基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管制造技术

本发明专利技术公开了一种基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管，其包括Si衬底(1)和位于Si衬底(1)内的埋氧层(2)，以及Si衬底(1)上的外延层(3)，外延层中部内设有漏区(5)，漏区外边界紧邻的外延层上方设有环形栅极(4)，环形栅极(4)内外两侧边缘下方的外延层内设有轻掺杂源漏区(7)，该轻掺杂源漏区之间的区域形成沟道；栅极外边缘紧邻的外延层内设有环形源极有源区(6)，环形源极有源区(6)外围紧邻的外延层内设有环形隔离槽(8)，形成依次包围在有源区外部的栅环、源环和隔离槽环这种环套结构。本发明专利技术抑制了阈值电压漂移、亚阈值摆幅退化，提高了器件抗总剂量辐照能力，可用于大规模集成电路的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种抗总剂量辐照的SOI衬底场效应晶体管，可用于大规模集成电路的制备。
技术介绍
自从1964年首次发现金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的电离辐射效应以来，对于空间应用的电子系统器件和电路来说，电离辐射的总剂量效应都是导致器件功能衰退的最重要因素之一。总剂量效应是指，能量大于半导体禁带宽度的致电离辐射粒子照射半导体时，半导体内部部分束缚态电子吸收辐射粒子能量，被激发到导带，产生电子空穴对的效应。研究表明，总剂量效应主要对器件的介质及界面产生重要影响。总剂量效应对于体硅结构器件的影响可以归结为以下几个方面：阈值电压、亚阈值摆幅以及关态泄漏电流，这些参数的退化会严重影响器件性能及可靠性。随着集成电路技术按照摩尔定律飞速的发展，商用集成电路器件已经进入了22nm等级，而航空航天等国防军用系统器件和电路也在朝着更小尺寸不断迈进。对于商用集成电路系统中来说，采用SOI绝缘体上硅结构代替传统的体硅结构可以有效地消除闩锁效应，提高器件性能。对于航天航空应用来说，SOI结构在一定程度上减小了单粒子效应对器件可靠性的影响，但是由于隔离介质层的存在，使得其抵抗总剂量效应的能力相对较低。如图1所示，传统常规的SOI结构场效应晶体管，包括底层Si衬底(1)，位于衬底上的氧化层(2)，氧化层(2)上方的顶层Si外延层(3)，外延层(3)四周的隔离槽(8)、外延层(3)上方中部的栅极(4)，其中外延层(3)中栅极(4)两侧边界到隔离槽(8)内边界之间分别设有源区(6)和漏区(5)，栅极(4)两侧边界下方的外延层中设有轻掺杂源漏区(7)，两个轻掺杂源漏区(7)之间的区域形成沟道。这种传统的SOI结构场效应晶体管，随着尺寸的不断减小，栅氧化层厚度减薄，总剂量效应抗性有所提升。有研究表明，总剂量导致的阈值电压漂移与介质厚度呈指数关系。随着器件尺寸缩小，其SiO2的栅氧化层厚度减薄至1nm量级，且具有很高的界面质量。介质厚度减薄及界面质量的提升使得总剂量效应得到自然的改善，但却使浅槽隔离STI以及互连介质对器件的影响变得重要。浅槽隔离STI引入的寄生沟道会导致器件阈值电压漂移、亚阈值摆幅退化以及关态泄漏电流增加，影响器件的可靠性，甚至在总剂量累积至一定程度时沟道无法正常关断导致器件失效。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有SOI衬底MOS场效应管的不足，提出一种环栅抗辐照SOI衬底MOS场效应管，以提高器件在辐照环境下的可靠性。本专利技术的技术思路是参照MOS器件结构加固技术，通过使隔离-源-栅-漏从外到内依次形成环套结构，从而消除辐照敏感区域，实现抗辐照加固。根据上述思路，本专利技术的技术方案是这样实现的：一.基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管，包括Si衬底，埋氧层、外延层和栅极，特征在于：外延层的中部内设有漏极有源区，漏极有源区外围紧邻的外延层上方设有多晶硅，形成环形栅极；环形栅极内外两侧边界下方的外延层内设有浓度为5×1017cm-3至5×1018cm-3的轻掺杂源漏区，该轻掺杂源漏区之间的区域形成沟道；环形栅极(4)外围紧邻的外延层内设有环形源极有源区，该源极有源区外围紧邻的外延层内设有环形隔离槽，构成环形栅极-环形源极有源区-环形隔离槽的环套结构，以消除沟道与隔离槽界面处的寄生沟道，实现抗辐照加固。