抗輻照雙極器件及該器件的制備方法
【專利摘要】抗輻照雙極器件及該器件的制備方法，涉及雙極器件的抗輻照技術。它為了解決現(xiàn)有雙極器件抗輻照能力差的問題。本發(fā)明在雙極器件基區(qū)表面設置有以發(fā)射區(qū)為中心的高摻雜濃度區(qū)。抗輻照雙極器件的制備方法為：在完成基區(qū)擴散或離子注入后，進行發(fā)射區(qū)擴散或離子注入前，進行抗輻照加固方法，抗輻照加固方法首先在基區(qū)掩膜版的基礎上制備基區(qū)表面摻雜掩膜版，基于該掩膜版向基區(qū)表面注入與基區(qū)體內相同的雜質離子，注入濃度為體區(qū)濃度的10～10000倍，最后進行退火處理。本發(fā)明通過改變基區(qū)表面結構及摻雜濃度，使器件失效閾值高了1.4～3.7倍。本發(fā)明適用于NPN器件、PNP器件、數(shù)字雙極電路、模擬雙極電路及數(shù)模/模數(shù)電路。
【專利說明】抗輻照雙極器件及該器件的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及雙極器件的抗輻照技術。
【背景技術】
[0002]航天器在軌飛行過程中，與空間各類帶電粒子(電子及質子)發(fā)生交互作用。這些電子及質子對航天器用電子器件的性能有著強烈的影響，會造成電離輻射效應、位移輻射效應和單粒子效應等。這些輻射效應將導致電子器件的異常或失靈，甚至最終導致航天器發(fā)生災難性的事故。國內外研究結果表明，航天器在軌會發(fā)生不同形式的故障，縮短了工作壽命，造成很大的損失。故障分析結果表明，空間帶電粒子對航天器上電子器件產(chǎn)生輻射損傷效應是故障乃至事故的重要原因。當今隨著航天科學技術的發(fā)展，對航天器用電子器件的抗輻照指標提出了更高的要求。伴隨著這些要求的提高，電子元器件抗輻照原理及技術的發(fā)展就顯得更加重要。
[0003]雙極晶體管具有良好的電流驅動能力、線性度、低噪聲以及優(yōu)良的匹配特性。它們在模擬或混合集成電路及BiCMOS電路中有著重要的作用，且這些電路及雙極晶體管常常應用于空間環(huán)境。所以，對提高雙極器件的抗輻照能力，對于優(yōu)化航天器的選材和設計及提高航天器的在軌服役可靠性，具有十分重要的工程實際意義。
[0004]對于目前常用的硅器件而言，雙極器件大多采用SiO2氧化層來保護器件表面。這就形成了 Si02/Si界面?？倓┝枯椪?電離損傷)會在氧化物層內產(chǎn)生俘獲正電荷和在Si02/Si界面產(chǎn)生界面態(tài)。俘獲正電荷和界面態(tài)均使得載流子表面復合速率增加，導致少數(shù)載流子壽命的降低，使雙極器件電流增益衰降和結漏電流增加。
[0005]雙極器件(尤其是NPN型雙極晶體管)經(jīng)輻照損傷后，氧化物俘獲正電荷會導致發(fā)射結(N+P結)及基區(qū)表層的耗盡層向基區(qū)擴展(P型區(qū))，增加耗盡層內的復合電流，導致雙極器件的過?；鶚O電流？IB(輻照后基極電流減去初始基極電流)增加，影響雙極器件的可靠性及壽命。雙極晶體管耗盡層擴展結構示意圖，如圖1所示。
[0006]因此，在不影響雙極器件電性能指標的前提下，大幅度減小氧化物俘獲正電荷對器件性能的影響，并有效提高雙極器件抗輻照能力，將會對整個集成電路的抗輻照加固具有重大的意義。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有雙極器件抗輻照能力差的問題，提出一種基于優(yōu)化器件基區(qū)表面結構及濃度的抗輻照雙極器件及該器件的制備方法。
[0008]本發(fā)明所述的抗輻照雙極器件，在基區(qū)表面設置有以發(fā)射區(qū)為中心的高摻雜濃度區(qū)，所述高摻雜濃度區(qū)的摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的10?10000倍。
[0009]所述的高摻雜濃度區(qū)為多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)或長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)。
[0010]多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)的深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20?1/5，環(huán)的寬度為0.01?IOum,內環(huán)邊界距發(fā)射區(qū)邊界的最小距離為0.01?lOum，相鄰兩個環(huán)的間距為0.1?IOum,環(huán)的個數(shù)為I~IO個。
