专利名称:抗辐射半导体器件的制作方法
本发明涉及一种半导体器件，具体地说，是针对因辐射作用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，已显著地扩大应用到办公室自动化或工业电子设备，机器人等方面。
大部分普通半导体集成电路只能在与规定的范围相似的环境条件下正常工作。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，或者例如处于原子反应堆周围存在着辐射源的恶劣环境中，半导体器件无法使用。
但是，在构成今后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原件来说，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…辐射主要包括质子束和β-射线。这些辐射可分为三类高能粒子的太阳宇宙射线，它们主要是由质子束和少量的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-射线以及能量不低于6Mev的质子;银河系宇宙射线，它由85%的质子和大约15%的α-粒子组成。
(2)原子能反应堆…其辐射中主要包括伽玛射线和中子束(高速中子，热中子)。
现已知道，当射线辐照器件时，半导体器件或半导体集成电路会受到以下几个方面的影响，这些影响与射线的种类因素有关
(1)因辐射引起稳态电离而造成的器件功能退化或损坏，其程度取决于辐射的积分剂量。
(2)因辐射引起非稳态电离而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积分剂量。
(3)由单个粒子，例如α粒子或质子，引起的随机故障。
(4)由高速中子造成的损坏或衰变。
所以，应用在宇宙线，诸如太阳宇宙线，次级辐射和银河系宇宙线作用范围内的半导体器件，或用于原子能装置，诸如核电站和核燃料精炼厂将最好是用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。以及迫切需要发展这类半导体器件。
在硅MOS(金属-氧化物-半导体)型，或双极型半导体器件，以及在化合物半导体，例如砷化镓器件的基础上已经进行了抗辐射器件的研制工作。但是，这些工作主要是改进工艺，如形成氧化物层的条件;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，如通过监测和故障率找出最佳工作条件。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＞V、NS-30，No、6，12，1983，PP、4224-4228公布了按一般的方法在最佳条件下生产的16KMNOS(二进制数字金属氮-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，它在抵御辐射引起的特性退化的能力方面有所改进。
本发明的另一目的是提供一种抗辐射半导体器件，该器件在射线辐照时，其特征不衰变。
本发明的特点是通过在半导体基体中的一P或n电导型半导体区内掺杂一些具有较小的热中子吸收截面的杂质。
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，称之为施主杂质;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(In)可作为P-型杂质，即受主杂质。在相应元素的同位素中，它们是具有较小热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磷(P)和铋(Bi)，它们是施主杂质，以及铝(Al)，是受主杂质，而且元素P，Bi和Al可以与上述元素Sb、B、Ga和In结合起来使用。这些元素将很好的构成一组具有小热中子吸收截面的掺杂杂质。
本发明的基本思想如下，在核反应堆附近，有中子辐射的区域里，由于，例如，因中子(n)激发伽玛射线(γ)辐射而造成的(n.γ)原子核反应，或因中子激发α-射线辐射而造成的(nα)原子核反应，导致导体内掺杂杂质元素的原子核发生衰变。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，对于明显的核反应来说，足够小的话，例如，利用(P，2P)或(n、α)核反应时，那么由于核转变引起的特性恶性就可减轻。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△VTH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，示出随热中子辐射时间增加，硼原子数量的变化。
图4是阈值电压的漂移与硅体内硼原子数量间的关系曲线。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示出了硅半导体中电子、空穴的迁移率和杂质浓度之间的关系;
图8示出了P型和n型硅的电阻率与杂质浓度之间的关系。
参照图1，序号1表示-P型硅衬底，该衬底掺杂有施主杂质，从而形成n型源极1a和n型漏极1b。源极电极2和漏极电极3分别与源极1a和漏极1b保持欧姆接触。在源极和漏极1a、1b之间，在硅衬底1的
上，隔着一个氧化硅层沉积了珊极电极4。这样，n沟道MOS晶体管就制作成了。
在此实施例中，硅衬底1中掺杂的是硼，但按照本发明的思想，所掺杂的是原子质量数为11的硼。用于形成源极区1a和漏源区1b的施主杂质是P。
