一种采用粒子辐照的集成电路制造方法
阅读说明：本技术 一种采用粒子辐照的集成电路制造方法 (Method for manufacturing integrated circuit by adopting particle irradiation ) 是由 牛崇实 林和 洪学天 黄宏嘉 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种采用粒子辐照的集成电路制造方法。所述方法包括：步骤1、形成集成电路的有源元件和无源元件,并建立源元件和无源元件之间的连接；步骤2、通过光刻在电路输出晶体管区域下方的光刻胶中形成窗口,并用α-粒子辐照输出晶体管的基极和集电极区域；步骤3、除光致抗蚀剂层,最后将硅晶片进行退火处理。(The invention provides a method for manufacturing an integrated circuit by adopting particle irradiation. The method comprises the following steps: step 1, forming an active element and a passive element of an integrated circuit, and establishing connection between the active element and the passive element; step 2, forming a window in the photoresist below the circuit output transistor region by photoetching, and irradiating the base electrode and collector electrode regions of the output transistor by alpha-particles; and 3, removing the photoresist layer, and finally annealing the silicon wafer.)
技术领域
本发明提出了一种采用粒子辐照的集成电路制造方法，属于电路制造技术领域。
背景技术
在高速集成电路，特别是数字集成电路的应用中，器件的可靠性与重复性是一个普遍存在的挑战。而目前所采用的方法，如改进集成电路元器件的设计，更新工艺设备，改进工艺或采用粒子辐照的方法等，都存在不同程度的挑战。现有的改进器件的可靠性与重复性的常用的方法主要有以下几点：
1.改进集成电路元器件的设计
2.设备的更新
3.改进工艺
4.采用粒子辐照的方法
以上1-3方法存在过程复杂，周期长，成本高等问题，而目前已经发表的粒子辐照的方法还存在辐照后的器件不稳定，器件性能下降，如漏电流增大及缺乏适当的理论模型等问题。
发明内容
本发明提供了一种采用粒子辐照的集成电路制造方法，用以解决目前已有粒子辐照的方法存在辐照后的器件不稳定，器件性能下降的问题：
一种采用粒子辐照的集成电路制造方法，所述方法包括：
步骤1、形成集成电路的有源元件和无源元件，并建立源元件和无源元件之间的连接；
步骤2、通过光刻在电路输出晶体管区域下方的光刻胶中形成窗口，并用α-粒子辐照输出晶体管的基极和集电极区域；
步骤3、除光致抗蚀剂层，最后将硅晶片进行退火处理。
进一步地，所述形成集成电路的有源元件和无源元件，并建立源元件和无源元件之间的连接，包括：
步骤101、形成集成电路的有源元件和无源元件；
步骤102、依次在干氧-湿氧-干氧环境下，在扩散炉中在硅晶片上形成SiO2氧化层；
步骤103、通过标准光刻和蚀刻的方法在SiO2层中形成窗口，硼和磷杂质依次扩散到该窗口中，形成对垂直n-p-n晶体管集电极的电阻器，以及晶体管的基极，集电极和重掺杂接触区；
步骤104、通过光刻，在晶体管的集电极，基极和发射极区域以及电阻器的接触区上方形成接触窗，并在接触窗内溅射金属化层，沿所述金属化层形成导电通道，从而实现集成电路中元件之间的连接。
进一步地，步骤102中所述扩散炉的温度为1150℃，所述