[0011]長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)的深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20~1/5，長方形柵格的長度和寬度均為0.01~lOum，長方形柵格距發(fā)射區(qū)邊界最小距離為0.01~lOum，相鄰兩個長方形柵格的間距為0.1~10um，柵格的行數(shù)和列數(shù)均為2~100個。
[0012]本發(fā)明所述的抗輻照雙極器件的制備方法為:在完成基區(qū)擴散或離子注入后，在進行發(fā)射區(qū)擴散或離子注入前，進行抗輻照加固方法，所述抗輻照加固方法通過以下步驟實現(xiàn):
[0013]步驟一、在基區(qū)掩膜版的基礎上，制備基區(qū)表面摻雜掩膜版；
[0014]步驟二、基于該掩膜板向基區(qū)表面注入與基區(qū)體內相同的雜質離子，注入深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20~1/5，注入濃度為體區(qū)濃度的10~10000倍；
[0015]步驟三、完成注入后，進行退火處理，退火溫度與基區(qū)體擴散或注入時的退火溫度相同，退火時間與基區(qū)體擴散或注入時的退火時間相同。
[0016]上述步驟一所述的基區(qū)表面摻雜掩膜版為多環(huán)式掩膜版或長方形柵格式掩膜版。[0017]所述的多環(huán)式掩膜版的環(huán)的寬度為0.01~lOum，內環(huán)邊界距發(fā)射區(qū)邊界的最小距離為0.01~IOum,相鄰兩個環(huán)的間距為0.1~IOum,環(huán)的個數(shù)為I~10個。
[0018]所述的長方形柵格式掩膜版的長方形柵格的長度和寬度均為0.01~10um，長方形柵格距發(fā)射區(qū)邊界最小距離為0.01~lOum，相鄰兩個長方形柵格的間距為0.1~lOum，柵格的行數(shù)和列數(shù)均為2~100個。
[0019]本發(fā)明在不影響器件的電性能參數(shù)的情況下，通過改變基區(qū)表面的結構及摻雜濃度，在相同輻照劑量的條件下，能夠大大降低雙極器件的復合漏電流，尤其減少過剩基極電流？IB，降低了雙極晶體管的電流增益損傷程度，達到提高雙極器件抗輻照能力的目的。與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有高摻雜區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了至少1.4~3.7倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為普通的雙極器件輻照后耗盡層的結構示意圖；
[0021]圖2為實施方式二所述的抗輻照雙極器件的多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)的結構示意圖；
[0022]圖3為實施方式四所述的抗輻照雙極器件的長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)的結構示意圖；
[0023]圖4為實施方式二和四中的抗輻照雙極器件輻照后耗盡層的結構示意圖；
[0024]圖5為實施方式二和四中的雙極晶體管的電流增益隨吸收劑量的變化關系；
[0025]圖6為實施方式十一至十三中的實驗效果圖。
【具體實施方式】
[0026]【具體實施方式】一:結合圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式所述的抗輻照雙極器件，在基區(qū)表面設置有以發(fā)射區(qū)為中心的高摻雜濃度區(qū)，所述高摻雜濃度區(qū)的摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的10~10000倍。
[0027]所述高摻雜濃度區(qū)的摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的最佳范圍是10~10000倍。
[0028]本實施方式所述的抗輻照雙極器件在不影響器件的電性能參數(shù)情況下，在基區(qū)表面圍繞發(fā)射區(qū)形成高摻雜濃度區(qū)。如圖4所示，經(jīng)輻照損傷后，基區(qū)表面的高摻雜濃度區(qū)阻礙了耗盡層的擴展，從而減少載流子在耗盡區(qū)內的復合數(shù)量，降低了雙極器件的輻照損傷程度。該結構可以大大減小氧化物俘獲正電荷對器件性能的影響，提高了雙極器件的抗輻照能力，經(jīng)測試，具有上述高摻雜濃度區(qū)的雙極晶體管失效閾值高了 1.4至3.7倍。
