一种抗辐射加固的LDMOS晶体管和制备方法与流程

一种抗辐射加固的ldmos晶体管和制备方法
技术领域
1.本发明属于宇航微电子技术领域，具体属于一种抗辐射加固的ldmos晶体管和制备方法。


背景技术：

2.随着载人航天、空间探测等大型工程的发展，宇航微电子系统对抗辐射高性能线性电源、模拟开关、高压驱动器等集成电路的需求迫切，并对该类电路的抗辐射能力提出了更高要求。该类电路多采用bcd(bipolar、cmos、dmos)数模混合工艺进行制造。目前对于cmos、双极器件的抗辐射加固技术研究相对成熟，已有系列化的抗辐射cmos、抗辐射双极集成电路应用于卫星、空间飞行器，而针对bcd技术中高压ldmos器件的抗辐射技术研究相对较少，尚未形成系统的ldmos加固技术，因此，限制了bcd工艺技术向抗辐射加固集成电路领域的转化应用。
3.对于高压ldmos器件，主要受到电离总剂量辐射、单粒子辐射两类效应的影响：
4.(1)总剂量辐射会在器件的栅氧化层和场区氧化层中产生电子—空穴对，电子因迁移率较高很快漂移出氧化层或被复合，空穴则在si/sio2界面附近被陷阱俘获，在sio2层中形成正电荷，同时总剂量辐射还会在si/sio2界面引入界面态，加剧对电荷的俘获，最终会引发器件阈值电压vth的漂移，对于n型沟道ldmos，引起场寄生管开启电压降低、漏电流增大、击穿电压降低等特性参数退化，严重时会导致电路失效。
5.(2)单粒子辐射会在ldmos器件内部产生电子—空穴对，对于n型沟道ldmos，在漂移区电场作用下，电子沿入射粒子径迹向漏极移动，空穴向栅极移动，由于电荷收集效应在si/sio2界面产生局部的瞬态场强。当电场瞬时增量足够大时，将引起栅介质局部烧毁。另一方面，当重粒子入射产生的电子—空穴对，在漂移和扩散效应的双重作用下，通过寄生双极晶体管的横向基区流向集电极而形成瞬态电流，造成寄生双极晶体管导通，随着正反馈电流持续增加导致器件烧毁。
6.现有技术在提高抗单粒子辐射能力方面，相关研究提出在n型沟道ldmos器件漂移区场氧下方引入一层p型掺杂的埋层，通过横向电场调制使漂移区电子
‑
空穴对产生率大幅度降低，进而提高单粒子烧毁(seb)的阈值。在抗总剂量辐射加固方面，主要通过制作薄栅氧化层以减小陷阱电荷及界面态密度，达到降低辐照前后阈值电压变化量的目的，然而栅氧化层的减薄不利于保障器件的抗单粒子栅穿能力。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种抗辐射加固的ldmos晶体管和制备方法，以克服传统ldmos器件抗辐射能力差、现有抗辐射加固技术结构复杂、工艺难度大的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种抗辐射加固的ldmos晶体管，包括衬底；
10.所述衬底表面并列形成有阱和漂移区；所述阱上依次层叠有sio2氮氧硅层和hto氮氧硅层；所述hto氮氧硅层上形成有多晶栅；
11.所述漂移区上形成有多个场氧；场氧之间形成有场环；场环上形成有sio2薄氮氧硅层；所述阱、多晶栅、场氧和sio2薄氮氧硅层上形成有介质层。
12.优选的，所述sio2氮氧硅层是通过将sio2栅氧层经过氮化处理所形成，所述sio2氮氧硅层的厚度范围为
13.所述hto氮氧硅层是通过将hto栅氧层经过氮化处理所形成，所述hto氮氧硅层的厚度为
14.所述sio2氮氧硅层与hto氮氧硅层构成抗辐射加固的复合栅结构。
15.优选的，所述sio2薄氮氧硅层是通过将sio2薄氧化层经过氮化处理所形成，所述sio2薄氮氧硅层的厚度为
16.优选的，所述阱内部的源极掺杂区和体引出端掺杂区；所述漂移区上形成有漏极掺杂区。
17.优选的，所述介质层上设置有金属。
18.一种抗辐射加固的ldmos晶体管的制备方法，包括以下过程，
19.在衬底表面形成阱和漂移区；
20.在阱上依次生长sio2栅氧层氮化形成sio2氮氧硅层、淀积hto栅氧层氮化形成hto氮氧硅层，sio2氮氧硅层和hto氮氧硅层形成复合栅介质结构，淀积多晶硅形成栅极；
