发射区时，发射区的扩散结深度在0.5μπι至2μπι之间；
[0013]在氧化时，保证干氧的厚度在Inm至IOnm之间，湿氧的厚度在200nm至I μ m之间。
[0014]上述在基区的表面扩散的一层硼(P型基区)或磷(N型基区)，所述硼或磷的浓度在 IE17/cm3 至 1E20/W 之间。
[0015]上述基区的扩散结深度为1.5 μ m。
[0016]上述发射区的扩散结深度为1.2μπι。
[0017]在氧化时，干氧化层的厚度为5.5nm。
[0018]在氧化时，湿氧化层的厚度为700nm。
[0019]本发明所述的一种抗辐照加固双极型晶体管，克服了现有技术中双极晶体管的发射区采用长方形的梳状结构的固有思路，而是在不影响器件的电性能参数，并且保障发射极面积不变的前提下，将原有的长方形的梳状结构改为正方形对称梳状结构，通过改进版图工艺设计以减小双极器件的发射区的周长与面积比，降低了氧化物俘获正电荷和界面态对双极器件的复合漏电流的影响，降低对双极晶体管的电流增益损伤程度，达到提高双极器件抗辐照能力的目的；同时能够大幅度降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷和界面态对器件性能参数的影响，使双极器件的抗辐照能力增强了 60%-80%，同时本发明所述的晶体管的失效阈值比现有结构的晶体管提高了 2-5倍。
[0020]本发明所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，保留了传统的双极器件工艺技术中的绝大部分工艺步骤及参数，仅仅修改了其中几个工艺的具体参数和过程，使得制造工艺步骤非常简单，但采用该制备方法获得的双极型晶体管，与采用现有常规工艺制作的同类型产品相比较，其抗辐照能力和失效阈值都有明显提高。
[0021 ] 本发明在双极器件抗辐照加固技术有着广阔的应用前景，适用于商业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明所述的一种抗辐照加固双极型晶体管发射区的结构示意图；
[0023]图2是现有常规双极晶体管的简化结构示意图；
[0024]图3是现有晶体管中一种长方形的梳状发射区的结构示意图；
[0025]图4是经低能电子辐照后，不同发射区周长/面积比(P/A)的双极晶体管电流增益倒数变化量随辐照注量的变化关系曲线图；
[0026]图5是相同吸收剂量条件下，过剩基极漏电流随双极晶体管发射区周长/面积比的变化关系曲线图；
[0027]图6是本发明所述的双侧梳状结构发射区和现有梳状结构的双极晶体管电流增益变化量随吸收剂量的变化关系曲线图。
【具体实施方式】
[0028]【具体实施方式】一:参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种抗辐照加固双极型晶体管，该晶体管的发射区以基区的对角线为对称线呈左右对称的正方形对称梳状结构，该对称线两侧对称向外延伸出η对矩形齿结构，每对矩形齿结构之间的夹角均为90度，η为大于3的正整数。
[0029]常规双极晶体管简化结构示意图，如图2所示；通常，双极晶体管的发射区采用长方形的梳状结构，如图3所示。图4显示了经低能电子辐照后，不同发射区周长/面积比的双极晶体管电流增益倒数变化量随辐照注量的变化关系。由图4可见，在相同辐照注量条件下，双极晶体管的发射区周长/面积比越小，辐照损伤程度越小，抗辐照能力越强。
[0030]为了进一步说明发射区周长/面积比对双极器件抗辐照性能的影响，图5给出了不同吸收剂量条件下，过剩基极漏电流随双极晶体管发射区周长/面积比的变化关系。由图5可见，发射区周长/面积比越大，过剩基极电流越大，导致增益的损伤程度加剧，双极器件抗辐照能力降低。
[0031]通过上述实验结果可见，双极型器件的发射区周长/面积比是影响其抗辐照能力的重要因素。经辐照实验后，双极器件的基极电流主要包括理想电流和辐照诱导的非理性电流。因此，非理性电流是需要特别注意，并加以改善的。非理想电流又包含体复合电流、耗尽层复合电流以及表面复合电流。当双极器件受到总剂量损伤(电离损伤)时，非理想电流主要是表面复合电流。由上述分析可知，发射区周长/面积比越小，辐照损伤程度越小，抗辐照能力越强。因此，本发明通过优化双极器件发射区的形状来减小该发射区的周长/面积比，进而达到大大降低辐照诱导的表面复合电流、提高双极器件的抗辐照能力的效果。