二.制作本专利技术的SOI结构场效应管的方法，包括如下步骤：1)在厚度为600-1200nm的P型Si衬底(1)上，使用注氧隔离技术SIMOX注入厚度为300-500nm的埋氧层(2)，生成SOI衬底；2)在SOI衬底上生长厚度为300nm的外延层(3)，再对外延层(3)进行深度为100-150nm，浓度为2×1017cm-3至1×1018cm-3的硼离子掺杂，以调节沟道浓度；3)在外延层(3)上通过干氧工艺在1100-1250℃的温度下热氧化生长5-10nm厚度的薄SiO2缓冲层，再在SiO2缓冲层上生长20-25nm厚度的Si3N4保护层，在Si3N4保护层上制作一层光刻胶，通过曝光在Si3N4保护层周边的光刻胶上制作宽度为300-500nm的隔离槽窗口并进行刻蚀，形成环形隔离槽(8)；4)刻蚀完成后在175-185℃的热磷酸中清洗去除掉隔离槽窗口内残余的SiO2缓冲层与Si3N4保护层，再使用化学汽相淀积CVD的方法生长隔离氧化物SiO2，以填充隔离槽，并进行化学机械抛光，抛光完成后再在温度为175-185℃的热磷酸液中清洗去除掉外延层上的SiO2缓冲层与Si3N4保护层；5)在磷酸清洗后的外延层上，通过干氧工艺在1100-1200℃的温度下热氧化生长6-12nm牺牲氧化层，再使用HF溶液去除牺牲氧化层，使得Si表面更加洁净，再在1100-1200℃的温度下热氧化生长厚度1-2nm、厚度精确为的栅氧化层；6)制作多晶硅环形栅6a)使用化学汽相淀积CVD的方法在栅氧化层上生长厚度为50-80nm的多晶硅层，在多晶硅层上通过干氧工艺在1100-1250℃的温度下热氧化生长5-10nm厚度的薄SiO2缓冲层；6b)在SiO2缓冲层上生长20-25nm厚的Si3N4保护层，在Si3N4保护层上制作一层光刻胶，通过曝光在保护层上方中间位置的光刻胶上刻蚀环状的多晶硅栅极窗口并光刻，形成65nm的多晶硅环形栅极(4)；再在175-185℃的热磷酸液中清洗去除SiO2缓冲层与Si3N4保护层；7)制作轻掺杂源漏7a)在1100-1250℃的温度下对环形栅极(4)与外延层(3)进行热氧化，使环形栅极(4)与外延层(3)表面生长出3-5nm厚的氧化层，作为缓冲隔离层；7b)在缓冲隔离层上制作一层光刻胶，通过曝光在栅极两侧的光刻胶上刻蚀出轻掺杂源漏区的注入窗口，并在该窗口内注入浓度为5×1017cm-3至5×1018cm-3的砷离子，形成深度为30-50nm的轻掺杂源漏区(5)，再清洗掉光刻胶保留缓冲隔离层；8)制作源漏区8a)在缓冲隔离层上生长20-25nm厚度的Si3N4保护层，再在其上制作一层光刻胶，通过曝光在缓冲层上刻蚀出注入窗口，窗口边外侧边缘至环形栅极外侧边缘的距离为120-180nm；8b)在窗口内对Si3N4层进行反应离子刻蚀形成栅极侧墙，并采用浓度为2×1019cm-3至1×1020cm-3的砷离子注入，以对窗口内部进行掺杂，使栅极内、外侧分别形成深度为40-80nm的漏极有源区(3)和宽度为120-180nm的环形源极有源区(6)；9)源漏区掺杂完成后，使用氢氟酸HF溶液除去表面氧化物，完成基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管的制作。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术中由于引入环栅结构，消除了常规器件的沟道与隔离槽界面处的寄生沟道，使得器件在辐照环境中泄漏电流减小，消除了寄生结构对器件阈值电压以及亚阈值摆幅的影响，提高了器件工作可靠性与抗总剂量辐照的能力。2.本专利技术由于仅改变部分光刻窗口形状，与常规SOI器件相比可在不增加工艺成本的条件下增强器件抗总剂量能力。3.