[0029]上述抗輻照雙極器件的應用對象包括NPN器件、PNP器件、數(shù)字雙極電路、模擬雙極電路及數(shù)模/模數(shù)電路。
[0030]【具體實施方式】二:結合圖2和圖5說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的抗輻照雙極器件的進一步限定，本實施方式中，所述的高摻雜濃度區(qū)為多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)。
[0031]由圖5可知，與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了 3.7倍。
[0032]【具體實施方式】三:本實施方式是對實施方式二所述的抗輻照雙極器件的進一步限定，本實施方式中，所述的多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)的深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20?1/5，環(huán)的寬度為0.01?lOum，內環(huán)邊界距發(fā)射區(qū)邊界的最小距離為0.01?lOum，相鄰兩個環(huán)的間距為0.1?IOum,環(huán)的個數(shù)為I?10個。
[0033]【具體實施方式】四:結合圖3和圖5本實施方式是對實施方式一所述的抗輻照雙極器件的進一步限定，本實施方式中，所述的高摻雜濃度區(qū)為長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)。
[0034]由圖5可知，與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了 3.9倍。
[0035]【具體實施方式】五:本實施方式是對實施方式四所述的抗輻照雙極器件的進一步限定，本實施方式中，所述的長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)的深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20?1/5，長方形柵格的長度和寬度均為0.01?lOum，長方形柵格距發(fā)射區(qū)邊界最小距離為0.01?10um，相鄰兩個長方形柵格的間距為0.1?lOum，柵格的行數(shù)和列數(shù)均為2?100個。
[0036]【具體實施方式】六:結合圖5說明本實施方式，本實施方式是實施方式一所述的抗輻照雙極器件的制備方法，在完成基區(qū)擴散或離子注入后，在進行發(fā)射區(qū)擴散或離子注入前，進行抗輻照加固方法，所述抗輻照加固方法通過以下步驟實現(xiàn):
[0037]步驟一、在基區(qū)掩膜版的基礎上，制備基區(qū)表面摻雜掩膜版；
[0038]步驟二、基于該掩膜板向基區(qū)表面注入與基區(qū)體內相同的雜質離子，注入深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20?1/5，注入濃度為體區(qū)濃度的10?10000倍；
[0039]步驟三、完成注入后，進行退火處理，退火溫度與基區(qū)體擴散或注入時的退火溫度相同，退火時間與基區(qū)體擴散或注入時的退火時間相同。
[0040]本實施方式所述的輻照雙極器件的制備方法在傳統(tǒng)的雙極器件制造工藝步驟的基礎上進行了改進，在完成基區(qū)擴散或離子注入后、且在進行發(fā)射區(qū)擴散或離子注入前，制備基區(qū)表面摻雜掩膜版，掩膜版的形狀根據(jù)實際需要來確定。采用上述方法制備的抗輻照雙極器件能大幅度降低電離輻照誘導的氧化物俘獲正電荷的影響，大大增強了雙極器件的抗輻照性能，對于減少輻照條件下雙極器件的性能退化具有重大意義，在雙極器件抗輻照加固技術應用中具有明顯的優(yōu)勢和廣泛的應用前景。
[0041]所述高摻雜濃度區(qū)的摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的最佳范圍是10?10000倍。圖5給出了采用上述方法制備的抗輻照雙極晶體管電流增益隨吸收劑量的變化關系。實驗選用Co60輻照源，劑量率為0.lrad/s，總劑量為lOOkrad，以電流增益變化量為-60作為失效判據(jù)。由圖5可知，與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有高摻雜區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了 1.4~
3.7倍?？梢?，由于基區(qū)表面高摻雜濃度區(qū)的存在，會減少電流增益的損傷程度，可提升雙極器件抗輻照能力。