众所周知，半导体中的载流子是电子和空穴，它们是通过在高纯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，在硅单晶中用周期表中Ⅴ族元素(磷P、砷As、锑Sb或铋Bi)，掺杂时，在导带中就造成一个电子电导，因而制成n型硅。相反，在用Ⅲ族元素(硼B、铝Al 镓Ga或In)掺杂的情况下，产生空穴，所以形成P型硅。
现已采用了几种方法，可使杂质元素掺入到硅晶格中的适当位置
(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)把项定量的杂质元素安置在硅晶体表面，在高温下，因浓度梯梯度的作用杂质元素扩散的方法。
(3)把杂质元素离化，并加速，以预定剂量注入到硅中去的方法。通过热处理可使杂质原子运动到适当的晶格位置。
无论应用那种方法，都必须通过监控杂质元素的数量，制备出具有所需特性的硅衬底，显然，需要事先充分考虑到，由于辐射或类似原因，在使杂质元素的数量发生变化时，希望保持不变的电参数将波动，这将成为器件不正常工作的原因。
阈值电压VTH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
<math><msub><mi>V</mi><mi>T H</mi></msub><mi>=φ</mi><msub><mi></mi><mi>M S</mi></msub><mi>-</mi><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>s s</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>O X</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>+φ </mi><mi>F</mi></msub><mi>+</mi><mfrac><mrow><msqrt><msub><mi>2ε o ·ε</mi><mi>s1</mi></msub><msub><mi>·q ·N(21φ</mi><mi>F </mi></msub><mi>)</mi></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>O X</mi></msub></mrow></mfrac><mi></mi></math>
这里φMS为栅电极材料与硅之间的功涵数之差，φF为费米能级的能量，εo为自由空间介电常数，εsi为相应的硅介电常数，q为电子电荷，Qss为在氧化层内静电荷的数量，Cox为氧化层电容，以及N为杂质浓度。
现在假定，阈值电压VTH的改变由下式给出
△VTH＝VTH(Nα)-VTH(No)
那么可以得到
这里，m代表本征载流子浓度，No是杂质元素的标准数量，而Nx是杂质元素的掺入量。
通过举例可以看出，掺入的受主杂质的数量是No时，具有载流子浓度ni的本征半导体转变成P型。而当掺入的施主杂质的数量达到Nx时，P型半导体部分转变成n型。
如图2所示，在假设的条件下，即No＝3×1015/Cm3和氧化硅层的厚度dOX＝1000A0时，计算得到的NX的不同对△VTH影响的曲线示于图2。NX改变20%导致阈值电压改变±0.1VO;杂质元素数量的波动，通过这种方式，对器件特性施加了很大的影响。为此原故，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监控，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衰变，从而造成的杂质浓度改变的情况。
如前所述，在生产硅时，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)有关各元素的同位素丰度比，以及各相应同位素的热中子吸收截面集于表1。(科学年度表1982，同位素表，第七版目录)取自“Rika Nenpyo”
《〔Chronological Table Of Science〕1982。
表1
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应用以B为掺杂元素的P型基片作的半导体器件。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，因此采用P型基片的半导体器件的热中子辐射效应非常大。如表1所示，天然硼中含有大约20%的原子质量数为10的硼(B10)，B10原子的热中子吸收截面接近4000靶恩，(1靶恩＝10-24Cm)。
现用字母σ表示热中子吸收截面，φ表示热中子辐射剂量，而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
NtB＝0.8NOB+0.2NOBexp(-σφt)
这里，符号NOB和NtB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，以热中子辐射剂量为参数计算的，硼原子数量的变化值示于图3。在目前的轻水原子反应堆的条件下(热中子辐射剂量大约为3×1013n/cm2、Sec)，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，那么甚至只有1013n/cm2、Sec的热中子辐射量就能在几十天内造成上述后果。
图4表示Mos晶体管的阈值电压VTH的变化曲线，它是作为掺杂硼原子的数量，因热子辐照而发生变化的函数方式给出的。在图4中，纵坐标表示的是下述情况下的阈值电压VIH的漂移值，在经受辐照之前的掺入的硼原子之中只有B13才会减少，直到硼原子的总量减到辐射前原子量的80%时的VTH漂移值。即
