專利名稱:抗輻射半導(dǎo)體器件的制作方法
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，具體地說，是針對(duì)因輻射作用造成的半導(dǎo)體器件特性退化問題，作了改進(jìn)的抗輻射半導(dǎo)體器件。
近些年來，由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件以微處理機(jī)的形式，已顯著地?cái)U(kuò)大應(yīng)用到辦公室自動(dòng)化或工業(yè)電子設(shè)備，機(jī)器人等方面。
大部分普通半導(dǎo)體集成電路只能在與規(guī)定的范圍相似的環(huán)境條件下正常工作。在有些環(huán)境中，諸如在外層空間，那里是超高真空，充滿宇宙輻射，或者例如處于原子反應(yīng)堆周圍存在著輻射源的惡劣環(huán)境中，半導(dǎo)體器件無法使用。
但是，在構(gòu)成今后工業(yè)的空間技術(shù)方面，以及對(duì)用于檢驗(yàn)原子反應(yīng)堆工作的機(jī)器人，和對(duì)用于監(jiān)測反應(yīng)堆內(nèi)部情況的敏感原件來說，非常需要增強(qiáng)其抗輻射性能的半導(dǎo)體器件。
需要應(yīng)用半導(dǎo)體器件的輻射環(huán)境概述如下;
(1)外層空間…輻射主要包括質(zhì)子束和β-射線。這些輻射可分為三類高能粒子的太陽宇宙射線，它們主要是由質(zhì)子束和少量的α-射線組成;次級(jí)輻射，其主要組成部分是能量至少有2mev的β-射線以及能量不低于6Mev的質(zhì)子;銀河系宇宙射線，它由85%的質(zhì)子和大約15%的α-粒子組成。
(2)原子能反應(yīng)堆…其輻射中主要包括伽瑪射線和中子束(高速中子，熱中子)。
現(xiàn)已知道，當(dāng)射線輻照器件時(shí)，半導(dǎo)體器件或半導(dǎo)體集成電路會(huì)受到以下幾個(gè)方面的影響，這些影響與射線的種類因素有關(guān)
(1)因輻射引起穩(wěn)態(tài)電離而造成的器件功能退化或損壞，其程度取決于輻射的積分劑量。
(2)因輻射引起非穩(wěn)態(tài)電離而造成的器件功能退化或損壞，或產(chǎn)生一個(gè)干擾正常工作的電流，其程度取決于輻射的積分劑量。
(3)由單個(gè)粒子，例如α粒子或質(zhì)子，引起的隨機(jī)故障。
(4)由高速中子造成的損壞或衰變。
所以，應(yīng)用在宇宙線，諸如太陽宇宙線，次級(jí)輻射和銀河系宇宙線作用范圍內(nèi)的半導(dǎo)體器件，或用于原子能裝置，諸如核電站和核燃料精煉廠將最好是用一抗輻射的半導(dǎo)體器件，這些器件的特點(diǎn)是對(duì)上述射線輻照的影響幾乎可忽略不計(jì)。以及迫切需要發(fā)展這類半導(dǎo)體器件。
在硅MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)型，或雙極型半導(dǎo)體器件，以及在化合物半導(dǎo)體，例如砷化鎵器件的基礎(chǔ)上已經(jīng)進(jìn)行了抗輻射器件的研制工作。但是，這些工作主要是改進(jìn)工藝，如形成氧化物層的條件;或是改進(jìn)器件設(shè)計(jì)，如集成電路的完善化;或是僅僅采取一個(gè)措施，如通過監(jiān)測和故障率找出最佳工作條件。能應(yīng)用所有的半導(dǎo)體器件的技術(shù)尚未得到發(fā)展。“IEEE Transaction of Nuclear Science”＜原子核科學(xué)的電機(jī)和電子工程師學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)＞V、NS-30，No、6，12，1983，PP、4224-4228公布了按一般的方法在最佳條件下生產(chǎn)的16KMNOS(二進(jìn)制數(shù)字金屬氮-氧化物半導(dǎo)體)，EAROM(電可改寫只讀存貯器)。
