[发明专利]一种改进SOI结构抗辐照性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，尤其涉及一种改进SOI结构抗辐照性能的方法。

背景技术

绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术是一种全介质隔离技术，即在顶层硅膜与衬底之间存在一层埋氧层，用于把有源器件薄膜去与衬底进行隔离。基于SOI技术所制造的半导体器件被称为SOI器件。请参考图1，图1为现有技术中典型的SOI CMOS结构的剖面示意图。由于埋氧层实现了良好的隔离，而SOI器件有源区的体积也较小，相对于体硅具有更低的泄漏电流，且无闩锁效应，因此SOI器件在器件抗辐照性能方面有着其它器件不可比拟的优越性。但是，也正是由于埋氧层的存在，其内部存在大量的空穴陷阱，当SOI器件持续工作在电离辐照环境中时，电离辐照会在埋氧层中激发电子-空穴对，电子会很快迁移出埋氧层，而空穴会被空穴陷阱俘获，成为固定空间正电荷，造成正电荷的积累。这些固定空间正电荷主要集中在顶层硅膜和埋氧层的界面附近。当埋氧层中的正电荷积累到一定程度时，SOI N沟道晶体管的背栅界面将会反型，致使器件漏电电流增加、电特性参数漂移，并最终失效。因此，如何提高SOI器件的抗总剂量性能成为目前研究的焦点。

在现有技术中，主要采用以下两种方式提高SOI结构的抗辐照能力，进而提升SOI器件的抗总剂量辐照水平。

第一种方式是向SOI结构的硅衬底中注入硼等正离子，以此来提高背栅阈值电压，从而提高SOI器件的抗辐照能力。

第二种方式是向埋氧层中引入深电子陷阱或者复合中心，防止辐照产生的电子迁移出埋氧层，保持埋氧层的电中性，从而提高埋氧层的抗辐照能力。注入到埋氧层内的离子应该能够很容易地和辐照产生的电子结合，且不容易分离，在埋氧层中也不会重新分配。通常采用对埋氧层进行离子注入(例如Si、N、Al等)的方式，向埋氧层中引入深电子陷阱或者复合中心。以向埋氧层中注入Si为例，注入的Si在埋氧层中形成电子陷阱，当这些电子陷阱被填充后，它们会补偿陷阱正电荷，减少埋氧层中的净正电荷。以向埋氧层中注入N为例，对于典型的SOI器件，由于埋氧层内存在高浓度的空穴陷阱，整个埋氧层内辐照所产生的电子-空穴对中的空穴几乎在原位被俘获，而电子则被浅能级电子陷阱俘获并很快就被热激发，随后大多数热激发的电子被电场扫出埋氧层。在这种情况下，埋氧层宏观上带正电，会影响SOI器件的正常使用性能。N离子的注入能在埋氧层中产生大量的电子陷阱，并且在退火后，N离子与Si结合形成键能较大的Si-N键，替代了部分弱键。弱键被替代能够减低埋氧层在电离辐照中产生的电子-空穴对，从而提高SOI器件的抗辐照性能；而且在电离辐照中，这些电子陷阱俘获电子后既可以作为复合中心吸引辐照产生的空穴，又可以补偿被空穴陷阱俘获的空穴，有助于达到宏观电中性；此外，这些电子陷阱还影响了埋氧层内的电场，有利于辐照后产生的电子-空穴对的复合。

但是，上述两种方式均存在一定的缺点。其中，第一种方式的缺点在于对SOI结构抗辐照能力的提升有限。第二种方式的缺点在于：在向SOI结构的埋氧层中进行离子注入的过程中，不可避免地会对顶层硅膜造成一定的注入损伤，尽管这样的损伤可以通过注入后的退火基本予以消除，但退火后遗留的部分缺陷仍会对SOI器件的性能产生一定的影响。此外，离子注入在有效改善埋氧层抗辐照性能的同时，会影响到埋氧层的内部微观结构，宏观上的表现则为埋氧层电特性的变化，而这样的变化又可能反过来影响到离子注入对SOI结构的抗辐照改进效果。例如，高剂量氮离子的注入对埋氧层的结构会产生影响，使致密的SiO₂原子网络松弛，Si-O-Si键角变得更大，这会使更多的空穴俘获在埋氧层内，不利于SOI器件的抗辐照性能，而且，注氮还会使NMOSFET和PMOSFET的背栅阈值电压分别降低和提高。

因此，亟需提出一种可以解决上述问题的改进SOI结构抗辐照性能的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进SOI结构抗辐照性能的方法，利用高能中子、质子和γ射线等高能粒子辐照SOI材料的方式在SOI埋氧层中引入位移损伤，形成缺陷如同复合中心，减小辐照产生的电子-空穴对，以此来提高SOI结构背栅隐埋氧化层的抗辐照性能，进而提升SOI器件的抗辐照性能。

本发明提供了一种改进SOI结构抗辐照性能的方法，包括：

对所述SOI结构的埋氧层进行高能粒子注入，并执行退火操作。