进一步地，步骤102中所述SiO2氧化层的厚度为0.7μm±0.02μm厚的。
进一步地，所述n-p-n晶体管的发射集的深度为1.8±0.2μm，有源基极的厚度为0.9μm-1μm。
进一步地，所述通过光刻在电路输出晶体管区域下方的光刻胶中形成窗口，并用α-粒子辐照输出晶体管的基极和集电极区域，包括：
步骤201、在电路的整个表面上涂覆厚度为10±0.03μm的光致抗蚀剂；
步骤202、通过光刻法在集成电路的输出晶体管的区域的上方形成窗口；
步骤203、将基板放置在具有α-粒子源的辐照设备中；
步骤204、通过调节硅衬底的平面与粒子源之间的距离，将硅中α-粒子的路径长度设置为大于发射极和基极表面区域氧化层的总厚度；
步骤205、设置α-粒子辐照的注入量，获得标准α-粒子辐照注入量，并利用标准α-粒子辐照注入量范围内的α-粒子对集成电路的基极和集电极区域进行辐照。具体的，注入量可为每cm2-3E12个α-粒子或每cm2-1E12个α-粒子。
进一步地，所述标准α-粒子辐照注入量通过如下公式获取：
Ф＝(1-5)×1E4/τg
τg＝90T2-259T+197
其中，Ф表示标准α-粒子辐照注入量，单位为每平方厘米(cm2)；τg为集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间；T为退火温度；
电子辐照剂量Ф的选择范围取决于两个方面:
1.增加不受控制的复合中心浓度的点辐射缺陷(RD–RadiationDefect)所必要的引入浓度，
2.将电子辐射剂量降至使高阻集电极区域的RD浓度低于主要合金金属的浓度。剂量降低时还需要考虑到退火温度的影响。
进一步地，所述α-粒子的注入量的辐照最大注入量的选择条件包括集电极区域辐照缺陷浓度不得超过集电极的掺杂杂质浓度的20％，使高阻集电极区域的RD浓度低于主要合金金属的浓度以及增加不受控制的复合中心浓度的点辐射缺陷以满足器件抗辐射性能的需要所必要的引入浓度。。
进一步地，利用标准α-粒子辐照注入量范围内的α-粒子对集成电路的基极和集电极区域进行辐照，包括：
步骤2051、利用所述标准α-粒子辐照注入量获取初始α-粒子辐照注入量；其中，所述初始α-粒子辐照注入量的粒子注入量值为所述标准α-粒子辐照注入量值的92％——96％；优选为94.5％，次优选为93.8％；
步骤2052、以所述初始α-粒子辐照注入量开始对所述集成电路的基极和集电极区域进行辐照，并在对集成电路的基极和集电极区域进行辐照4-8分钟后，开始调节α-粒子辐照注入量，并将α-粒子辐照注入量调节至所述标准α-粒子辐照注入量；
步骤2053、在α-粒子辐照注入量达到所述标准α-粒子辐照注入量，以标准α-粒子辐照注入量对集成电路的基极和集电极区域进行辐照，持续辐照13-17分钟后，将α-粒子辐照注入量逐渐调整至初始α-粒子辐照注入量；
步骤2054、在α-粒子辐照注入量达到所述初始α-粒子辐照注入量后，以初始α-粒子辐照注入量对集成电路的基极和集电极区域进行辐照7-10分钟后，完成对集成电路的基极和集电极区域进行辐照处理。
进一步地，所述除光致抗蚀剂层，最后将硅晶片进行退火处理包括：
步骤301、将经过α-粒子辐照后的集成电路基板取出；
步骤302、去除所述集成电路基板上的光致抗蚀剂；
步骤303、将所述集成电路放置在扩散炉中，并在惰性气氛(氩气)中或在320-400°(优选为360℃)的真空中退火10-60分钟。
本发明有益效果：
本发明提出的一种采用粒子辐照的集成电路制造方法采用α粒子辐照的方法增加集成电路的运算速度与改进参数的可重复性，并开辟了一块改进半导体器件与集成电路可靠性与重复性的新领域。
本发明具有以下技术与应用方面的优点：
i.通过用α-粒子辐照来对有源元件的运算速度进行技术改进，通过调节α-粒子辐照能量允许将辐照缺陷引入到电阻器的基极和集电极区域内；
ii.通过辐照注量选择来控制辐照缺陷浓度，
iii在将元件通过导电通道连接之后，通过光刻在形成电路的元器件区域上通过光刻形成整个集成电路的表面保护层，并且选择性地在相关器件区域开启保护层窗口并进行采用经过理论模型计算的能量与剂量的粒子辐照以提高参数的重复性并提高运算速度。