本發(fā)明的目的是提供一種能抗輻射的半導(dǎo)體器件，它在抵御輻射引起的特性退化的能力方面有所改進(jìn)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種抗輻射半導(dǎo)體器件，該器件在射線輻照時(shí)，其特征不衰變。
本發(fā)明的特點(diǎn)是通過在半導(dǎo)體基體中的一P或n電導(dǎo)型半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)摻雜一些具有較小的熱中子吸收截面的雜質(zhì)。
關(guān)于熱中子吸收截面較小的雜質(zhì)原子質(zhì)量數(shù)為123的銻(Sb)，可作為n-型雜質(zhì)，稱之為施主雜質(zhì);而原子質(zhì)量數(shù)為11的硼(B)，原子質(zhì)量數(shù)為69的鎵(Ga)以及原子質(zhì)量數(shù)為113的(In)可作為P-型雜質(zhì)，即受主雜質(zhì)。在相應(yīng)元素的同位素中，它們是具有較小熱熱中子吸收截面的一種。此外，熱中子吸收截面較小的雜質(zhì)還包括磷(P)和鉍(Bi)，它們是施主雜質(zhì)，以及鋁(Al)，是受主雜質(zhì)，而且元素P，Bi和Al可以與上述元素Sb、B、Ga和In結(jié)合起來使用。這些元素將很好的構(gòu)成一組具有小熱中子吸收截面的摻雜雜質(zhì)。
本發(fā)明的基本思想如下，在核反應(yīng)堆附近，有中子輻射的區(qū)域里，由于，例如，因中子(n)激發(fā)伽瑪射線(γ)輻射而造成的(n.γ)原子核反應(yīng)，或因中子激發(fā)α-射線輻射而造成的(nα)原子核反應(yīng)，導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)摻雜雜質(zhì)元素的原子核發(fā)生衰變。其結(jié)果是，雜質(zhì)濃度按上述反應(yīng)的方式改變，從而得不到所設(shè)計(jì)的器件特性。因此，如果一種同位素，其原子核反應(yīng)的截面，對(duì)于明顯的核反應(yīng)來說，足夠小的話，例如，利用(P，2P)或(n、α)核反應(yīng)時(shí)，那么由于核轉(zhuǎn)變引起的特性惡性就可減輕。這個(gè)思想適用于所有的半導(dǎo)體器件。
圖1是MOS晶體管的剖面圖，它是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例;
圖2示出了閾值電壓的變化△VTH與硅體內(nèi)摻入的雜質(zhì)元素?cái)?shù)量Nx之間的關(guān)系曲線;
圖3是一組計(jì)算曲線，示出隨熱中子輻射時(shí)間增加，硼原子數(shù)量的變化。
圖4是閾值電壓的漂移與硅體內(nèi)硼原子數(shù)量間的關(guān)系曲線。圖上所示的是熱中子輻照前的硼原子數(shù)量，輻照后硼原子數(shù)量減少20%。
圖5是復(fù)合雙極型晶體管的剖面圖。它是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例;
圖6是圖5所示的復(fù)合晶體管的等效電路圖;
圖7示出了硅半導(dǎo)體中電子、空穴的遷移率和雜質(zhì)濃度之間的關(guān)系;
圖8示出了P型和n型硅的電阻率與雜質(zhì)濃度之間的關(guān)系。
參照?qǐng)D1，序號(hào)1表示-P型硅襯底，該襯底摻雜有施主雜質(zhì)，從而形成n型源極1a和n型漏極1b。源極電極2和漏極電極3分別與源極1a和漏極1b保持歐姆接觸。在源極和漏極1a、1b之間，在硅襯底1的
上，隔著一個(gè)氧化硅層沉積了珊極電極4。這樣，n溝道MOS晶體管就制作成了。
在此實(shí)施例中，硅襯底1中摻雜的是硼，但按照本發(fā)明的思想，所摻雜的是原子質(zhì)量數(shù)為11的硼。用于形成源極區(qū)1a和漏源區(qū)1b的施主雜質(zhì)是P。