21.在漂移区上的场氧之间形成场环，场环上依次生长sio2薄氧化层，并氮化成sio2薄氮氧硅层形成漂移区加固结构；
22.在阱、多晶栅、场氧和sio2薄氮氧硅层上淀积形成有介质层。
23.优选的，具体包括以下步骤，
24.步骤1，在硅衬底表面形成隔离区；
25.步骤2，在形成隔离区的硅衬底上通过光刻、注入、扩散工序形成漂移区，在漂移区上形成有多个场氧，场氧之间形成有场环，场环上形成sio2薄氧化层，将sio2薄氧化层氮化处理成sio2薄氮氧硅层，形成漂移区加固结构；
26.步骤3，在硅衬底表面通过光刻和离子注入形成阱；
27.步骤4，在阱上生长sio2栅氧层，将sio2栅氧层氮化后形成sio2氮氧硅层，在sio2氮氧硅层表面淀积hto栅氧层，将hto栅氧层氮化后形成hto氮氧硅层，sio2氮氧硅层和hto氮氧硅层形成复合栅介质；
28.步骤5，在hto氮氧硅层上形成多晶栅；
29.步骤6，阱、多晶栅、场氧和sio2薄氮氧硅层上形成有介质层；
30.步骤7，在介质层上形成金属。
31.优选的，所述复合栅结构的制备具体包括以下过程，
32.步骤1，采用氧化工艺在阱上形成sio2栅氧层，氧化反应的温度范围为800～1000℃；
33.步骤2，sio2栅氧层生长完成后在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火，形成sio2氮氧硅层，氮化的温度范围为850～1000℃，时间为30～60min；
34.步骤3，在sio2氮氧硅层表面淀积hto栅氧层，hto栅氧层通过sih2cl2和n2o按照(1):(5～10)的体积比例在800～850℃下淀积反应生成；
35.步骤4，hto栅氧层在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火，形成hto氮氧硅层，氮化的温度范围为850℃～1000℃，sio2氮氧硅层和hto氮氧硅层形成复合栅介质结构。
36.优选的，所述漂移区加固结构具体包括以下步骤，
37.步骤1，在漂移区表面淀积氮化硅作为掩膜，通过光刻和刻蚀形成场区氧化的窗口图形，再进行氧化反应形成场氧化层；
38.步骤2，采用氧化工艺在漂移区上形成sio2薄氧化层，氧化反应的温度范围为800℃～1000℃；
39.步骤3，sio2薄氧化层生长完成后在n2、no或n2o气氛环境中高温氮化退火，形成sio2薄氮氧硅层，氮化的温度范围为850～1000℃，时间为30～60min；
40.步骤4，在sio2薄氮氧硅层上通过cvd方法形成介质层，形成漂移区加固结构。
41.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
42.本发明提出一种抗辐射加固的ldmos晶体管，通过采用复合栅介质结构和漂移区加固工艺形成的晶体管，该复合栅介质可减小器件总剂量辐射前后的阈值电压的变化量，并提高器件的单粒子栅穿(segr)阈值，氮化可以将原先sio2栅氧层中的si
‑
h键和si悬挂键转化为更加牢固的si
‑
n键，形成氮氧硅，从而提高栅氧的抗辐射能力。同时，漂移区加固工艺可以降低总剂量辐射后的击穿电压的退化，本发明可显著提升ldmos器件在空间辐射环境中应用的可靠性。
43.本发明提出一种抗辐射加固的ldmos晶体管的制备方法，是一种带复合栅介质及漂移区加固结构的ldmos工艺，先在硅衬底表面形成阱、漂移区。在阱内按改进的工艺依次生长sio2栅氧层、形成sio2氮氧硅层、淀积hto栅氧层并形成hto氮氧硅层，淀积多晶硅形成栅极；在漂移区内形成总剂量加固的场环，然后按改进的工艺依次生长薄sio2层，并在n2、no或n2o气氛环境中退火形成薄氮氧硅层，作为漂移区的加固氧化层，后续在其之上进一步形成介质层。本发明将原有的sio2单栅结构调整为sio2氮氧硅层/hto氮氧硅层的复合栅结构，可以避免sio2单栅结构内部线缺陷形成的漏电通路问题，从而提高栅氧的可靠性并有利于提高抗单粒子栅穿能力。并且，在sio2和hto生长后增加了含氮气氛的退火工艺，减少了氧化层中的缺陷和陷阱，可以进一步提高栅氧的可靠性，并能减少辐射后器件的阈值漂移量从而提高抗总剂量辐射能力。本发明将原有的cvd介质结构调整为薄热氧sio2/氮氧化硅/cvd介质的复合介质结构，可减少总剂量辐射在漂移区与介质界面处的电荷及界面陷阱，降低辐射效应对场环分压作用的影响，改善器件击穿电压在辐射后的退化程度。