iv设置了辐照注入量的计算公式。
v对于硅基的器件，确立了在320-400℃温度下退火10-60分钟的最佳工艺条件范围。退火温度与时间由器件性能的需要所确定。
vi设立了辐照最大注量的选择原则为集电极区域辐照缺陷浓度不得超过集电极的掺杂杂质浓度的20％。
vii.本发明所述方法不仅可以用于硅基的双极与场效应器件以及相关的集成电路，也可以推广应用于其它类型的半导体器件与集成电路，如化合物半导体器件与集成电路(如碳化硅,氮化镓,砷化镓,等)。
同时，通过本发明所述方法制作的电路能够有效提高电路中各器件的稳定性，尤其是晶体管器件的稳定性，并且能够保证不影响器件的性能。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间τg与α-粒子注入量之间的关系；
图3为集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间τg与退火温度之间的关系。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种采用粒子辐照的集成电路制造方法，如图1-3所示，所述方法包括：
步骤1、形成集成电路的有源元件和无源元件，并建立源元件和无源元件之间的连接；
步骤2、通过光刻在电路输出晶体管区域下方的光刻胶中形成窗口，并用α-粒子辐照输出晶体管的基极和集电极区域；
步骤3、除光致抗蚀剂层，最后将硅晶片进行退火处理。
其中，图2显示了硅晶片在320、350和400℃退火后，集成电路的输出晶体管过剩电荷tg的吸收时间与α-粒子注入量的消耗时间的关系，图1曲线编号为1320℃、2350℃和3400℃。
图3展示了在一特定的α粒子辐照下，如每平方厘米3E12的辐照量下，集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间τg与退火温度之间的关系。由图3可以看出，集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间与退火温度之间的关系是非线性的，并可得出以下公式:
τg＝90T2-259T+197
式中τg为集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间
T为退火温度
辐照量为每平方厘米3E12
上述技术方案的工作原理为：本实施例所述方法的特征包括在硅片中形成有源和无源元件(晶体管，二极管，电阻器，电容器，等)，按所需顺序将元件与导电路径连接，所述方法的特征是通过用α-粒子辐照来对有源元件的运算速度进行技术改进，通过调节α-粒子辐照能量允许将辐照缺陷引入到电阻器的基极和集电极区域内；所述方法的特征在于辐照缺陷浓度通过辐照注量选择来控制，所述方法的特征在于，为了提高参数的重复性并提高运算速度，在将元件通过导电通道连接之后，通过光刻在形成电路的元器件区域上通过光刻形成整个集成电路的表面保护层，并且选择性地在相关器件区域开启保护层窗口并进行采用经过理论模型计算的能量与剂量的粒子辐照。所述方法的特征在于晶体管运算速度通过辐照改进时，辐照注量按照以下方程设置为：Ф＝(1-5)*104/τg每cm2的α粒子量。所述方法的特征在于在去除保护层之后硅片在320-400℃温度下退火10-60分钟。退火温度与时间由器件性能的需要所确定。所述方法的特征在于，在一特定的α粒子辐照下，如每平方厘米3E12的辐照量下，集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间τg与退火温度之间的非线性关系。并得出以下公式:τg＝90T2-259T+197式中，τg为集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间T为退火温度，辐照量为每平方厘米3E12。
所述方法的特征在于辐照最大注量的选择原则之一是集电极区域辐照缺陷浓度不得超过集电极的掺杂杂质浓度的20％。所述方法不仅可以用于硅基的双极与场效应器件以及相关的集成电路，也可以推广应用于其它类型的半导体器件与集成电路，如化合物半导体器件与集成电路(如碳化硅,氮化镓,砷化镓,等)。
