鄭瑩 王浩

（沈陽理工大學(xué) 遼寧省沈陽市 110159）

1 引言

隨著空間技術(shù)、核技術(shù)等的快速發(fā)展，越來越多的功率器件DMOS 不可避免要受到各種輻射的作用，導(dǎo)致器件的電性能參數(shù)變化，主要表現(xiàn)為閾值電壓漂移等[1]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使得器件功能失效，從而影響整個(gè)半導(dǎo)體電子設(shè)備的正常運(yùn)作，因此，有必要對(duì)功率器件的抗輻射加固技術(shù)進(jìn)行研究。按照器件損傷機(jī)理，抗輻射效應(yīng)通常分為抗總劑量和抗單粒子兩種[2]，目前報(bào)道的加固措施主要有Si3N4/SiO2 疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)[3]或者多晶硅部分剝離技術(shù)[4]等。本文在常規(guī)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，引入厚氧結(jié)構(gòu)，同時(shí)在工藝上采用后柵氧工藝，加大高能粒子入射器件難度且避免了高溫過程，大大提高器件抗輻射的能力。在新的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，利用半導(dǎo)體仿真軟件進(jìn)行工藝模擬，得到最終的工藝設(shè)計(jì)流程。

2 器件原理與結(jié)構(gòu)

圖1 是常規(guī)功率DMOS 器件的單胞結(jié)構(gòu)與原理圖， S、G 和D分別為功率DMOS 器件的源、柵、漏三個(gè)電極，外延層采用N 型Si 材料，外延層的厚度為Wepi，在外延層N-中形成了兩個(gè)彼此對(duì)稱的P 區(qū)和N+區(qū)，結(jié)深分別為hp和hN，為了避免寄生三極管導(dǎo)通，源極S 將N+區(qū)和P 區(qū)短接。在外延層上方分別是柵氧和多晶硅電極，在縱向構(gòu)成MOS 結(jié)構(gòu)，柵氧厚度為dox，多晶硅厚度為dp，經(jīng)重?fù)诫s后的多晶硅形成柵極G。當(dāng)柵源電壓VGS達(dá)到閾值電壓Vth時(shí)，p 區(qū)表面形成強(qiáng)反型，形成導(dǎo)電溝道，在正的漏源電壓VDS的作用下形成電流ID，經(jīng)源電極、N+區(qū)、溝道和外延層垂直流向襯底漏電極；當(dāng)柵源電壓VGS小于閾值電壓Vth時(shí)，無法形成導(dǎo)電通路，此時(shí)，P 區(qū)與外延層形成的PN 結(jié)反偏，耗盡層主要在外延層一側(cè)，可以維持較高的阻斷電壓[5]。在常規(guī)器件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在兩個(gè)P 區(qū)之間上方多晶硅下方的氧化層厚度增加，就形成了新的功率DMOS器件結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，tOx是厚氧化層的厚度。根據(jù)器件的電性能參數(shù)的要求：BVdss≥500V，Vth:2-4V，前期設(shè)計(jì)后得到的厚氧化層tox=400nm。同時(shí)，在工藝實(shí)現(xiàn)上還將采用后柵氧工藝，即在P區(qū)和N+區(qū)形成后再生長(zhǎng)柵氧化層，這樣可以有效避免高溫過程對(duì)界面態(tài)等的損壞，進(jìn)一步提高器件的抗輻射能力。

圖1：常規(guī)DMOS 器件結(jié)構(gòu)與原理示意圖

圖2：抗輻射功率DMOS 器件結(jié)構(gòu)示意圖

3 工藝設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)有的工藝線加工水平，利用半導(dǎo)體工藝仿真軟件對(duì)功率DMOS 器件加工單步工藝進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)合抗輻射功率DMOS器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，分別對(duì)厚氧結(jié)構(gòu)和后柵氧工藝進(jìn)行的研究。

