專利名稱：一種抗輻照的Halo結(jié)構(gòu)MOS器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超深亞微米器件，特別涉及具有抗總劑量輻照特性的Halo摻雜結(jié)構(gòu) MOS器件，屬于集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
集成電路技術(shù)由于成本低、功能強大、體積小等優(yōu)點已經(jīng)成為推動電子信息產(chǎn)業(yè)及社會發(fā)展的重要動力。集成電路芯片被廣泛應(yīng)用于計算機、通訊、汽車、工業(yè)控制及消費電子等領(lǐng)域。集成電路芯片同樣大量應(yīng)用于空間技術(shù)中，空間環(huán)境應(yīng)用中的集成電路受到空間輻射的影響，芯片的可靠性及壽命將受到影響。對于超深亞微米器件而言，輻照的影響主要是在STI (淺溝槽隔離)產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷導(dǎo)致的寄生泄漏溝道。輻照在氧化層中引入氧化物陷阱電荷，這些陷阱電荷吸引硅層中的電子形成寄生的導(dǎo)電溝道使器件的泄漏電流增大，導(dǎo)致電路靜態(tài)功耗升高及可靠性降低等退化效果，使電路速度降低甚至實效。超深亞微米器件是集成電路的基本組成單元，隨著器件溝道長度的不斷縮小，研究能夠提高超深亞微米器件抗輻照能力的方法具有重大的意義。Halo結(jié)構(gòu)由于能夠抑制超深亞微米器件的短溝道效應(yīng)、穿通效應(yīng)等而被廣泛應(yīng)用于超深亞微米器件中，其結(jié)構(gòu)特點在于在溝道深度方向引入一個高摻雜口袋型區(qū)域包圍溝道區(qū)域靠近源漏的兩端。Halo摻雜的作用是使用重?fù)诫s區(qū)域削弱源漏區(qū)域?qū)τ跍系乐须姾傻姆窒韽亩岣邧艠O對溝道的控制作用，從而使器件的短溝道特性得到提高。優(yōu)化設(shè)計 Halo摻雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以使器件擁有優(yōu)秀的特性。Halo結(jié)構(gòu)在改善器件的抗輻照性能(主要是減小由于輻照引起的寄生泄漏電流) 方面同樣具有作用。Halo摻雜結(jié)構(gòu)中重?fù)诫s區(qū)域的引入可以使溝道深度方向上的電勢降落更快，從而減小了隔離氧化層中的有效電場，最終使輻照引起的陷阱電荷數(shù)量減少，使輻照引起的寄生泄漏電流減小。優(yōu)化設(shè)計Halo摻雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以提高器件的抗輻照能力，這對于提高器件在輻照下的性能有重要作用。對于應(yīng)用于空間輻照環(huán)境下的集成電路芯片而言，優(yōu)化設(shè)計超深亞微米器件Halo 結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在保證器件具有良好的短溝道特性的同時使其具有更好的抗輻照能力， 對于提高器件的性能及可靠性具有重要的應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Halo結(jié)構(gòu)的超深亞微米MOS器件，減小器件總劑量輻照后的關(guān)態(tài)泄漏電流。通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計出良好的Halo結(jié)構(gòu)，使器件不僅能夠有效抑制短溝道效應(yīng)，而且擁有優(yōu)秀的抗輻照特性。本發(fā)明在現(xiàn)有超深亞微米CMOS器件中采用Halo結(jié)構(gòu)改善器件的短溝道效應(yīng)的基礎(chǔ)上，同時考慮其對抗總劑量輻照特性的改善作用。通過優(yōu)化設(shè)計Halo摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高STI氧化層與襯底之間界面處的摻雜濃度，提高寄生晶體管的閾值電壓，從而減少總劑
3量輻照后寄生晶體管的電流，達(dá)到降低器件總劑量輻照之后關(guān)態(tài)泄露電流，提高器件抗輻照能力的目的。本發(fā)明通過單獨改變器件的各個參數(shù)得到各參數(shù)對于器件常規(guī)特性及抗輻照特性的影響。先分別單獨考慮器件的常規(guī)特性和抗輻照特性(主要由寄生泄漏電流衡量)得到相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，然后綜合考慮常規(guī)及抗輻照特性，對兩種特性的優(yōu)化結(jié)果取共同的參數(shù)區(qū)域，從而得到參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。具體的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種Halo結(jié)構(gòu)的MOS器件，包括襯底、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、柵極和柵側(cè)墻，源漏之間、溝道區(qū)的兩側(cè)為淺摻雜注入?yún)^(qū)(即LDD區(qū))，在LDD區(qū)近溝道端包圍有重?fù)诫s的Halo 區(qū)，其特征在于，所述Halo區(qū)的摻雜濃度為4X IO18CnT3 IX 1019cnT3，Halo區(qū)的半徑為 30 50納米。