厚柵氧PMOSγ射線劑量探測(cè)器芯片工藝優(yōu)化研究

張玲玲，郭鳳麗，石 磊

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

PMOS管在受到高能γ射線照射后，會(huì)在柵二氧化硅層中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在正電場(chǎng)作用下形成電離陷阱電荷。電離陷阱電荷使PMOS管的閾值電壓產(chǎn)生變化，閾值電壓會(huì)隨著所接受的γ射線照射劑量而變化，并且能累積這種變化，因而能用于γ射線劑量探測(cè)[1]。PMOS管制作的γ射線劑量探測(cè)器已大量應(yīng)用于γ射線劑量計(jì)，作為劑量計(jì)的關(guān)鍵元器件，PMOS探測(cè)器芯片生產(chǎn)良率直接決定探測(cè)器的成本，因此本文針對(duì)PMOSγ射線劑量探測(cè)器（結(jié)構(gòu)見圖1）芯片制作過程中的良率提升問題進(jìn)行研究。

圖1 PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖

PMOS劑量計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)包括PMOS管的閾值電壓。提高PMOSγ射線劑量探測(cè)器芯片的制造良率也就是控制PMOS管閾值電壓的一致性。由于探測(cè)器的靈敏度與柵氧化層厚度的平方成正比，為提高探測(cè)器的靈敏度，采用厚柵氧結(jié)構(gòu)，文中討論的PMOS管柵長(zhǎng)比為1350/13，柵氧厚度為850 nm。文章主要圍繞厚柵氧工藝及閾值電壓的控制進(jìn)行分析討論。

2 厚柵氧PMOS管閾值電壓的控制

PMOS管閾值電壓一般公式為：

式中Vth為閾值電壓、tox為柵氧化層厚度、Q′SD為柵氧固定電荷密度、Q′SS為柵氧可動(dòng)電荷密度、εOX為二氧化硅的介電常數(shù)、φms為金屬-氧化層功函數(shù)差、φfn為溝道雜質(zhì)濃度參考電壓。從公式[2]中可知，閾值電壓是溝道摻雜濃度φfn、柵氧固定電荷密度Q′SD、柵氧可動(dòng)電荷密度Q′SS、柵氧化層厚度的函數(shù)，對(duì)于給定的半導(dǎo)體材料和柵金屬，φms基本一致，通過優(yōu)化柵氧工藝降低柵氧內(nèi)固定電荷及可動(dòng)電荷，同時(shí)通過控制源漏及溝道摻雜濃度和減小過剩電荷來降低φfn實(shí)現(xiàn)對(duì)閾值電壓的控制[3]。理論上源漏及溝道內(nèi)電荷通過注入及退火工藝匹配，閾值電壓可以控制為固定值，合格率可以達(dá)到100%，而實(shí)際閾值電壓往往會(huì)發(fā)生漂移，圓片測(cè)試合格率不到50%。如圖2為改善前厚柵氧PMOS管圓片測(cè)試打點(diǎn)圖，芯片良率整體較低。

圖2 厚柵氧PMOS管圓片測(cè)試打點(diǎn)圖（改善前）

2.1 厚柵氧PMOS管閾值電壓漂移分析

形成閾值電壓漂移的原因主要有襯底摻雜濃度、溝道注入濃度、柵氧固定電荷密度、柵氧可動(dòng)電荷以及柵氧氧化溫度。為了具體研究各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)閾值電壓的影響，采用工藝仿真各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)閾值電壓的影響，表1至表4為對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)在不同條件下對(duì)應(yīng)的PMOS管閾值電壓的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果來看柵氧氧化溫度整體上對(duì)閾值電壓影響不大，從如何降低柵氧固定電荷以及可動(dòng)電荷入手，在柵氧固定電荷的影響確定后，分析使用同一根柵氧爐，在相同爐管條件下主要影響因素為材料雜質(zhì)濃度及離子注入劑量。

表1 不同電阻率襯底對(duì)應(yīng)的PMOS管閾值電壓

表2 不同溝道離子注入劑量對(duì)應(yīng)的PMOS管閾值電壓

表3 不同柵氧固定電荷對(duì)應(yīng)的PMOS管閾值電壓

表4 柵氧氧化溫度對(duì)應(yīng)的PMOS管閾值電壓

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

根據(jù)仿真結(jié)果，具體研究不同柵氧工藝、襯底材料雜質(zhì)濃度及離子注入劑量對(duì)閾值電壓的影響。具體分析按兩步進(jìn)行：1）不同柵氧工藝對(duì)閾值電壓均勻性的影響；2）襯底材料的均勻性以及離子注入劑量對(duì)閾值電壓均勻型的影響。

2.2.1 不同柵氧工藝對(duì)閾值電壓均勻性的影響

柵氧可動(dòng)電荷及固定電荷密度主要和柵氧前的清洗以及柵氧生長(zhǎng)方式有關(guān)，好的Si-SiO2界面態(tài)以及致密的SiO2才能確保閾值電壓的均勻性和一致性。