[0042]【具體實施方式】七:結合圖5說明本實施方式，本實施方式是對實施方式六所述的抗輻照雙極器件的制備方法的進一步限定，本實施方式中，步驟一所述的基區(qū)表面摻雜掩膜版為多環(huán)式掩膜版。
[0043]由圖5可知，與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了 3.7倍。
[0044]【具體實施方式】八:本實施方式是對實施方式七所述的抗輻照雙極器件的制備方法的進一步限定，本實施方式中，所述的多環(huán)式掩膜版的環(huán)的寬度為0.01~lOum，內環(huán)邊界距發(fā)射區(qū)邊界的最小距離為0.01~lOum，相鄰兩個環(huán)的間距為0.1~lOum，環(huán)的個數(shù)為I~10個
[0045]【具體實施方式】九:結合圖5說明本實施方式，本實施方式是對實施方式六所述的抗輻照雙極器件的制備方法的進一步限定，本實施方式中，步驟一所述的基區(qū)表面摻雜掩膜版為長方形柵格式掩膜版。
[0046]由圖5可知，與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了 3.9倍。
[0047]【具體實施方式】十:本實施方式是對實施方式九所述的抗輻照雙極器件的制備方法的進一步限定，本實施方式中，所述的長方形柵格式掩膜版的長方形柵格的長度和寬度均為0.01~lOum，長方形柵格距發(fā)射區(qū)邊界最小距離為0.01~lOum，相鄰兩個長方形柵格的間距為0.1~IOum,柵格的行`數(shù)和列數(shù)均為2~100個。
[0048]【具體實施方式】十一:結合圖6說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的抗輻照雙極器件的進一步限定，本實施方式中，所述的高摻雜濃度區(qū)為多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)，摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的10倍。
[0049]實驗選用Co60輻照源，劑量率為0.5rad/s，總劑量為lOOkrad，以電流增益變化量為-60作為失效判據(jù)。圖6所示為在高摻雜濃度區(qū)存在的條件下，雙極晶體管電流增益隨吸收劑量的變化關系。由圖6可知，當高摻雜濃度區(qū)的摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的10倍時，與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有高摻雜區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了 1.4倍。可見，由于基區(qū)表面高摻雜濃度區(qū)的存在，會減少電流增益的損傷程度，可提升雙極器件抗輻照能力。
[0050]【具體實施方式】十二:結合圖6說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的抗輻照雙極器件的進一步限定，本實施方式中，所述的高摻雜濃度區(qū)為多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)，摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的1000倍。
[0051]實驗選用Co60輻照源，劑量率為0.5rad/s，總劑量為lOOkrad，以電流增益變化量為-60作為失效判據(jù)。圖6所示為在高摻雜濃度區(qū)存在的條件下，雙極晶體管電流增益隨吸收劑量的變化關系。由圖6可知，當高摻雜濃度區(qū)的摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的1000倍時，與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有高摻雜區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了 2.0倍?？梢?，由于基區(qū)表面高摻雜濃度區(qū)的存在，會減少電流增益的損傷程度，可提升雙極器件抗輻照能力。
[0052]【具體實施方式】十三:結合圖6說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一所述的抗輻照雙極器件的進一步限定，本實施方式中，所述的高摻雜濃度區(qū)為多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)，摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的10000倍。