上述器件的Halo區(qū)與襯底區(qū)域、LDD區(qū)及其他摻雜區(qū)域之間界面上的濃度過渡梯度要越陡越好，最好是突變結(jié)。本發(fā)明器件的制備流程與現(xiàn)有的Halo結(jié)構(gòu)器件相同，通過離子注入在LDD區(qū)的近溝道端形成口袋型的高摻雜區(qū)域(即Halo區(qū))，其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由離子注入的角度、注入劑量及能量決定。例如本發(fā)明的實施例中Halo注入( (鎵)，入射離子能量為40-80KeV，劑量為 6. 4X IO1W2 1. 6 X 1013cnT2，注入角度為 45 60°?？倓┝枯椪諏?dǎo)致的器件寄生泄漏電流主要決定于輻照在STI區(qū)與襯底邊緣薄層內(nèi)的氧化物陷阱數(shù)量。氧化物陷阱的數(shù)量正比于輻照過程中該薄層內(nèi)有效電場，電場取決于內(nèi)外電勢差。圖1和圖2分別是常規(guī)器件和Halo結(jié)構(gòu)器件沿溝道方向的剖面圖，從圖中可以看到，Halo結(jié)構(gòu)器件在溝道靠近源漏的兩端(也就是LDD區(qū)近溝道的一端)各引入了一個口袋型的重?fù)诫s區(qū)域(Halo區(qū))。該區(qū)域的引入使溝道深度方向上電勢降落更快，從而使所述薄層兩邊電勢差降低，降低了輻照中的有效電場，因而使STI區(qū)中的氧化物陷阱電荷數(shù)量減少，降低了寄生泄漏電流，使器件的抗輻照能力得到提高。Halo結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由Halo區(qū)的摻雜濃度、半徑及Halo區(qū)與LDD區(qū)和襯底區(qū)域界面處濃度變化梯度等決定。優(yōu)化設(shè)計Halo結(jié)構(gòu)參數(shù)可以使器件同時具有良好的短溝道特性和抗輻照特性。圖3是模擬得到的在相同輻照條件下不同的Halo結(jié)構(gòu)參數(shù)下器件的關(guān)態(tài)泄漏電流?？梢园l(fā)現(xiàn)，Halo摻雜結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對于提高超深亞微米器件抗輻照能力具有很明顯的作用，這種改善作用為我們進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化提供了有利的支持。為模擬Halo半徑的大小對于器件抗輻照性能的影響我們對比兩個器件，它們僅僅是Halo半徑不同，分別為IOnm和 30nm。其他參數(shù)均相同，半導(dǎo)體器件的溝長為180納米，LDD區(qū)長度為100納米，Halo區(qū)域摻雜濃度為6 X IO1W3, LDD區(qū)深度40nm，源漏結(jié)深120納米，柵氧化層厚度3. 8納米等。圖 3中曲線1和2分別為采用相同的Halo結(jié)構(gòu)下使用不同摻雜半徑的兩個器件在沒有經(jīng)過輻照時的特性曲線，兩條曲線基本重合，曲線左端電流值表示我們要觀察的泄漏電流；曲線3 和4分別為相同的Halo結(jié)構(gòu)下使用不同摻雜半徑的兩個器件在經(jīng)過同樣劑量的輻照后的特性，可以看出器件的泄漏電流在輻照之后急劇增大。從圖中可以看出，輻照之前的特性曲線基本重合，泄漏電流約為10_14A，在相同劑量的輻照下，器件的寄生泄漏電流迅速上升，對于半徑為30納米的Halo摻雜結(jié)構(gòu)(曲線3)，其泄漏電流(7X10、)要比半徑為10納米的Halo摻雜結(jié)構(gòu)器件(曲線4)的泄漏電流(IXl(T6A)小兩個數(shù)量級，很大程度上提高了器件的抗輻照能力。因此優(yōu)化設(shè)計Halo摻雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以有效的提高期器件的抗輻照能力。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，不需要改變超大規(guī)模集成電路的制造流程，也不需要添加額外的工藝及掩膜版等，僅僅通過調(diào)節(jié)Halo注入的參數(shù)，即達(dá)到提高器件抗輻照能力的效果。另外，本發(fā)明可以利用模擬軟件進(jìn)行前期模擬，不用流片就可以得到定性及粗略的分析結(jié)果，從而指導(dǎo)具體工藝條件下的流片實驗，降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明綜合考慮了超深亞微米器件的常規(guī)特性以及抗輻照特性，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以使器件的短溝道特性在滿足器件常規(guī)應(yīng)用的條件下具有更好的抗輻照性能，對于提高應(yīng)用于空間環(huán)境中的集成電路芯片的可靠性及輻照環(huán)境下的壽命具有重要意義。


圖1是常規(guī)結(jié)構(gòu)MOS器件沿溝道方向的剖面圖。圖2是Halo結(jié)構(gòu)MOS器件沿溝道方向的剖面圖。圖3是相同輻照條件下不同摻雜半徑的Halo結(jié)構(gòu)器件的關(guān)態(tài)泄漏電流。圖4本發(fā)明Halo結(jié)構(gòu)的MOS器件制備流程的示意圖。其中1-襯底；2-源區(qū)；3-漏區(qū)；4-多晶硅柵極；5-柵氧化層；6-LDD區(qū)；7_隔離氧化層； 8-溝道區(qū)；9-Halo區(qū)；10-光刻膠。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，通過實施例以Halo結(jié)構(gòu)的NMOS為例說明本發(fā)明器件的制備方法， 但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。根據(jù)下述步驟制備Halo結(jié)構(gòu)的NMOS器件(1)硅襯底制備與襯底摻雜，如圖4(a)所示制備單晶硅襯底1，使用擴散注入方法使之摻雜濃度為2 X IO16CnT3 8 X IO16cnT3 ；(2)源漏掩膜注入，如圖4(b)所示使用源漏掩膜版，使光刻膠10阻擋器件溝道部分，使用離子注入工藝，注入砷As，之后采用快速退火工藝(溫度900 1000°C，時間 30 40分鐘)使溝道兩端形成摻雜濃度為102°cm_3左右的N型摻雜源區(qū)2及漏區(qū)3 ；(3)溝道調(diào)制注入與LDD注入源漏制作好之后，進(jìn)行溝道8的P型摻雜注入，注入 Ga (鎵)，h (銦)等離子進(jìn)行摻雜，摻雜濃度為2 X IO17CnT3 5 X 1017cm_3 ；然后使用光刻膠 10擋住器件溝道中間區(qū)域及源漏區(qū)域，進(jìn)行對稱的N型LDD區(qū)6注入，如圖4(c)所示，LDD 區(qū)6的摻雜濃度為1 X 1019cm_3 2 X 1019cm_3 ；(4)Halo掩膜注入，如圖4(d)所示使用掩膜版保護源漏區(qū)域及溝道中間區(qū)域，注入角度為45-60，使用離子注入( (鎵)，入射離子能量為40-80KeV，劑量為6. 4 X IO12CnT2 1. 6 X IO13CnT2，形成高摻雜的Halo區(qū)9，其摻雜濃度一般在4 X IO1W 1 X IO19CnT3范圍內(nèi)，Halo區(qū)9的半徑為30 50納米范圍內(nèi)；(5)柵氧化層生長及多晶硅柵淀積，如圖4(e)所示用光刻膠定義柵氧化層的長度(50 100納米)，使用干氧氧化工藝(溫度800 900°C，時間30 40分鐘)制作厚度為3 5納米的二氧化硅柵氧化層5，并在氮氣氛中進(jìn)行退火以減少界面態(tài)；在上述制作完成的氧化層上淀積厚度為20 100納米厚度的N型重?fù)诫s多晶硅柵極4 ；
(6)隔離氧化層及后續(xù)制備工藝，如圖4(f)所示步驟( 之后濕氧氧化生成隔離氧化層7以保護器件并實現(xiàn)多晶硅柵極4與源區(qū)2、漏區(qū)3之間的隔離。器件制作完畢， 后續(xù)工藝如打孔、連線、隔離區(qū)域等不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種Halo結(jié)構(gòu)的MOS器件，包括襯底、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、柵極和柵側(cè)墻，源漏之間、溝道區(qū)的兩側(cè)為淺摻雜注入?yún)^(qū)，在淺摻雜注入?yún)^(qū)的近溝道端包圍有重?fù)诫s的Halo區(qū)， 其特征在于，所述Halo區(qū)的摻雜濃度為4 X IO18CnT3 lX1019cnT3，Halo區(qū)的半徑為30 50納米。
2.如權(quán)利要求1所述的MOS器件，其特征在于，所述Halo區(qū)與相鄰區(qū)域之間的界面處摻雜濃度過渡為突變結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗輻照的Halo結(jié)構(gòu)MOS器件及其制備方法，所述Halo結(jié)構(gòu)MOS器件包括襯底、源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、柵極和柵側(cè)墻，源漏之間、溝道區(qū)的兩側(cè)為淺摻雜注入?yún)^(qū)，在淺摻雜注入?yún)^(qū)的近溝道端包圍有重?fù)诫s的Halo區(qū)，其特征在于，通過控制Halo注入的角度、劑量和能量，使所述Halo區(qū)的摻雜濃度為4×1018cm-3～1×1019cm-3，半徑為30～50納米。本發(fā)明通過優(yōu)化Halo結(jié)構(gòu)器件的參數(shù)，使器件在短溝道特性滿足常規(guī)應(yīng)用的情況下增強了抗總劑量輻照性能，有利于提高應(yīng)用于空間環(huán)境中的集成電路芯片的可靠性和壽命。
文檔編號H01L21/336GK102194868SQ20101012800
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者劉 文, 王思浩, 黃如, 黃德濤 申請人:北京大學(xué)