（1）柵氧前的清洗

采用不同的清洗方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，方法1采用Ⅰ號(hào)液（氨水∶過氧化氫∶去離子水=1∶2∶10）+Ⅲ號(hào)液（濃H2SO4∶H2O2=3∶1）清洗，測(cè)試柵上的I-V曲線如圖3所示；方法2在溝道注入前生長(zhǎng)一定厚度的熱氧化層，在柵氧前用HF漂光+Ⅰ號(hào)液+Ⅲ號(hào)液清洗，清洗后相同條件生長(zhǎng)850 nm氧化層，測(cè)試柵上的I-V曲線（見圖4），通過HF漂洗薄氧化層能徹底去除硅片表面雜質(zhì)，產(chǎn)生潔凈表面，減少界面陷阱電荷，降低氧化層內(nèi)可動(dòng)電荷，確保柵氧質(zhì)量。

（2）柵氧方式選擇

由于厚柵氧直接熱氧化比較緩慢，到后期無法使柵氧繼續(xù)生長(zhǎng)，且致密度不夠好，因此無法直接采用熱氧化的方法來制備。采用濕氧生長(zhǎng)的SiO2氧化層質(zhì)量無法保證，綜合多方因素采用干氧－常壓氫氧合成氧化－干氧的氧化方法[4]。由于采用高純氣體作氫氧合成氧化，因而提高了氧化層的質(zhì)量，有效減少了Si-SiO2系統(tǒng)中可動(dòng)離子的沾污，氫氧合成氧化的厚度均勻性及重復(fù)性都比濕氧氧化好，只要嚴(yán)格控制好H2和O2的流量及兩者流量比，其厚度均勻性可控制在5%以內(nèi)。

（3）試驗(yàn)結(jié)果

目前850 nm柵氧的QBD大于10 Coul/cm2(測(cè)試電流0.1 nA/μm2，擊穿場(chǎng)強(qiáng)大于10 MV/cm，對(duì)于該電路850 nm的柵氧質(zhì)量是有足夠保證的，柵氧片間和片內(nèi)波動(dòng)在膜厚的±5%之間[5]。對(duì)比不同的清洗方式，如圖4所示薄氧HF清洗+Ⅰ號(hào)液+Ⅲ號(hào)液清洗柵氧的BVgss明顯優(yōu)于常規(guī)的Ⅰ號(hào)液+Ⅲ號(hào)液清洗（圖3）。

圖3 Ⅰ號(hào)液+Ⅲ號(hào)液清洗柵氧I-V曲線

圖4 HF清洗+Ⅰ號(hào)液+Ⅲ號(hào)液清洗柵氧I-V曲線

鑒于以上試驗(yàn)結(jié)果，采用特殊的清洗方式加干氧－常壓氫氧合成氧化－干氧的氧化方法就能獲得高質(zhì)量的厚柵氧，降低柵氧內(nèi)固定電荷及可動(dòng)電荷密度。

2.2.2 襯底材料均勻性及離子注入劑量對(duì)閾值電壓均勻性的影響

對(duì)現(xiàn)有的3片N（100）5～9Ω·cm圓片進(jìn)行方塊電阻測(cè)試，得到其電阻分布圖如圖5所示，從測(cè)試結(jié)果來看材料片的片內(nèi)均勻性和片間均勻性都存在一定的差異。

圖5 硅材料片方塊電阻測(cè)試分布圖

對(duì)離子注入后材料的均勻性進(jìn)行分析，對(duì)2片N（100）5～9Ω·cm圓片進(jìn)行離子注入，注入條件B+100 keV 8×1012，之后1000℃快速退火30 s后測(cè)試圓片方塊電阻。電阻分布如圖6所示，從圖片可以看出溝道注入的不均勻性也會(huì)導(dǎo)致圓片閾值電壓的不均勻性。

圖6 注入退火后圓片方塊電阻分布圖

綜合上述測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中采用固定的柵氧爐管及確定的柵氧條件下，對(duì)圓片材料進(jìn)行電阻率測(cè)試分檔，通過調(diào)整溝道注入劑量匹配不同材料雜質(zhì)濃度，來達(dá)到減小過剩電荷的目的，以實(shí)現(xiàn)高的圓片測(cè)試合格率。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。圖7為實(shí)驗(yàn)改善后的PMOS管圓片測(cè)試打點(diǎn)圖，從圖中可以看出圓片測(cè)試合格率明顯提高。

圖7 PMOS管圓片測(cè)試打點(diǎn)圖（改善后）

表5 不同材料電阻率對(duì)應(yīng)的溝道注入劑量表

鑒于以上的數(shù)據(jù)分析以及前期的流片結(jié)果，提高圓片成品率目前所能采取的措施為：一方面通過提高圓片的材料均勻性，采用相對(duì)一致性好的圓片，圓片使用前測(cè)試選用電阻率相對(duì)均勻的圓片；另一方面根據(jù)硅材料片的電阻率調(diào)整溝道注入劑量，減小過剩電荷。

3 結(jié)論

根據(jù)前期的工藝實(shí)驗(yàn)分析，生產(chǎn)過程中，采用提高圓片的材料均勻性，根據(jù)硅材料的電阻率調(diào)整溝道注入劑量，同時(shí)采用特殊的清洗及柵氧工藝綜合提高厚柵氧質(zhì)量，目前生產(chǎn)的厚柵氧PMOSγ射線劑量探測(cè)器圓片合格率達(dá)到80%以上，封裝及測(cè)試合格率達(dá)到95%以上，滿足批量生產(chǎn)的要求，制造成本降低30%。