附图说明
44.图1为传统ldmos晶体管示意图(以n型沟道ldmos为例)；
45.图2为总剂量辐射对ldmos的影响示意图(以n型沟道ldmos为例)；
46.图3为本发明抗辐射加固的ldmos结构示意图；
47.附图中：1为阱；2为漂移区；3为场氧；4为场环；5为sio2栅氧层；5’为sio2氮氧硅层；6为hto栅氧层；6’为hto氮氧硅层；7为多晶栅；8为源极掺杂区；9为体引出端掺杂区；10为漏极掺杂区；11为sio2薄氧化层；11’为sio2薄氮氧硅层；12为介质层；13为金属。
具体实施方式
48.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
49.典型的常规ldmos器件结构如图1所示(以n型沟道ldmos为例)。在辐射环境下，会在栅氧sio2及场氧sio2层中产生电子—空穴对，电子在sio2中迁移率较高，大部分很快移出氧化层。空穴的迁移率较慢，除与电子复合的空穴外，剩余的被sio2层的缺陷俘获，形成氧化层陷阱正电荷，另一方面辐照效应会在sio2与硅界面附近产生界面态，进一步加剧对电荷的俘获。对于栅氧化层的影响主要表现为阈值电压漂移、饱和电流降低，对于场氧化层的影响主要表现为场寄生管漏电、击穿电压降低等。
50.如图2所示(以n型沟道ldmos为例)，在总剂量辐射效应下，ldnmos器件的栅氧化层及场氧化层与下方硅界面附近感应产生大量正电荷，一方面引起p阱表面有效浓度降低，导致器件阈值电压变小；另一方面影响场环的分压效果，导致器件击穿电压降低。
51.针对空间辐射环境对ldmos器件的应用需求，本发明提出了复合栅及漂移区加固工艺的ldmos器件结构，按改进的工艺依次生长sio2栅氧层5、形成sio2氮氧硅层5’、淀积hto栅氧层6并通过含氮气氛的退火工艺来形成抗辐射加固的复合栅层；在漂移区上通过注入在表面形成场环4，在其之上形成sio2薄氧化层11，并在含氮气氛中进行退火工艺来形成sio2薄氮氧硅层11’，后续通过cvd的方法在其之上形成介质层12。
52.以上加固结构的工艺完成后，按常规工艺流程完成其余工序。
53.如图3所示，本发明提出的抗辐射加固的ldmos器件结构示意图，依次包括：
54.阱1及与其相邻的漂移区2；
55.位于漂移区2内部的场氧3、场氧3之间的场环4；
56.位于阱1上方的sio2氮氧硅层5’、位于sio2氮氧硅层5’之上的hto氮氧硅层6’、位于hto氮氧硅层6’之上的多晶栅7；
57.位于阱1内部的源极掺杂区8、体引出端掺杂区9；
58.位于漂移区2内部的漏极掺杂区10；
59.位于漂移区2上方的sio2薄氮氧硅层11’；
60.位于阱1、多晶栅7、场氧3、sio2薄氮氧硅层11’上方的介质12；
61.位于介质12内部及上方的金属13。
62.考虑到对栅介质可靠性及抗辐射能力的影响，在硅衬底上生长sio2栅氧层5的氧化反应温度一般在800～1000℃，对于不同工作电压需求的ldmos工艺，sio2栅氧层5的厚度一般在
63.sio2栅氧层5生长完成后在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火，形成sio2氮氧硅层5’，氮化的温度一般在850～1000℃，时间为30～60min，氮化可以将原先sio2栅氧层5中的si
‑
h键和si悬挂键转化为更加牢固的si
‑
n键，形成氮氧硅，从而提高栅氧的抗辐射能力。