[0032]本实施方式所述的一种抗辐照加固双极型晶体管，在不影响器件的电性能参数，并且保障发射极面积不变的前提下，通过改进版图工艺设计以减小双极器件的发射区周长面积比。
[0033]本实施方式所述的一种抗辐照加固双极型晶体管，降低了氧化物俘获正电荷和界面态对双极器件的复合漏电流(尤其是减少过剩基极电流，Λ Ib)的影响，降低对双极晶体管的电流增益损伤程度，达到提高双极器件抗辐照能力的目的；同时能够大幅度降低电离辐照诱导的氧化物俘获正电荷和界面态对器件性能参数的影响，显著增强双极器件的抗辐照能力。
[0034]【具体实施方式】二:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种抗辐照加固双极型晶体管作进一步说明，本实施方式中，η的取值范围大于3小于10。
[0035]【具体实施方式】三:本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种抗辐照加固双极型晶体管作进一步说明，本实施方式中，所有矩形齿结构的宽度均相等。
[0036]【具体实施方式】四:本实施方式是对【具体实施方式】3所述的一种抗辐照加固双极型晶体管作进一步说明，本实施方式中，位于对称线同一侧、相邻的两个矩形齿之间的距离与所述矩形齿的宽度相等。
[0037]【具体实施方式】五:本实施方式所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，该制备方法，在掺杂元素扩散形成基区时，基区的扩散结深度在Iym至2.5 μπι之间；
[0038]基区扩散完成后，在基区的表面扩散一层硼或磷；
[0039]掺杂元素扩散形成发射区时，发射区的扩散结深度在0.5μπι至2μπι之间；
[0040]在氧化时，保证干氧氧化层的厚度在Inm至IOnm之间，湿氧化层的厚度在200nm至I μ m之间。
[0041]本实施方式是在传统的晶体管制备方法的基础之上，仅仅对扩散基区时以及之后扩散发射区时和氧化时的工艺步骤作进一步调整。
[0042]所述传统的NPN晶体管制备方法的过程如下所述:
[0043]一、制备衬底。
[0044]二、制备埋层。
[0045]三、去除全部二氧化硅后，外延生长一层轻掺杂的硅。此外延层作为集电区。整个双极型集成电路及分立器件便制作在这一外延层上。
[0046]四、在外延层上先生长一层二氧化硅，然后进行二次光刻，刻蚀出隔离区，接着预淀积或离子注入相应的杂质元素，并再扩散(或者退火)使杂质推进到一定距离，形成相应类型的隔离区。
[0047]五、为降低集电极串联电阻，需要制备重掺杂的相应类型的接触，进行第三次光亥Ij,刻蚀出集电极,再注入(或扩散)相应类型的杂质元素并退火。
[0048]六、再进行第四次光刻，刻蚀出基区区域，然后在该发范围内注入相应类型的掺杂元素并退火，扩散形成基区。
[0049]七、在基区上生长一层氧化物，进行第五次光刻，刻蚀出发射区区域，然后在该范围内注入相应类型的掺杂元素并退火，扩散形成发射区。
[0050]八、淀积二氧化硅后，进行第六次光刻，刻蚀出接触窗口，用于引出电极线。接触孔中溅射金属铝形成欧姆接触。
[0051]九、进行第七次光刻，形成互联金属布线，最后生长钝化层，封装器件。
[0052]本实施方式所述的晶体管制备方法，保留了传统的双极器件工艺技术，制造工艺步骤非常简单。利用Co-60辐照源对本实施方式所制备的一种抗辐照加固双极型晶体管和现有晶体管进行抗辐照能力对比试验，所述Co-60辐照源的剂量率为0.lrad/s，总剂量为lOOkrad，以电流增益变化量-60作为失效判据，获得两种双极晶体管的电流增益变化量随吸收剂量的变化关系曲线图，如图6所示，从图中可以看出，本实施方式所制备的双极型晶体管与传统工艺制备的晶体管相比，本实施方式制备的晶体管的发射区梳状结构的失效阈值提高了 2.3倍。即:本实施方式所述的晶体管制备方法与现有制备方法相比较获得了意想不到的好的技术效果。
[0053]【具体实施方式】六:本实施方式是对【具体实施方式】五所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法作进一步说明，本实施方式中，所述在基区的表面扩散的一层硼或磷，所述硼或磷的浓度在IE17/cm3至lE20/cm3之间。
[0054]由于基区的掺杂元素及其分布直接影响器件电流增益、截止频率等特性，因此注入硼的剂量和能量要控制硼的浓度在lE17/cm3至lE20/cm3之间，以便减小表面发射结空间电荷区面积，减小辐射损伤效应。
[0055]【具体实施方式】七:本实施方式是对【具体实施方式】五所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法作进一步说明，本实施方式中，基区的扩散结深度为1.5μπι。
[0056]【具体实施方式】八:本实施方式是对【具体实施方式】五所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法作进一步说明，本实施方式中，发射区的扩散结深度为1.2μπι。
[0057]【具体实施方式】九:本实施方式是对【具体实施方式】五所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法作进一步说明，本实施方式中，在氧化时，干氧氧化层的厚度为5.5nm。
[0058]【具体实施方式】十:本实施方式是对【具体实施方式】五所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法作进一步说明，本实施方式中，在氧化时，湿氧氧化层的厚度为700nm。
【权利要求】
1.一种抗辐照加固双极型晶体管，其特征在于，该晶体管的发射区以基区的对角线为对称线呈左右对称的正方形对称梳状结构，该对称线两侧对称向外延伸出η对矩形齿结构，每对矩形齿结构之间的夹角均为90度，η为大于3的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种抗辐照加固双极型晶体管，其特征在于，η的取值范围大于3小于10。
3.根据权利要求1所述的一种抗辐照加固双极型晶体管，其特征在于，所有矩形齿结构的宽度均相等。
4.根据权利要求1所述的一种抗辐照加固双极型晶体管，其特征在于，位于对称线同一侧、相邻的两个矩形齿之间的距离与所述矩形齿的宽度相等。
5.一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，其特征在于，该制备方法， 在掺杂元素扩散形成基区时，基区的扩散结深度在I μ m至2.5 μ m之间； 基区扩散完成后，在基区的表面扩散了一层硼或磷； 掺杂元素扩散形成发射区时，发射区的扩散结深度在0.5 μ m至2 μ m之间； 在氧化时，保证干氧氧化层的厚度在Inm至IOnm之间，湿氧氧化层的厚度在200nm至Iμ m之间。
6.根据权利要求5所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述在基区的表面扩散的一层硼或磷，所述硼或磷的浓度在lE17/cm3至lE20/cm3之间。
7.根据权利要求5所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，其特征在于，基区的扩散结深度为1.5 μ m。
8.根据权利要求5所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，其特征在于，发射区的扩散结深度为1.2 μ m。
9.根据权利要求5所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，其特征在于，在氧化时，干氧氧化层的厚度为5.5nm。
10.根据权利要求5所述的一种抗辐照加固双极型晶体管的制备方法，其特征在于，在氧化时，湿氧氧化层的厚度为700nm。
【文档编号】H01L29/08GK103872105SQ201410135478
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】刘广桥, 李兴冀, 赵玉玲, 刘艳秋, 段庆禄, 杨剑群, 孙毅, 刘超铭, 李鹏伟, 宋桂芬, 何世禹 申请人:石家庄天林石无二电子有限公司, 哈尔滨工业大学, 中国空间技术研究院