上述技术方案的效果为：通过用α-粒子辐照来对有源元件的运算速度进行技术改进，通过调节α-粒子辐照能量允许将辐照缺陷引入到电阻器的基极和集电极区域内；通过辐照注量选择来控制辐照缺陷浓度，在将元件通过导电通道连接之后，通过光刻在形成电路的元器件区域上通过光刻形成整个集成电路的表面保护层，并且选择性地在相关器件区域开启保护层窗口并进行采用经过理论模型计算的能量与剂量的粒子辐照以提高参数的重复性并提高运算速度。设置了辐照注入量的计算公式。对于硅基的器件，确立了在320-400℃温度下退火10-60分钟的最佳工艺条件范围。退火温度与时间由器件性能的需要所确定。设立了辐照最大注量的选择原则为集电极区域辐照缺陷浓度不得超过集电极的掺杂杂质浓度的20％。本发明所述方法不仅可以用于硅基的双极与场效应器件以及相关的集成电路，也可以推广应用于其它类型的半导体器件与集成电路，如化合物半导体器件与集成电路(如碳化硅,氮化镓,砷化镓等)。
本发明的一个实施例，本实施例中，作为初原型衬底，使用有二氧化硅介电绝缘的硅衬底。n-型晶向<100>的单晶硅具有重掺杂的隐藏层，电阻率为0.35Ohm*cm；所述形成集成电路的有源元件和无源元件，并建立源元件和无源元件之间的连接，包括：
步骤101、形成集成电路的有源元件和无源元件；
步骤102、依次在干氧-湿氧-干氧环境下，在扩散炉中在硅晶片上形成SiO2氧化层；所述扩散炉的温度为1150℃；所述SiO2氧化层的厚度为0.7μm±0.02μm厚的；
步骤103、通过标准光刻和蚀刻的方法在SiO2层中形成窗口，硼和磷杂质依次扩散到该窗口中，形成对垂直n-p-n晶体管集电极的电阻器，以及晶体管的基极，集电极和重掺杂接触区；所述n-p-n晶体管的发射集的深度为1.8±0.2μm，有源基极的厚度为0.9μm-1μm。
步骤104、通过光刻，在晶体管的集电极，基极和发射极区域以及电阻器的接触区上方形成接触窗，并在接触窗内溅射金属化层，沿所述金属化层形成导电通道，从而实现集成电路中元件之间的连接。
其中，所述通过光刻在电路输出晶体管区域下方的光刻胶中形成窗口，并用α-粒子辐照输出晶体管的基极和集电极区域，包括：
步骤201、在电路的整个表面上涂覆厚度为10±0.03μm的光致抗蚀剂；
步骤202、通过光刻法在集成电路的输出晶体管的区域的上方形成窗口；
步骤203、将基板放置在具有α-粒子源的辐照设备中；
步骤204、通过调节硅衬底的平面与粒子源之间的距离，将硅中α-粒子的路径长度设置为大于发射极和基极表面区域氧化层的总厚度；
步骤205、设置α-粒子辐照的注入量，获得标准α-粒子辐照注入量，并利用标准α-粒子辐照注入量范围内的α-粒子对集成电路的基极和集电极区域进行辐照。具体的，注入量可为每cm2-3E12个α-粒子或每cm2-1E12个α-粒子。
进一步地，所述标准α-粒子辐照注入量通过如下公式获取：
Ф＝(1-5)×1E4/τg
τg＝90T2-259T+197
其中，Ф表示标准α-粒子辐照注入量，单位为每平方厘米(cm2)；τg为集成电路的输出晶体管过剩电荷的复合时间；T为退火温度；
电子辐照剂量Ф的选择范围取决于两个方面:
1.增加不受控制的复合中心浓度的点辐射缺陷(RD–RadiationDefect)所必要的引入浓度，
2.将电子辐射剂量降至使高阻集电极区域的RD浓度低于主要合金金属的浓度。剂量降低时还需要考虑到退火温度的影响。
并且，所述α-粒子的注入量的辐照最大注入量的选择条件包括集电极区域辐照缺陷浓度不得超过集电极的掺杂杂质浓度的20％，使高阻集电极区域的RD浓度低于主要合金金属的浓度以及增加不受控制的复合中心浓度的点辐射缺陷以满足器件抗辐射性能的需要所必要的引入浓度。。
所述除光致抗蚀剂层，最后将硅晶片进行退火处理包括：
步骤301、将经过α-粒子辐照后的集成电路基板取出；
步骤302、去除所述集成电路基板上的光致抗蚀剂；
步骤303、将所述集成电路防止在扩散炉中，并在惰性气氛(氩气)中或在320-400°(优选为360℃)的真空中退火60分钟。