64.在sio2氮氧硅层5’表面再淀积一层hto栅氧层6，该hto栅氧层6’通过sih2cl2和n2o按照1:(5～10)的体积比例在800～850℃下淀积反应生成，对于不同工作电压需求的ldmos工艺，hto栅氧层6的厚度一般在
65.hto栅氧层6最后在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火，形成hto氮氧硅层6’，对于ldmos工艺，氮化的温度一般在850℃～1000℃，时间为30min～60min，sio2氮氧硅层5’和
hto氮氧硅层6’共同形成抗辐射复合栅结构。
66.图3中结构形成抗辐射复合栅介质结构的加工工艺包括以下步骤：
67.步骤1：采用氧化工艺形成sio2栅氧层5，对于ldmos工艺，氧化反应的温度一般在800～1000℃，sio2栅氧层5的厚度为氧化工艺可以为干法氧化或其他氧化工艺。
68.步骤2：sio2栅氧层5生长完成后在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火，形成sio2氮氧硅层5’，氮化的温度一般均在850～1000℃，时间为30～60min，氮化可以将原先sio2栅氧层5中的si
‑
h键和si悬挂键转化为更加牢固的si
‑
n键，形成氮氧硅，从而提高栅氧的可靠性。
69.步骤3：在sio2氮氧硅层5’表面再淀积一层hto栅氧层6，hto栅氧层6通过sih2cl2和n2o按照1:(5～10)的体积比例在800～850℃下淀积反应生成，对于ldmos工艺，hto栅氧层6的厚度为
70.步骤4：hto栅氧层6最后在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火，形成hto氮氧硅层6’，对于ldmos工艺，氮化的温度一般在850℃～1000℃，时间为30min～60min，sio2氮氧硅层5’和hto氮氧硅层6’共同形成抗辐射复合栅结构。
71.在漂移区2表面通过光刻、注入、扩散或退火形成场环4，根据不同的击穿电压需求可以形成1个或多个场环4的注入窗口，场环4的宽度为2μm～6μm，场环4的间距为4μm～10μm；在场环4上形成薄氧化层，氧化的温度设置在800～900℃，sio2薄氧层11的厚度为在sio2薄氧层11形成后，在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火形成sio2氮氧化硅层11’，温度为850℃～1000℃，时间为30min～60min。
72.后续在氮氧化硅层上采用传统ldmos晶体管的工艺方法形成介质层12、金属层等结构。
73.图3中结构形成漂移区加固结构的加工工艺包括以下步骤：
74.步骤1：在漂移区2表面淀积氮化硅作为掩膜，通过光刻和刻蚀形成场区氧化的窗口图形，再进行氧化反应形成场氧3。通过光刻定义出场环4的注入窗口，通过离子注入对n型漂移区2的表面进行掺杂，注入杂质一般采用硼，注入能量一般在30kev～300kev，注入剂量一般在1
×
10
14
/cm2～1
×
10
15
/cm2的量级，后续结合扩散、退火等热过程对注入杂质进行扩散激活。
75.步骤2：采用干法氧化或按照体积比例为1:(1～2)的h2:o2湿法氧化两种方式形成sio2薄氧化层11，氧化反应的温度一般在800℃～1000℃，时间为30min～120min，sio2薄氧化层11的厚度为
76.步骤3：sio2薄氧层11生长完成后在n2、no或n2o气氛环境中高温氮化退火，形成sio2薄氮氧硅层11’，氮化的温度一般均在850～1000℃，时间为30～60min，氮化可以将原先sio2薄氧化层11中的si
‑
h键和si悬挂键转化为更加牢固的si
‑
n键，形成氮氧硅，从而提高栅氧的抗辐射能力。
77.步骤4：在sio2薄氮氧硅层11’上通过cvd方法形成介质层12，介质层12可以是sio2、或者是sio2与氮化硅的复合膜层。