3.1 厚氧工藝

通過對(duì)整個(gè)工藝流程的分析，厚氧結(jié)構(gòu)的形成主要通過場(chǎng)氧來實(shí)現(xiàn)，而厚氧化層的厚度由場(chǎng)氧的生長(zhǎng)條件和柵氧厚度來決定，由于柵氧在場(chǎng)氧后面生成，此時(shí)在形成厚氧的位置，已經(jīng)形成了一定厚度的氧化層，隔絕了硅外延層與環(huán)境氣氛的接觸，因此在生長(zhǎng)柵氧的過程中，無論是干氧氧化、濕氧氧化或者干濕結(jié)合，厚氧化層的厚度將增長(zhǎng)緩慢，也就是說，厚氧的最終厚度并不是場(chǎng)氧厚度和柵氧厚度的幾何相加。通過調(diào)節(jié)場(chǎng)氧的生長(zhǎng)時(shí)間和溫度，可以得到不同的厚氧化層厚度，如圖3 所示，可以看出，在生長(zhǎng)溫度T=1000℃時(shí)，場(chǎng)氧生長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，厚氧化層越厚；在生長(zhǎng)時(shí)間（65min）一定時(shí)，場(chǎng)氧生長(zhǎng)溫度越高，厚氧化層越厚，結(jié)果表明，在場(chǎng)氧的生長(zhǎng)時(shí)間為65min，生長(zhǎng)溫度T 為1000℃時(shí)，測(cè)得厚氧化層的厚度為399nm，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求的厚氧化層厚度基本吻合。

3.2 后柵氧工藝

傳統(tǒng)功率DMOS 器件的工藝流程多采用多晶硅柵極自對(duì)準(zhǔn)雙擴(kuò)散工藝，即先生長(zhǎng)柵氧化層，再淀積和刻蝕多晶硅，然后利用多晶硅的隔離作用進(jìn)行離子自對(duì)準(zhǔn)注入P 區(qū)，之后再對(duì)P 區(qū)進(jìn)行高溫阱推[6]。這種自對(duì)準(zhǔn)工藝較簡(jiǎn)單且要求精度不高，由于自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用，在關(guān)鍵光刻版之間的套刻誤差較小，工藝精度良好，器件的良率和性能更高。但是，在柵氧形成之前，工藝流程中存在的高溫?zé)徇^程，不可避免地會(huì)給柵氧化層引入較多的界面態(tài)和缺陷[7]，導(dǎo)致功率DMOS 器件在抗輻射方面的能力下降，嚴(yán)重影響器件的抗輻射性能。因此為了避免這個(gè)高溫過程，調(diào)整工藝流程，將柵氧工藝安排在P 區(qū)注入、高溫阱推及N+注入之后，即后柵氧工藝，如圖5 所示。相對(duì)于自對(duì)準(zhǔn)工藝，后柵氧工藝對(duì)生產(chǎn)線光刻工序的要求較高，這與工藝線精度與工藝成熟度緊密相關(guān)。

圖3：場(chǎng)氧生長(zhǎng)時(shí)間與厚氧厚度的關(guān)系（T=1000℃）

圖4：場(chǎng)氧生長(zhǎng)時(shí)間與厚氧厚度的關(guān)系（time=65min）

圖5：工藝流程圖

圖6：擊穿電壓曲線

圖7：閾值電壓曲線

3.3 電性能參數(shù)

根據(jù)前期抗輻射功率DMOS 器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，在上述的后柵氧工藝流程中對(duì)各個(gè)單步工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，特別是厚氧結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)，最終得到的器件電性能參數(shù)曲線如圖所示，圖6 是抗輻射功率DMOS 器件的擊穿電壓曲線，圖7 是抗輻射功率DMOS 器件的閾值電壓曲線?？梢钥闯?，擊穿電壓達(dá)到524V，閾值電壓達(dá)到3V，滿足器件設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

功率DMOS 器件的加固技術(shù)研究對(duì)抗輻射性能的提高具有重要的意義，本文在已知器件結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，利用半導(dǎo)體仿真軟件對(duì)器件的各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工藝模擬和器件電參數(shù)仿真，滿足了器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電參數(shù)要求，確定了N 型功率DMOS 器件的整個(gè)工藝流程，為器件的工藝流片奠定基礎(chǔ)，也為類似功率DMOS 器件的工藝流程制定提供了參考。