厚柵氧PMOSγ射線劑量探測器芯片工藝優(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，會在柵二氧化硅層中產(chǎn)生電子空穴對，在正電場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[1]。PMOS管制作的γ射線劑量探測器已大量應(yīng)用于γ射線劑量計，作為劑量計的關(guān)鍵元器件，PMOS探測器芯片生產(chǎn)良率直接決定探測器的成本，因此本文針對PMOSγ射線劑量探測器（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。由于探測器的靈敏度與柵氧化層厚度的平方成正比，為提高探測器的靈敏度，采用厚柵氧結(jié)構(gòu)，文中討論的PMOS管柵長比為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、柵氧可動電荷密度Q′SS、柵氧化層厚度的函數(shù)，對于給定的半導(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)固定電荷及可動電荷，同時通過控制源漏及溝道摻雜濃度和減小過剩電荷來降低φfn實現(xiàn)對閾值電壓的控制[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%，而實際閾值電壓往往會發(fā)生漂移，圓片測試合格率不到50%。如圖2為改善前厚柵氧PMOS管圓片測試打點圖，芯片良率整體較低。

圖2 厚柵氧PMOS管圓片測試打點圖（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、柵氧可動電荷以及柵氧氧化溫度。為了具體研究各項指標(biāo)對閾值電壓的影響，采用工藝仿真各項指標(biāo)對閾值電壓的影響，表1至表4為對各項指標(biāo)在不同條件下對應(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閾值電壓影響不大，從如何降低柵氧固定電荷以及可動電荷入手，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 不同電阻率襯底對應(yīng)的PMOS管閾值電壓

表2 不同溝道離子注入劑量對應(yīng)的PMOS管閾值電壓

表3 不同柵氧固定電荷對應(yīng)的PMOS管閾值電壓

表4 柵氧氧化溫度對應(yīng)的PMOS管閾值電壓

2.2 實測結(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閾值電壓均勻型的影響。

2.2.1 不同柵氧工藝對閾值電壓均勻性的影響

柵氧可動電荷及固定電荷密度主要和柵氧前的清洗以及柵氧生長方式有關(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)行對比試驗，方法1采用Ⅰ號液（氨水∶過氧化氫∶去離子水=1∶2∶10）+Ⅲ號液（濃H2SO4∶H2O2=3∶1）清洗，測試柵上的I-V曲線如圖3所示；方法2在溝道注入前生長一定厚度的熱氧化層，在柵氧前用HF漂光+Ⅰ號液+Ⅲ號液清洗，清洗后相同條件生長850 nm氧化層，測試柵上的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，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）試驗結(jié)果

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

圖3 Ⅰ號液+Ⅲ號液清洗柵氧I-V曲線

圖4 HF清洗+Ⅰ號液+Ⅲ號液清洗柵氧I-V曲線

鑒于以上試驗結(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)固定電荷及可動電荷密度。

2.2.2 襯底材料均勻性及離子注入劑量對閾值電壓均勻性的影響

對現(xiàn)有的3片N（100）5～9Ω·cm圓片進(jìn)行方塊電阻測試，得到其電阻分布圖如圖5所示，從測試結(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試分布圖

對離子注入后材料的均勻性進(jìn)行分析，對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

綜合上述測試結(jié)果，實驗中采用固定的柵氧爐管及確定的柵氧條件下，對圓片材料進(jìn)行電阻率測試分檔，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，以實現(xiàn)高的圓片測試合格率。具體實驗結(jié)果如表5所示。圖7為實驗改善后的PMOS管圓片測試打點圖，從圖中可以看出圓片測試合格率明顯提高。

圖7 PMOS管圓片測試打點圖（改善后）

表5 不同材料電阻率對應(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，采用相對一致性好的圓片，圓片使用前測試選用電阻率相對均勻的圓片；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)前期的工藝實驗分析，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射線劑量探測器圓片合格率達(dá)到80%以上，封裝及測試合格率達(dá)到95%以上，滿足批量生產(chǎn)的要求，制造成本降低30%。