这里，下标‘O’表示辐射前的值，下标‘1’指的是由于辐射硼原子的数量下降20%时的值。另一方面，横坐标表示辐射前在P-型硅基片中所含有的硼原子数量。从图4中可以看出，如果辐射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1000AO，并且在辐射前掺杂浓度为1017n/cm3，那么，在比额定电压低的0.5V(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，那么辐射的影响将减弱。
此外，B10吸收热中子，并引起(n、α)反应，原子核衰变成锂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，还有原子核衰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作为掺杂杂质制备硅基片，因此，由于射线辐照造成杂质浓度的减少，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通过欧姆接触相联结。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区构成集电极，11d区形成基极，而11e区为发射极。Q2中，11c区构成发射极，11b区为基极，而11d区则是集电极。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簿膜。
关于可供这样结构的硅片11掺杂用的杂质，本发明作为一种组合的例子，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。
电阻率的不稳定将影响击穿电压和晶体管的电流放大系数。
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>E</mi></msub><msub><mi>W </mi><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><mi>Z</mi></msup><msub><mi></mi><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msup><mi>2L</mi><mi>2</mi></msup><msub><mi> </mi><mi>B</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></mfrac></math>
其中ρ表示电阻率，W和L表示发射极区或基极区的宽度和长度，以及下标E和B表示发射极和基极。
从上述公式可以清楚看出，当电阻率ρE或ρB变化时，电流放大系数β就不稳定。因为电阻率ρE和ρB取决于杂质浓度，所以由于辐射的原因，使杂质浓度发生变化，其结果自然将导致电流放大系数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，这将抑制各掺杂区参数的波动，从而使其电参数保持稳定。
以上所述的实施例是针对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应用。出于诸如工艺等原因，例如高温扩散，所选择的杂质必须与其它杂质结合使用，例如，磷P，砷As、铋Bi或铝Al。甚致在这种情况下，也希望利用热中子吸收截面较小的杂质。
本发明提出选用那些元素，从原子核反应的观点看，其热中子吸收截面比较小的元素，这样可以防止随着原子核衰变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。
权利要求
1、抗辐射半导体器件包括
a)一半导体基片，它至少包括一种电导型的掺杂区和一种相反电导型掺杂区。
b)电极能相应与上述电导型区以及和反型电导区保持欧姆接触；
c)上述两个电导区域中至少有一个是掺杂了决定其电导类型的杂质，该杂质是指相同元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、根据权项1所提出的抗辐射半导体器件中，其中用以构成某P型电导的杂质是一种具有较小热中子吸收截面的同位素，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ZIn构成的一组元素中选用的。
3、根据权项1所涉及的抗辐射半导体器件中，所提出的用以构成反型电导的杂质是一种具有较小热中子吸收截面的同位素，它是原子质量数123的锑Sb。
4、根据权项2，制造的抗辐射半导体器件中，用以构成n-型电导的杂质是从磷P和铋Bi中选择的。
5、根据权项3，制造的抗辐射半导体器件，用以构成P-型电导的杂质是铝Al。
专利摘要
本发明涉及抗辐射半导体器件，该器件的电特性不会由于辐射而衰变。本发明提出用以构成某种电导类型而掺入半导体内的杂质应选用相应元素的一种同位素，其热中子吸收截面较小的一种，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，因而，其杂质浓度变化甚小，所以电特性不会发生变化。
文档编号H01L29/02GK85103269SQ85103269
公开日1986年10月29日 申请日期1985年4月29日
发明者樱井博司 申请人:株式会社日立制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan