原创 场区加固工艺技术研究

１ 引言

随着航天技术和集成电路设计、制造技术的快速发展，越来越多的超大规模集成电路被应用到各类航天器和卫星的通讯和控制系统中。ＣＭＯＳ电路由于具有低功耗、宽电源电压范围和输出摆幅大、抗干扰能力强、集成度高、工艺成熟以及成本相对较低等优势［１］而成为ＬＳＩ的主流产品。空间辐射环境中应用的ＣＭＯＳＬＳＩ受到高能粒子的辐射会产生电离辐射效应，使集成电路性能或功能发生变化。由于ＣＭＯＳ电路是表面器件，对电离辐射特别敏感。电离辐射效应使ＣＭＯＳ电路的输出电压下降，最大输出电流降低，传输延迟时间增加，静态漏电流增大，严重时导致器件失效，极大地影响航天器的寿命和可靠性。因此，对空间应用的ＣＭＯＳＬＳＩ有必要进行加固技术研究以提高其抗辐射能力。

提高ＣＭＯＳＬＳＩ抗电离辐射的能力可以采用设计技术加固和工艺技术加固的方法。本文主要通过电离辐射效应机理的分析，着重对ＣＭＯＳ电路的场区加固，利用工艺加固技术制作新的复合场介质层使电路的抗电离辐射能力得到较大幅度的提高。

２ 电离辐射效应

２.１ 机理

在空间环境中，带电粒子入射ＣＭＯＳ器件的ＳｉＯ２绝缘层时，使其产生电离效应，在ＳｉＯ２中产生电子空穴对，电子被（电源）电场扫出，空穴输运至ＳｉＯ２-Ｓｉ界面，在近界面处的ＳｉＯ２中被空穴陷阱俘获，形成被俘获的正空穴陷阱电荷Ｑｏｔ，同时在ＳｉＯ２-Ｓｉ界面，产生新生界面态ΔＤｉｔ。

Ｑｏｔ及ΔＤｉｔ使ＭＯＳ电容硅表面或ＭＯＳＦＥＴ沟道电荷发生变化，导致ＭＯＳ电容曲线负向移动及畸变，并且引起ＭＯＳＦＥＴ阈值电压ＶＴ的变化。对于ｎ沟ＭＯＳＦＥＴ， ＶＴＮ减小，严重则变负，器件由增强型变成耗尽型，ｐ沟ＭＯＳＦＥＴ的ＶＴＰ绝对值将增加。同时，ＭＯＳＦＥＴ的沟道迁移率下降，表面复合速度增大，跨导将减小，沟道截止漏电电流增加，击穿电压下降，噪声增加。同时，Ｑｏｔ及ΔＤｉｔ也会引起体硅场寄生ＭＯＳ管阈值电压变化，电离辐射引起的损伤与ＳｉＯ２层的厚度成正比，由于场氧化层的厚度比较大，正电荷的累积很容易使ｎ管场区硅衬底表面反型，导致器件失效。

２.２ 场区加固技术

针对电离辐射效应引起ＣＭＯＳＬＳＩ电学特性变化的主要原因是ＳｉＯ２中累积的正电荷和ＳｉＯ２-Ｓｉ界面态，因此必须对电路中的氧化层加固。栅氧化层的加固非常重要，已有大量文章叙述。本文主要探讨体硅场区的加固方法。

ＣＭＯＳＬＳＩ中器件的隔离通常由高阈值的场区承担。场氧化层的厚度比栅氧化层要大一个数量级以上。电离辐射损伤与氧化层厚度成正比，因此，电离辐射后，场氧化层中累积的辐照感生电荷对其隔离特性的影响是严重的。对于ｐ沟道场寄生管，电离辐射使其阈值升高。隔离特性不受影响，而ｎ沟道的场寄生管，其阈值降低，直到反型，使其丧失隔离特性。对场区的加固可以采用以下方法［１］。

①版图设计技术加固。最好的办法是采用环栅设计，漏极由栅包围，不需场区隔离。但是付出的代价是增加了芯片面积，增加了布线难度，不能制作宽长比小的器件，在ＬＳＩ中基本不能采用。

②工艺上可以提高场氧化层的ｐ型硅（主要针对ｎ沟道的场寄生管）的表面掺杂浓度来提高阈值电压，但会降低ＮＭＯＳ管的击穿电压，ｐ型掺杂浓度的提高受到限制，实施时也需要付出增加芯片面积的代价。同时由于ｐ型杂质在Ｓｉ-ＳｉＯ２界面的分凝效应，在ＳｉＯ２中的分凝效应系数较大，使场氧化层下的硅表面杂质浓度提高比较困难。