仿真结果表明：本专利技术具有较强的抗总剂量辐照能力，在相同总剂量辐照条件下，关态漏电流较普通SOI衬底MOS器件明显降低；本专利技术随剂量累积泄漏电流无明显增长，在剂量累积至1Mrad时关态漏电流比普通SOI器件小6个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管，包括Si衬底(1)，埋氧层(2)、Si外延层(3)和栅极，埋氧层(2)注入在硅衬底(1)内，特征在于：外延层(3)的中部内设有漏极有源区(5)，漏极有源区(5)外围紧邻的外延层上方设有多晶硅，形成环形栅极(4)；环形栅极(4)内外两侧边界下方的外延层内设有浓度为5×1017cm‑3至5×1018cm‑3的轻掺杂源漏区(7)，该轻掺杂源漏区之间的区域形成沟道；环形栅极(4)外围紧邻的外延层内设有环形源极有源区(6)，该源极有源区外围紧邻的外延层内设有环形隔离槽(8)，构成环形栅极‑环形源极有源区‑环形隔离槽的环套结构，以消除沟道与隔离槽界面处的寄生沟道，实现抗辐照加固。

【技术特征摘要】
1.一种基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管，包括Si衬底(1)，埋氧层(2)、Si外延层(3)和栅极，埋氧层(2)注入在硅衬底(1)内，特征在于：外延层(3)的中部内设有漏极有源区(5)，漏极有源区(5)外围紧邻的外延层上方设有多晶硅，形成环形栅极(4)；环形栅极(4)内外两侧边界下方的外延层内设有浓度为5×1017cm-3至5×1018cm-3的轻掺杂源漏区(7)，该轻掺杂源漏区之间的区域形成沟道；环形栅极(4)外围紧邻的外延层内设有环形源极有源区(6)，该源极有源区外围紧邻的外延层内设有环形隔离槽(8)，构成环形栅极-环形源极有源区-环形隔离槽的环套结构，以消除沟道与隔离槽界面处的寄生沟道，实现抗辐照加固。2.根据权利要求1所述的基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管，其特征在于环形栅极(4)的形状为矩形环或圆形环，环长为65nm，环宽根据所需的器件宽长比确定。3.根据权利要求1所述的基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管，其特征在于环形源极有源区(6)的形状为矩形或圆形，宽度为120-180nm。4.根据权利要求1所述的基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管，其特征在于环形隔离槽(8)的形状为矩形或圆形，宽度为300-500nm。5.一种制备基于SOI衬底的环栅抗辐照MOS场效应管的方法，包括如下过程：1)在厚度为600-1200nm的P型Si衬底(1)上，使用注氧隔离技术SIMOX注入厚度为300-500nm的埋氧层(2)，生成SOI衬底；2)在SOI衬底上生长厚度为300nm的外延层(3)，再对外延层(3)进行深度为100-150nm，浓度为2×1017cm-3至1×1018cm-3的硼离子掺杂，以调节沟道浓度；3)在外延层(3)上通过干氧工艺在1100-1250℃的温度下热氧化生长5-10nm厚度的薄SiO2缓冲层，再在SiO2缓冲层上生长20-25nm厚度的Si3N4保护层，在Si3N4保护层上制作一层光刻胶，通过曝光在Si3N4保护层周边的光刻胶上制作宽度为300-500nm的隔离槽窗口并进行刻蚀，形成环形隔离槽(8)；4)刻蚀完成后在175-185℃的热磷酸中清洗去除掉隔离槽窗口内残余的SiO2缓冲层与Si3N4保护层，再使用化学汽相淀积CVD的方法生长隔离氧化物SiO2，以填充隔离槽，并进行化学机械抛光，抛光完成后再在温度为175-185℃的热磷酸液中清洗去除掉外延层上的SiO2缓冲层与Si3N4保护层；5)在磷酸清洗后的外延层上，通过干氧工艺在1100-1200℃的温度下热氧化生长6-12nm牺牲氧化层，再使用HF溶液去除牺牲氧化层，使得Si表面更加洁净，再在1100-1200℃的温度下热氧化生长厚度1-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红侠，刘贺蕾，冯兴尧，陈树鹏，赵璐，汪星，王倩琼，李伟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61