[0053]實驗選用Co60輻照源，劑量率為0.5rad/s，總劑量為lOOkrad，以電流增益變化量為-60作為失效判據(jù)。圖6所示為在高摻雜濃度區(qū)存在的條件下，雙極晶體管電流增益隨吸收劑量的變化關系。由圖6可知，當高摻雜濃度區(qū)的摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的10000倍時，與傳統(tǒng)基區(qū)結構相比，具有高摻雜區(qū)的雙極晶體管其失效閾值高了 3.7倍?？梢姡捎诨鶇^(qū)表面高摻雜濃度區(qū)的存在，會減少電流增益的損傷程度，可提升雙極器件抗輻照能力。
【權利要求】
1.抗輻照雙極器件，其特征在于:在基區(qū)表面設置有以發(fā)射區(qū)為中心的高摻雜濃度區(qū)，所述高摻雜濃度區(qū)的摻雜濃度為體區(qū)摻雜濃度的10?10000倍。
2.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照雙極器件，其特征在于:所述的高摻雜濃度區(qū)為多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)。
3.根據(jù)權利要求2所述的抗輻照雙極器件，其特征在于:所述的多環(huán)式高摻雜濃度區(qū)的深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20?1/5，環(huán)的寬度為0.01?lOum，內環(huán)邊界距發(fā)射區(qū)邊界的最小距離為0.01?IOum,相鄰兩個環(huán)的間距為0.1?IOum,環(huán)的個數(shù)為I?10個。
4.根據(jù)權利要求1所述的抗輻照雙極器件，其特征在于:所述的高摻雜濃度區(qū)為長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)。
5.根據(jù)權利要求4所述的抗輻照雙極器件，其特征在于:所述的長方形柵格式高摻雜濃度區(qū)的深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20?1/5，長方形柵格的長度和寬度均為0.01?10um，長方形柵格距發(fā)射區(qū)邊界最小距離為0.01?lOum，相鄰兩個長方形柵格的間距為0.1?IOum,柵格的行數(shù)和列數(shù)均為2?100個。
6.權利要求1所述的抗輻照雙極器件的制備方法，其特征在于:在完成基區(qū)擴散或離子注入后，在進行發(fā)射區(qū)擴散或離子注入前，進行抗輻照加固方法，所述抗輻照加固方法通過以下步驟實現(xiàn): 步驟一、在基區(qū)掩膜版的基礎上，制備基區(qū)表面摻雜掩膜版； 步驟二、基于該掩膜板向基區(qū)表面注入與基區(qū)體內相同的雜質離子，注入深度為發(fā)射區(qū)深度的1/20?1/5，注入濃度為體區(qū)濃度的10?10000倍； 步驟三、完成注入后，進行退火處理，退火溫度與基區(qū)體擴散或注入時的退火溫度相同，退火時間與基區(qū)體擴散或注入時的退火時間相同。
7.根據(jù)權利要求6所述的抗輻照雙極器件的制備方法，其特征在于:步驟一所述的基區(qū)表面摻雜掩膜版為多環(huán)式掩膜版。
8.根據(jù)權利要求7所述的抗輻照雙極器件的制備方法，其特征在于:所述的多環(huán)式掩膜版的環(huán)的寬度為0.01?lOum，內環(huán)邊界距發(fā)射區(qū)邊界的最小距離為0.01?lOum，相鄰兩個環(huán)的間距為0.1?IOum,環(huán)的個數(shù)為I?10個。
9.根據(jù)權利要求6所述的抗輻照雙極器件的制備方法，其特征在于:步驟一所述的基區(qū)表面摻雜掩膜版為長方形柵格式掩膜版。
10.根據(jù)權利要求9所述的抗輻照雙極器件的制備方法，其特征在于:所述的長方形柵格式掩膜版的長方形柵格的長度和寬度均為0.01?lOum，長方形柵格距發(fā)射區(qū)邊界最小距離為0.01?lOum，相鄰兩個長方形柵格的間距為0.1?lOum，柵格的行數(shù)和列數(shù)均為2?100個。
【文檔編號】H01L29/73GK103872106SQ201410135845
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權日:2014年4月4日
【發(fā)明者】李興冀, 楊劍群, 劉超銘, 肖景東, 何世禹 申請人:哈爾濱工業(yè)大學