眾所周知，半導(dǎo)體中的載流子是電子和空穴，它們是通過在高純單晶中摻雜少量異質(zhì)元素(雜質(zhì)元素)的方法產(chǎn)生的。更具體地說，在硅單晶中用周期表中Ⅴ族元素(磷P、砷As、銻Sb或鉍Bi)，摻雜時(shí)，在導(dǎo)帶中就造成一個(gè)電子電導(dǎo)，因而制成n型硅。相反，在用Ⅲ族元素(硼B(yǎng)、鋁Al 鎵Ga或In)摻雜的情況下，產(chǎn)生空穴，所以形成P型硅。
現(xiàn)已采用了幾種方法，可使雜質(zhì)元素?fù)饺氲焦杈Ц裰械倪m當(dāng)位置
(1)把原來就含有一定數(shù)量雜質(zhì)元素的材料熔化，然后進(jìn)行晶體生長的方法;
(2)把項(xiàng)定量的雜質(zhì)元素安置在硅晶體表面，在高溫下，因濃度梯梯度的作用雜質(zhì)元素?cái)U(kuò)散的方法。
(3)把雜質(zhì)元素離化，并加速，以預(yù)定劑量注入到硅中去的方法。通過熱處理可使雜質(zhì)原子運(yùn)動(dòng)到適當(dāng)?shù)木Ц裎恢谩?br> 無論應(yīng)用那種方法，都必須通過監(jiān)控雜質(zhì)元素的數(shù)量，制備出具有所需特性的硅襯底，顯然，需要事先充分考慮到，由于輻射或類似原因，在使雜質(zhì)元素的數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，希望保持不變的電參數(shù)將波動(dòng)，這將成為器件不正常工作的原因。
閾值電壓VTH是MOS晶體管的重要參數(shù)之一，它與被摻入硅中的雜質(zhì)元素?cái)?shù)量有如下關(guān)系
<math><msub><mi>V</mi><mi>T H</mi></msub><mi>=φ</mi><msub><mi></mi><mi>M S</mi></msub><mi>-</mi><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>s s</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>O X</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>+φ </mi><mi>F</mi></msub><mi>+</mi><mfrac><mrow><msqrt><msub><mi>2ε o ·ε</mi><mi>s1</mi></msub><msub><mi>·q ·N(21φ</mi><mi>F </mi></msub><mi>)</mi></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>O X</mi></msub></mrow></mfrac><mi></mi></math>
這里φMS為柵電極材料與硅之間的功涵數(shù)之差，φF為費(fèi)米能級(jí)的能量，εo為自由空間介電常數(shù)，εsi為相應(yīng)的硅介電常數(shù)，q為電子電荷，Qss為在氧化層內(nèi)靜電荷的數(shù)量，Cox為氧化層電容，以及N為雜質(zhì)濃度。
現(xiàn)在假定，閾值電壓VTH的改變由下式給出
△VTH＝VTH(Nα)-VTH(No)
那么可以得到

這里，m代表本征載流子濃度，No是雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量，而Nx是雜質(zhì)元素的摻入量。
通過舉例可以看出，摻入的受主雜質(zhì)的數(shù)量是No時(shí)，具有載流子濃度ni的本征半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成P型。而當(dāng)摻入的施主雜質(zhì)的數(shù)量達(dá)到Nx時(shí)，P型半導(dǎo)體部分轉(zhuǎn)變成n型。
