專利名稱：基于垂直雙柵的抗輻照晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路抗輻照領(lǐng)域，具體涉及一種抗輻照的器件結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航天技術(shù)的發(fā)展， 太空環(huán)境存在的各種外射線會對器件以及電路的可靠性和壽命造成影響。航天事業(yè)的發(fā)展和宇宙探索的進(jìn)步對于器件以及電路在空間輻射環(huán)境下抗輻照技術(shù)的研究需求十分迫切。對于CMOS而言，輻照效應(yīng)的研究主要集中在電離輻照總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)和瞬態(tài)輻照效應(yīng)的研究上?？倓┝啃?yīng)主要對器件的靜態(tài)造成影響，在氧化層中產(chǎn)生電荷、界面處產(chǎn)生界面態(tài)等，引起閾值漂移、跨導(dǎo)下降、亞閾擺幅增加、泄漏電流增加等等。單粒子效應(yīng)主要對器件的瞬態(tài)造成影響，高能粒子也會引起永久損傷如柵擊穿、單粒子閂鎖、單粒子翻轉(zhuǎn)等。集成電路的加固技術(shù)包括器件級加固、電路級加固、系統(tǒng)級加固等。然而，傳統(tǒng)的抗輻照加固技術(shù)主要是針對一種輻照效應(yīng)的加固，另一種輻照效應(yīng)無法避免。比如，通常為了消除體硅集成電路的單粒子閂鎖效應(yīng)，采用了 SOI襯底。但是由于SOI襯底的存在，其固有的一層比較厚的埋氧層受到空間輻照源的輻照會俘獲空穴，導(dǎo)致背柵晶體管導(dǎo)通，從而引起關(guān)態(tài)電流增加，增加功耗，同時也可能影響前柵閾值等等。再比如，雙柵結(jié)構(gòu)，尤其是垂直雙柵，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，STI區(qū)陷入的電荷無法在源漏間形成泄漏通道，具有很好的抗總劑量輻照特性。但是對于單粒子效應(yīng)，由于入射粒子穿過溝道，會對溝道區(qū)造成損傷，因此仍需要對器件進(jìn)行抗輻照加固，以提高器件的抗單粒子輻照能力，這對于提高器件的抗輻照性能有重要作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于垂直雙柵的新型MOS器件結(jié)構(gòu)，在保證器件具有良好抗總劑量輻照特性的同時，還具有良好的抗單粒子輻照能力。本發(fā)明提供的技術(shù)方案為一種垂直雙柵MOS器件，包括凸形溝道、源、漏、底柵和頂柵(如圖I)。凸形溝道左右兩邊延伸到源端，凸形溝道凸起的部分連接漏。本發(fā)明原理重離子垂直漏端入射，對于垂直雙柵器件(如圖2)，單粒子經(jīng)過整個垂直溝道，而對于凸形溝道器件，單粒子只經(jīng)過溝道的垂直部分，不經(jīng)過凸形溝道左右延伸部分，溝道左右延伸部分得到保護(hù)，重粒子輻照后溝道受影響的范圍比較小，因而抗單粒子性能得到改善。本發(fā)明垂直雙柵MOS器件的底柵為多晶硅或金屬柵薄膜，厚度為50_300nm。本發(fā)明垂直雙柵MOS器件的凸形溝道的深度小于200nm，寬度為20_300nm。本發(fā)明垂直雙柵MOS器件的源端和漏端的厚度范圍分別為厚度為20-200nm。本發(fā)明垂直雙柵MOS器件的頂柵為多晶硅薄膜，厚度范圍為厚度為50-300nm。