78.以上是本发明抗辐射复合栅及漂移区加固工艺的整体工艺模块，虽然不同产线的具体工艺流程会有所差异，但不影响本发明抗辐射ldmos晶体管的实现。
mechanical polishing)平坦化，孔的光刻和刻蚀。
102.(8)金属化和钝化。
103.包括孔的填充、钨cmp平坦化，金属的淀积、光刻和刻蚀，最后是钝化层的淀积和刻蚀，形成完整的器件。
104.对于多层金属布线，则还涉及金属间介质层(intermetal dielectrics，imd)的淀积和cmp平坦化。
105.实施例2
106.本实施例以场隔离型体硅抗辐射加固ldpmos工艺制程为例，包括以下步骤；
107.(1)形成隔离区；
108.在硅衬底表面淀积氮化硅作为掩蔽层，通过光刻和刻蚀形成隔离场区窗口图形，再进行氧化反应形成场氧化层，场氧化层区域即为隔离区，其之间的区域则为有源区。
109.(2)形成漂移区2及场环4；
110.通过光刻、注入、扩散工序在形成漂移区2。在漂移区2内的场氧3之间通过光刻定义出场环4的注入窗口，通过离子注入对漂移区2的表面进行掺杂，注入杂质一般采用硼，注入能量一般在30kev～300kev，注入剂量一般在1
×
10
14
/cm2～1
×
10
15
/cm2的量级，后续通过扩散、退火等热过程对注入杂质进行扩散激活。
111.对于本实施例的p型沟道ldpmos，漂移区2为p型漂移区，场环4为n型场环。
112.(3)形成阱1；
113.在硅衬底表面通过光刻定义出阱1的图形窗口，进行n型杂质注入，再通过热扩散形成阱1。注入杂质采用磷，注入能量控制在100kev～300kev，注入剂量控制在1
×
10
12
/cm2～1
×
10
13
/cm2的量级，推阱温度控制在1100℃～1150℃。
114.对于本实施例的p型沟道ldpmos，阱1为n阱。
115.(4)形成复合栅介质；
116.采用氧化工艺在硅衬底上生长sio2栅氧层5，考虑到对抗辐射能力的影响，氧化的温度控制在800～1000℃，sio2栅氧层5的厚度为
117.sio2栅氧层5生长完成后在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火，形成sio2氮氧硅层5’，氮化的温度控制在850～1000℃，时间为30～60min，氮化可以将原先sio2栅氧层5中的si
‑
h键和si悬挂键转化为更加牢固的si
‑
n键，形成氮氧硅，从而提高栅氧的可靠性。
118.在sio2氮氧硅层5’表面再淀积一层hto栅氧层6，该hto栅氧层6通过sih2cl2和n2o按照1:(5～10)的体积比例在800～850℃下淀积反应生成，hto栅氧层6的厚度为
119.hto栅氧层6最后在n2、no或n2o气氛环境中进行氮化退火，形成hto氮氧硅层6’，氮化的温度控制在850℃～1000℃，时间为30min～60min，sio2氮氧硅层5’和hto氮氧硅层6’共同形成抗辐射复合栅结构。
120.(5)形成多晶栅极；
121.进行多晶淀积和掺杂，再通过多晶光刻和刻蚀形成多晶栅7。
122.其中多晶栅7覆盖场区的部分形成场板，场板最小长度为1μm。
123.(6)源极、漏极、体引出端掺杂区注入；
124.在阱1内进行源极掺杂区8和体引出端掺杂区9的光刻及注入，在漂移区2内进行漏极掺杂区10的光刻及注入，注入剂量均控制在1
×
10
15
/cm2的量级。
125.对于本实施例的p型沟道ldpmos，源极、漏极掺杂区为p型，体引出端掺杂区为n型。
126.(7)孔层的形成。
127.包括层间介质(interlevel dielectrics，ild)的淀积，介质层cmp(chemical mechanical polishing)平坦化，孔的光刻和刻蚀。
128.(8)金属化和钝化。
129.包括孔的填充、钨cmp平坦化，金属的淀积、光刻和刻蚀，最后是钝化层的淀积和刻蚀，形成完整的器件。
130.对于多层金属布线，则还涉及金属间介质层(intermetal dielectrics，imd)的淀积和cmp平坦化。