如圖2所示，在假設(shè)的條件下，即No＝3×1015/Cm3和氧化硅層的厚度dOX＝1000A0時(shí)，計(jì)算得到的NX的不同對(duì)△VTH影響的曲線示于圖2。NX改變20%導(dǎo)致閾值電壓改變±0.1VO;雜質(zhì)元素?cái)?shù)量的波動(dòng)，通過這種方式，對(duì)器件特性施加了很大的影響。為此原故，到現(xiàn)在為止，通常的作法是把注意力集中在諸如，通過離子注入的方法控制雜質(zhì)元素的摻雜量，以及在制造工藝中進(jìn)行監(jiān)控，使摻雜數(shù)量的離散保持在2%的范圍之內(nèi)。
下面將解釋由于熱中子引起原子核衰變，從而造成的雜質(zhì)濃度改變的情況。
如前所述，在生產(chǎn)硅時(shí)，用于硅單晶摻雜的雜質(zhì)元素是元素周期表中的Ⅴ族元素(P、As、Sb、Bi)或Ⅲ族元素(B、Al、Ga、In)有關(guān)各元素的同位素豐度比，以及各相應(yīng)同位素的熱中子吸收截面集于表1。(科學(xué)年度表1982，同位素表，第七版目錄)取自“Rika Nenpyo”
《〔Chronological Table Of Science〕1982。
表1


從表1可以看出，在有熱中子的環(huán)境里使用半導(dǎo)體器件時(shí)，電參數(shù)變化最大的將是那些應(yīng)用以B為摻雜元素的P型基片作的半導(dǎo)體器件。特別是目前，在P型基片半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)中只能用天然組分的硼，因此采用P型基片的半導(dǎo)體器件的熱中子輻射效應(yīng)非常大。如表1所示，天然硼中含有大約20%的原子質(zhì)量數(shù)為10的硼(B10)，B10原子的熱中子吸收截面接近4000靶恩，(1靶恩＝10-24Cm)。
現(xiàn)用字母σ表示熱中子吸收截面，φ表示熱中子輻射劑量，而t表示輻射周期的時(shí)間，并且假設(shè)B10的豐度比為20%，那么由于中子輻射而造成的，硼原子的數(shù)量變化，可用下式表示
NtB＝0.8NOB+0.2NOBexp(-σφt)
這里，符號(hào)NOB和NtB分別表示硼原子在輻射前以及在經(jīng)受時(shí)間為t的輻射后的數(shù)量。在輻射情況下，以熱中子輻射劑量為參數(shù)計(jì)算的，硼原子數(shù)量的變化值示于圖3。在目前的輕水原子反應(yīng)堆的條件下(熱中子輻射劑量大約為3×1013n/cm2、Sec)，經(jīng)過大約300天的輻照，B10將基本衰減到零，所以硼原子的總數(shù)量下降大約20%。此外，如果考慮到，因制造工藝條件的差異，致使雜質(zhì)元素的數(shù)量在±2%內(nèi)變動(dòng)，那么甚至只有1013n/cm2、Sec的熱中子輻射量就能在幾十天內(nèi)造成上述后果。
圖4表示Mos晶體管的閾值電壓VTH的變化曲線，它是作為摻雜硼原子的數(shù)量，因熱子輻照而發(fā)生變化的函數(shù)方式給出的。在圖4中，縱坐標(biāo)表示的是下述情況下的閾值電壓VIH的漂移值，在經(jīng)受輻照之前的摻入的硼原子之中只有B13才會(huì)減少，直到硼原子的總量減到輻射前原子量的80%時(shí)的VTH漂移值。即

這里，下標(biāo)‘O’表示輻射前的值，下標(biāo)‘1’指的是由于輻射硼原子的數(shù)量下降20%時(shí)的值。另一方面，橫坐標(biāo)表示輻射前在P-型硅基片中所含有的硼原子數(shù)量。從圖4中可以看出，如果輻射前的硼原子數(shù)量較多，氧化層較厚，則熱中子輻射導(dǎo)致的電參數(shù)變化也較大。舉例說明之，在Mos晶體管中，如果氧化層厚度是1000AO，并且在輻射前摻雜濃度為1017n/cm3，那么，在比額定電壓低的0.5V(約10%)時(shí)，在源極與漏極之間就開始產(chǎn)生電流，所以器件就失效了。很容易理解，如果輻照前硅基片中B10的濃度較低，那么輻射的影響將減弱。
此外，B10吸收熱中子，并引起(n、α)反應(yīng)，原子核衰變成鋰Li同時(shí)發(fā)射出氦He。正因?yàn)槿绱耍€必須充分考慮到，除了由于硼原子數(shù)量減少的影響外，還有原子核衰變成鋰和所產(chǎn)生的氦都將加重對(duì)電參數(shù)的影響。