上述技术方案的效果为：通过上述方式对电路进行制造和处理，能够有效提高电路中各器件的稳定性，尤其是晶体管器件的稳定性。结合上述辐照注入量和辐照方式能够有效降低电路制造过程中粒子对器件性能的影响，防止因粒子辐照不当而造成的器件性能降低的问题发生。另一方面，通过上述α-粒子辐照注入量的设置，能够获取针对电路制作过程中符合电路制造标准的准确的α-粒子辐照注入量，提高α-粒子辐照注入量获取的准确性和α-粒子辐照注入量与电路制造标准和性能之间的匹配性，有效提高α-粒子辐照注入量获取的准确性；防止α-粒子辐照注入量获取不准确而造成的器件性能降低的问题。
本发明的一个实施例，利用标准α-粒子辐照注入量范围内的α-粒子对集成电路的基极和集电极区域进行辐照，包括：
步骤2051、利用所述标准α-粒子辐照注入量获取初始α-粒子辐照注入量；其中，所述初始α-粒子辐照注入量的粒子注入量值为所述标准α-粒子辐照注入量值的92％——96％；优选为94.5％，次优选为93.8％；
步骤2052、以所述初始α-粒子辐照注入量开始对所述集成电路的基极和集电极区域进行辐照，并在对集成电路的基极和集电极区域进行辐照4-8分钟后(优选为5分钟)，开始调节α-粒子辐照注入量，并将α-粒子辐照注入量调节至所述标准α-粒子辐照注入量；
步骤2053、在α-粒子辐照注入量达到所述标准α-粒子辐照注入量，以标准α-粒子辐照注入量对集成电路的基极和集电极区域进行辐照，持续辐照13-17分钟后(优选为14分钟)，将α-粒子辐照注入量逐渐调整至初始α-粒子辐照注入量；
步骤2054、在α-粒子辐照注入量达到所述初始α-粒子辐照注入量后，以初始α-粒子辐照注入量对集成电路的基极和集电极区域进行辐照7-10分钟后(优选为7分钟)，完成对集成电路的基极和集电极区域进行辐照处理。
在上述辐照之后，对电路器件性能进行检测，确定所述电路器件性能是否达标，如果所述电路器件的性能没有达到预设的指标时，则通过如下过程对所述集成电路进行再次α-粒子辐照：
第一步，将所述初始α-粒子辐照注入量的粒子注入量值进行调整，获得调整后的初始α-粒子辐照注入量的粒子注入量值；所述调整后的初始α-粒子辐照注入量的粒子注入量值为原初始α-粒子辐照注入量的95.8％——98.2％；优选为，原初始α-粒子辐照注入量的97.1％；
第二步，以所述调整后的初始α-粒子辐照注入量开始对所述集成电路的基极和集电极区域进行辐照，并在对集成电路的基极和集电极区域进行辐照6-9分钟后(优选为7分钟)，开始调节α-粒子辐照注入量，并将α-粒子辐照注入量调节至所述标准α-粒子辐照注入量；
第三步、在α-粒子辐照注入量达到所述标准α-粒子辐照注入量，以标准α-粒子辐照注入量对集成电路的基极和集电极区域进行辐照，持续辐照10-13分钟分钟后(优选为10分钟)，将α-粒子辐照注入量逐渐调整至所述调整后的初始α-粒子辐照注入量；
第四步，在α-粒子辐照注入量达到所述调整后的初始α-粒子辐照注入量后，以调整后的初始α-粒子辐照注入量后α对集成电路的基极和集电极区域进行辐照4-8分钟后(优选为5.5分钟)，完成对集成电路的基极和集电极区域进行辐照处理。
其中，上述处理过程的具体时间根据电路器件的实际情况而定。
上述技术方案的效果为：通过上述方式对电路进行制造和处理，能够尽量保证在一次粒子辐照处理中使所述集成电路达到预设的器件性能指标。有效提高电路制造和加工处理的效率和速度，节省加工成本和时间。同时，针对个别没有达到预设器件性能指标的集成电路进行二次加工，通过上述二次加工方式，能够保证所述集成电路在二次加工过程中即可达到预设的器件性能指标。尽可能大的降低电路加工时间和加工次数，进而提高集成电路制造效率及成品质量；同时，上述α-粒子辐照方式能够在有效保证电路性能的同时，防止不当粒子辐照(包括注入量不当和辐照时间不当)对器件稳定性的影响。在提高电路制造效率的同时极大程度上降低不当辐照对器件性能和稳定性的影响。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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