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了上述器件的制備方法，其步驟包括I)在襯底上淀積第一層多晶娃；光刻、刻蝕形成底柵；2)淀積第一層二氧化硅，CMP磨平露出多晶硅；形成二氧化硅犧牲層；3)氧化形成二氧化硅柵氧；4)在二氧化硅柵氧上形成硅薄膜，并在硅薄膜上低壓化學(xué)氣相淀積二氧化硅掩膜層；5)光刻,刻蝕二氧化娃掩膜層和娃薄膜；6)低壓化學(xué)氣相沉積氮化硅；刻蝕氮化硅，形成側(cè)墻保護(hù)層；7)刻蝕硅形成垂直溝道；8)硅膜氧化形成第二層二氧化硅；9)低壓化學(xué)氣相沉積第二層多晶硅；以二氧化硅掩膜層為停止層，CMP磨平第二層多晶娃;10)刻蝕第二層多晶硅；淀積光刻膠掩膜，刻蝕第二層多晶硅，形成前柵；11)去除光刻膠掩膜，HF漂洗上述第一、二層二氧化硅和二氧化硅柵氧，磷酸漂洗氮化硅；12)源漏離子注入，電極引出。本發(fā)明垂直雙柵結(jié)構(gòu)提出了漏端在上的設(shè)計(jì)，漏端與STI區(qū)完全隔開，STI區(qū)陷入的電荷無法在源漏間形成泄漏通道，因而具有很好的抗總劑量特性。另一方面，該結(jié)構(gòu)又與傳統(tǒng)的垂直雙柵器件不同，如圖I所示，重離子垂直入射，假設(shè)器件所有位置都可能被打至IJ，可以看出垂直漏端入射的時候，重離子經(jīng)過的溝道最長。重離子垂直漏端入射，對于垂直雙柵器件(如圖2)，單粒子經(jīng)過整個垂直溝道；而對于凸形溝道器件，單粒子只經(jīng)過溝道的垂直部分，不經(jīng)過凸形溝道左右延伸部分，左右延伸溝道得到保護(hù)，重粒子輻照后溝道受影響的范圍比較小，因而抗單粒子性能得到改善。


圖I是新結(jié)構(gòu)的示意圖，如圖所示，I-襯底材料；2-底柵；3-溝道；4-源端；5-頂柵；6-漏端；7-源端。圖2是垂直雙柵結(jié)構(gòu)的示意圖，如圖所示，I-漏端；2_底柵；3_柵氧；4_溝道；5-源端；6-頂柵。圖3(a)_(p)是本發(fā)明提出的新器件的制備工藝流程示意圖。其中，圖3(a)在襯 底上淀積多晶硅；圖3(b)光刻，刻蝕形成底柵多晶硅；圖3(c)淀積SiO2,CMP磨平；圖3(d)氧化形成柵氧；圖3(e)形成硅層，并低壓化學(xué)氣相淀積二氧化硅掩膜層；圖3(f)光刻，刻蝕二氧化硅和硅；圖3(g)低壓化學(xué)氣相沉積氮化硅；圖3(h)刻蝕氮化硅；圖3(i)刻蝕硅形成垂直溝道；圖3(j)形成柵氧；圖3(k)低壓化學(xué)氣相沉積多晶硅；圖3(1)以二氧化硅為停止層，CMP磨平多晶硅；圖3(m) 二氧化硅掩膜，刻蝕多晶硅；圖3(n)光刻形成光刻膠掩膜，刻蝕多晶硅，形成前柵；圖3(0)去膠，HF漂洗二氧化硅，磷酸漂洗氮化硅；圖3(p)源漏離子注入，電極引出。圖中I-襯底材料；2-底柵；3-溝道；4-源端；5_頂柵；6-漏端；7-源端；8-多晶娃；9_ 二氧化娃；10-二氧化娃；11_棚氧；12_娃；13-光刻I父；14-氣化娃；15_棚氧；16_多晶硅；17-二氧化硅。
具體實(shí)施例方式如圖3所示，本結(jié)構(gòu)的制作方案是I.在娃襯底上低壓化學(xué)氣相沉積多晶娃薄膜,厚度為50_300nm,如圖3(a)所不；2.多晶硅柵離子注入并退火激活；3.光刻定義出底柵多晶硅圖形，干法刻蝕多晶硅，形成多晶硅底柵圖形并去膠，如圖3 (b)所示；4.淀積SiO2, CMP磨平SiO2,形成SiO2犧牲層，如圖3 (C)所示；5.氧化形成2_5nm厚的SiO2柵氧層，如圖3 (d)所示； 6.轉(zhuǎn)移形成200-300nm厚的娃薄膜,并低壓化學(xué)氣相淀積30_50nm厚的二氧化娃掩膜層，如圖3(e)所示；7.光刻形成光刻膠掩膜，刻蝕二氧化硅和硅，刻蝕深度為110_170nm，如圖3 (f)所示；8.去除光刻膠，低壓化學(xué)氣相沉積氮化硅薄膜，如圖3(g)所示；9.干法刻蝕氮化硅，形成側(cè)墻保護(hù)層，如圖3 (h)所示；10.光刻形成光刻膠掩膜，干法刻蝕硅40_60nm形成垂直溝道，如圖3 (i)所示；11.