如上所述的本發(fā)明的實(shí)施例，利用了熱中子吸截面較小的B11，清除掉天然硼中的B10，把B11作為摻雜雜質(zhì)制備硅基片，因此，由于射線輻照造成雜質(zhì)濃度的減少，進(jìn)而引起電參數(shù)退化的現(xiàn)象趨向于減輕，從而增強(qiáng)了抗輻射的能力。
參照?qǐng)D5，序號(hào)11表示-n型導(dǎo)的硅片，其下表面通過擴(kuò)散摻入n-型雜質(zhì)，所以形成一個(gè)高濃度n-型擴(kuò)散區(qū)11a。硅片11的上表面上制成二個(gè)相互隔離的P型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)11c和11d，后一擴(kuò)散區(qū)11d中再制備一個(gè)n-型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)11e。序號(hào)12-15標(biāo)出了各個(gè)電極，它們分別與相應(yīng)的擴(kuò)散區(qū)11a和11c～11e通過歐姆接觸相聯(lián)結(jié)。字符11b表示沒有雜質(zhì)擴(kuò)散的區(qū)域。硅片11可以看作是一只復(fù)合晶體管，它由n-p-n雙極晶體管Q1和P-n-P雙極晶體管Q2組成。Q1中，11a和11b區(qū)構(gòu)成集電極，11d區(qū)形成基極，而11e區(qū)為發(fā)射極。Q2中，11c區(qū)構(gòu)成發(fā)射極，11b區(qū)為基極，而11d區(qū)則是集電極。這種情況可用圖6的等效電路描述。圖5中的序號(hào)16標(biāo)出了用作純化層的氧化硅簿膜。
關(guān)于可供這樣結(jié)構(gòu)的硅片11摻雜用的雜質(zhì)，本發(fā)明作為一種組合的例子，提出用鉍Bi作為施主雜質(zhì)，原子質(zhì)量數(shù)為69的鎵Ga作為受主雜質(zhì)。
如圖7和圖8所示，在硅片11中的雜質(zhì)濃度符合電子和空穴的遷移率的要求，并且也符合各區(qū)域中熱平衡狀態(tài)下相應(yīng)電阻率的要求。
電阻率的不穩(wěn)定將影響擊穿電壓和晶體管的電流放大系數(shù)。
例如，晶體管的共發(fā)射極電流放大系數(shù)β可由下式給出
<math><mi>β=</mi><mfrac><mrow><mi>1</mi></mrow><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>E</mi></msub><msub><mi>W </mi><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>B</mi></msub><msub><mi>L</mi><mi>E</mi></msub></mrow></mfrac><mi>+</mi><mfrac><mrow><msup><mi>w</mi><mi>Z</mi></msup><msub><mi></mi><mi>B</mi></msub></mrow><mrow><msup><mi>2L</mi><mi>2</mi></msup><msub><mi> </mi><mi>B</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></mfrac></math>
其中ρ表示電阻率，W和L表示發(fā)射極區(qū)或基極區(qū)的寬度和長度，以及下標(biāo)E和B表示發(fā)射極和基極。
從上述公式可以清楚看出，當(dāng)電阻率ρE或ρB變化時(shí)，電流放大系數(shù)β就不穩(wěn)定。因?yàn)殡娮杪师袳和ρB取決于雜質(zhì)濃度，所以由于輻射的原因，使雜質(zhì)濃度發(fā)生變化，其結(jié)果自然將導(dǎo)致電流放大系數(shù)β值的變化。