③对场介质本身进行加固，可以采用减薄场氧化层厚度、改变生长条件、在氧化层中进行离子注入掺杂、多层介质膜代替场氧化层等方法。

本文着重介绍复合介质膜［２］代替场氧化层的工艺加固技术。利用场介质加固方法实现在辐照过程中减小ΔＶＴＦ进而遏制漏电电流的增加。

３ 场介质加固技术

３.１ 场介质加固

在常规加固电路中虽然对场区从设计和工艺上进行了加固，提高了场区寄生管的阈值电压，但由于电路中场氧化层比栅氧化层厚度要大一个数量级以上，因此在场区受辐照后会引起较大的阈值电压漂移，从而使场寄生管导通而引起漏电流增大。减薄场氧化层的厚度可以明显的降低空间正电荷，从而使场区硅表面不易反型，但场寄生管的阈值电压又正比场氧化层的厚度，当场氧化层的厚度减薄时，它将线性下降，同时还将影响场区的隔离特性，增加分布电容，影响电路速度。因此，简单地减薄场氧化层的厚度以提高其抗电离辐射的能力有
很大的局限性。

研究表明，一组合适的ＳｉＯ２-Ｓｉ３Ｎ４复合场介质，既能减小场氧化层的厚度，又能对场区的隔离性能、场寄生管的阈值电压影响不大。

３.２ 场区加固工艺技术

采用ＳｉＯ２与Ｓｉ３Ｎ４复合场介质制造工艺，用不同厚度的场氧化层与Ｓｉ３Ｎ４的组合利用５４系列电路的版图进行了实际应用，辐照试验验证获得了预期效果。可以得出结论，采用ＳｉＯ２与Ｓｉ３Ｎ４复合场介质能够有效地抑制辐照引起的漏电流增大，是一种有效的场区加固方法，从而提高电路的抗电离辐射性能。

与常规加固工艺比较，工艺流程中需要增加一块光刻版（有源区反版），在场区氧化层生长完成，除去有源区Ｓｉ３Ｎ４后做一层Ｓｉ３Ｎ４介质层，然后加一次有源区反版的光刻，将有源区内的Ｓｉ３Ｎ４薄膜除去，留下场区介质层。这样场区的ＳｉＯ２层可以做得比较薄，达到提高抗总剂量辐射能力的目的。

在试验中，电路栅介质的ＳｉＯ２在硅反应器中生成，很好地保证了系统的纯度，全部试验器件的栅氧化层厚度一致，排除了试验中栅介质的影响因素。场介质中的ＳｉＯ２采用Ｈ２／Ｏ２合成，Ｓｉ３Ｎ４采用ＰＥＣＶＤ方法生成。需要注意的是场氧化层的厚度减薄有一定的范围，需与其他工艺兼容，研制中我们曾将ＳｉＯ２的厚度减薄到１３０ｎｍ左右，但在场氧化后热磷酸去除有源区氮化硅过程中使场氧化层所剩无几，因此，太薄的场氧化层并不可取。

３.３ 辐照试验

样管场介质中ＳｉＯ２和Ｓｉ３Ｎ４不同厚度在括号内标出，试验样品编号如下。

试验１电路：１～２＃为常规ＳｉＯ２ （６７６.９ｎｍ）；３＃为ＳｉＯ２＋Ｓｉ３Ｎ４加固（４２８.３ｎｍ＋９６.５ｎｍ）；４～７＃为ＳｉＯ２＋Ｓｉ３Ｎ４加固（３２３.７ｎｍ＋１９３.６ｎｍ）。试验２电路：１～３＃为常规ＳｉＯ２ （６７６.９ｎｍ）；４＃为ＳｉＯ２＋Ｓｉ３Ｎ４加固（４２８.３ｎｍ＋９６.５ｎｍ）；５～８＃为ＳｉＯ２＋Ｓｉ３Ｎ４加固（３２３.７ｎｍ＋１９３.６ｎｍ）。

辐照源为沈阳军区联勤部疾控中心实验室６０Ｃｏ源，幅照试验时剂量率为０.２６Ｇｙ（Ｓｉ）／ｓ。试验数据见表１和表２，表中斜体数字为辐照后电流变化率。

图１和图２是不同场介质的试验电路在总剂量辐照后电流变化率比较图。从图中可以看出ＳｉＯ２-Ｓｉ３Ｎ４复合介质有明显优势。

４ 结论

从试验结果可以看到，利用ＳｉＯ２-Ｓｉ３Ｎ４复合介质替代单一的场氧化层，可以使场氧化层的厚度减薄至少１／３，加固的器件辐照后电流变化率比常规的加固工艺降低了１～２个数量级。辐射诱生的正电荷很大一部分存在于两层介质层之间，即ＳｉＯ２-Ｓｉ３Ｎ４界面，而不是集中在Ｓｉ-ＳｉＯ２界面，相当于有效正电荷减少。同时，Ｓｉ３Ｎ４介质中有较多的电子陷阱，电离辐射诱生空间正电荷的同时也产生大量的负电荷，也使辐射产生的正电荷减少。因此ＳｉＯ２-Ｓｉ３Ｎ４复合介质确实是一种可供选择的场区工艺加固方法。