氧化形成2_5nm厚的柵氧，如圖3(j)所示；12.低壓化學(xué)氣相沉積多晶硅薄膜，厚度為240_350nm，如圖3 (k)所示；13.以二氧化硅為停止層，CMP磨平多晶硅，如圖3(1)所示；14.多晶硅柵離子注入并退火激活；15. 二氧化硅掩膜，干法刻蝕多晶硅110-150nm，如圖3 (m)所示；16.光刻形成光刻膠掩膜，并干法刻蝕多晶硅，形成前柵圖形，如圖3 (η)所示；17.去膠，用熱(170°C )的濃磷酸腐蝕氮化硅；18. HF溶液漂洗二氧化硅，如圖3 (O)所示；19.源漏離子注入(P離子，能量lOkev，劑量1014-1015cm_2)，退火激活，金屬電極引出并合金化，如圖3 (P)所示；經(jīng)過上述步驟，最終得到器件結(jié)構(gòu)圖見圖I。上面描述的實(shí)施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的更動和潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種垂直雙柵MOS器件，包括溝道、源端、漏端、底柵和頂柵，其特征在于，溝道的截面形狀為凸形，溝道左右兩邊延伸到源端，溝道凸起的部分連接漏端。
2.如權(quán)利要求I所述的垂直雙柵MOS器件，其特征在于，所述底柵為多晶硅或金屬柵薄膜，厚度為50-300nm。
3.如權(quán)利要求I所述的垂直雙柵MOS器件，其特征在于，所述凸形溝道，深度小于200nm,寬度為 20_300nm。
4.如權(quán)利要求I所述的垂直雙柵MOS器件，其特征在于，所述源端和漏端的厚度分別為20_200nm。
5.如權(quán)利要求I所述的垂直雙柵MOS器件，其特征在于，所述頂柵為多晶硅或金屬柵薄膜，厚度為50-300nm。
6.如權(quán)利要求I所述的器件的制備方法，其步驟包括 .1)在襯底上淀積第一層多晶硅；光刻、刻蝕形成底柵； .2)淀積第一層二氧化硅，CMP磨平露出多晶硅；形成二氧化硅犧牲層； .3)氧化形成二氧化硅柵氧； .4)在二氧化硅柵氧上形成硅薄膜，并在硅薄膜上低壓化學(xué)氣相淀積二氧化硅掩膜層； .5)光刻，刻蝕二氧化硅掩膜層和硅薄膜； .6)低壓化學(xué)氣相沉積氮化硅；刻蝕氮化硅，形成側(cè)墻保護(hù)層； .7)刻蝕硅形成垂直溝道； .8)硅膜氧化形成第二層二氧化硅； .9)低壓化學(xué)氣相沉積第二層多晶硅；以二氧化硅掩膜層為停止層，CMP磨平第二層多晶娃; .10)刻蝕第二層多晶硅；淀積光刻膠掩膜，刻蝕第二層多晶硅，形成前柵； .11)去除光刻膠掩膜，HF漂洗上述第一、二層二氧化硅和二氧化硅柵氧，磷酸漂洗氮化硅； .12)源漏離子注入，電極引出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于垂直雙柵的抗輻照晶體管及其制備方法，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。該器件包括凸形溝道、源、漏、底柵和頂柵，凸形溝道左右兩邊延伸到源端，凸形溝道凸起的部分連接漏。本發(fā)明由于單粒子垂直漏端入射的時候只經(jīng)過溝道的垂直部分，不經(jīng)過凸形溝道左右延伸部分，溝道左右延伸部分得到保護(hù)，重粒子輻照后溝道受影響的范圍比較小，因而抗單粒子性能得到改善。且本發(fā)明提出了漏端位于溝道的凸起上，漏端與STI區(qū)完全隔開，STI區(qū)陷入的電荷無法在源漏間形成泄漏通道，因而具有很好的抗總劑量特性。
文檔編號H01L29/06GK102623505SQ201210096469
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者劉長澤, 安霞, 張興, 楊東, 羅長寶, 黃如 申請人:北京大學(xué)