因此，在本發(fā)明中，采用熱中子吸收截面較小的雜質(zhì)，作為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)制造圖5中11a～11e等摻雜區(qū)，正如前述，這將抑制各摻雜區(qū)參數(shù)的波動(dòng)，從而使其電參數(shù)保持穩(wěn)定。
以上所述的實(shí)施例是針對(duì)Mos器件和雙極型晶體管，但本發(fā)明不局限于此，而且也適用于所有現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明，在銻Sb、硼B(yǎng)、鎵Ga和銦In的同位素中，如表1中所示的具有較小熱中子吸收截面的那幾種都可選擇應(yīng)用。出于諸如工藝等原因，例如高溫?cái)U(kuò)散，所選擇的雜質(zhì)必須與其它雜質(zhì)結(jié)合使用，例如，磷P，砷As、鉍Bi或鋁Al。甚致在這種情況下，也希望利用熱中子吸收截面較小的雜質(zhì)。
本發(fā)明提出選用那些元素，從原子核反應(yīng)的觀點(diǎn)看，其熱中子吸收截面比較小的元素，這樣可以防止隨著原子核衰變發(fā)生的半導(dǎo)體器件電參數(shù)的退化，因而，本發(fā)明有效地增強(qiáng)了半導(dǎo)體器件抗輻射的性能。
權(quán)利要求
1、抗輻射半導(dǎo)體器件包括
a)一半導(dǎo)體基片，它至少包括一種電導(dǎo)型的摻雜區(qū)和一種相反電導(dǎo)型摻雜區(qū)。
b)電極能相應(yīng)與上述電導(dǎo)型區(qū)以及和反型電導(dǎo)區(qū)保持歐姆接觸；
c)上述兩個(gè)電導(dǎo)區(qū)域中至少有一個(gè)是摻雜了決定其電導(dǎo)類型的雜質(zhì)，該雜質(zhì)是指相同元素中熱中子吸收截面較小的那種同位素，并經(jīng)富集化了的。
2、根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所提出的抗輻射半導(dǎo)體器件中，其中用以構(gòu)成某P型電導(dǎo)的雜質(zhì)是一種具有較小熱中子吸收截面的同位素，是從原子質(zhì)量數(shù)為11的硼B(yǎng)、原子質(zhì)量數(shù)為69的鎵Ga和原子質(zhì)量數(shù)為113的ZIn構(gòu)成的一組元素中選用的。
3、根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所涉及的抗輻射半導(dǎo)體器件中，所提出的用以構(gòu)成反型電導(dǎo)的雜質(zhì)是一種具有較小熱中子吸收截面的同位素，它是原子質(zhì)量數(shù)123的銻Sb。
4、根據(jù)權(quán)項(xiàng)2，制造的抗輻射半導(dǎo)體器件中，用以構(gòu)成n-型電導(dǎo)的雜質(zhì)是從磷P和鉍Bi中選擇的。
5、根據(jù)權(quán)項(xiàng)3，制造的抗輻射半導(dǎo)體器件，用以構(gòu)成P-型電導(dǎo)的雜質(zhì)是鋁Al。
專利摘要
本發(fā)明涉及抗輻射半導(dǎo)體器件，該器件的電特性不會(huì)由于輻射而衰變。本發(fā)明提出用以構(gòu)成某種電導(dǎo)類型而摻入半導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)應(yīng)選用相應(yīng)元素的一種同位素，其熱中子吸收截面較小的一種，例如，用原子質(zhì)量數(shù)為11的硼原子作為受主雜質(zhì)，用原子質(zhì)量數(shù)為123的銻Sb作為施主雜質(zhì)。當(dāng)用射線輻照時(shí)，該雜質(zhì)所經(jīng)受的原子核反應(yīng)大大小于其它同位素，因而，其雜質(zhì)濃度變化甚小，所以電特性不會(huì)發(fā)生變化。
文檔編號(hào)H01L29/02GK85103269SQ85103269
公開日1986年10月29日 申請(qǐng)日期1985年4月29日
發(fā)明者櫻井博司 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan