阅读说明：本技术 一种抗单粒子烧毁的大功率晶体管及其制作方法 (Single-particle-burnout-resistant high-power transistor and manufacturing method thereof ) 是由 李兴冀 杨剑群 应涛 李伟奇 吕钢 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种抗单粒子烧毁的大功率晶体管及其制备方法。所述大功率晶体管的制备方法包括：提供衬底,并在所述衬底上形成外延层；对所述外延层进行氧化处理和光刻处理,形成注入窗口；通过所述注入窗口对所述外延层进行多次重金属离子注入,且后一次注入所述重金属离子形成的离子注入区位于前一次注入所述重金属离子形成的离子注入区的上方。本发明通过对外延层进行多次重金属离子注入,增加外延层辐射诱导电子空穴对的复合率,减少在高电场下电荷的收集效率,提升晶体管的抗单粒子烧毁能力,同时还能够保证晶体管本身的高性能指标。另外,本发明与常规的晶体管的制备方法工艺上兼容,步骤简单,易于操作。(The invention provides a high-power transistor capable of resisting single event burnout and a preparation method thereof. The preparation method of the high-power transistor comprises the following steps: providing a substrate, and forming an epitaxial layer on the substrate; carrying out oxidation treatment and photoetching treatment on the epitaxial layer to form an injection window; and carrying out multiple times of heavy metal ion implantation on the epitaxial layer through the implantation window, wherein an ion implantation area formed by implanting the heavy metal ions for the next time is positioned above an ion implantation area formed by implanting the heavy metal ions for the previous time. According to the invention, through carrying out multiple times of heavy metal ion injection on the epitaxial layer, the recombination rate of the epitaxial layer radiation induced electron-hole pairs is increased, the collection efficiency of charges under a high electric field is reduced, the single-particle burnout resistance of the transistor is improved, and meanwhile, the high performance index of the transistor can be ensured. In addition, the preparation method is technically compatible with the conventional preparation method of the transistor, and has simple steps and easy operation.)

一种抗单粒子烧毁的大功率晶体管及其制作方法

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，具体而言，涉及一种抗单粒子烧毁的大功率晶体管及其制备方法。

背景技术

功率器件是辐射环境中广泛应用的一类电子器件。但由于功率器件所涉及的材料种类多，结构比较复杂，在辐射环境作用下，会产生多种复杂的辐射损伤效应，如单粒子效应、电离效应、位移效应、电离/位移协同效应等，导致功率器件成为装备电子系统的损伤敏感部位，进而影响装备的寿命和可靠性。

多年来，如何有效地提高辐射环境中大功率晶体管的抗单粒子烧毁能力一直备受关注，目前针对晶体管进行的抗辐射加固措施，其对抗单粒子烧毁能力的提高程度有限，且一定程度上还会降低晶体管本身的性能指标。

发明内容

本发明解决的问题是如何有效提高辐射环境中大功率晶体管的抗单粒子烧毁能力，且能够保证大功率晶体管的自身性能指标。

为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种抗单粒子烧毁的大功率晶体管的制备方法，包括：

提供衬底，并在所述衬底上形成外延层；

对所述外延层进行氧化处理和光刻处理，形成注入窗口；

通过所述注入窗口对所述外延层进行多次重金属离子注入，且后一次注入所述重金属离子形成的离子注入区位于前一次注入所述重金属离子形成的离子注入区的上方。

较佳地，所述重金属离子的注入次数为3-5次。

较佳地，所述外延层内形成有多层所述离子注入区，所述离子注入区沿所述外延层深度方向间隔分布，且相邻所述离子注入区之间的距离为1μm-3μm。

较佳地，每次注入所述重金属离子的浓度为1e17cm^-2-1e20cm^-2。

较佳地，所述重金属离子在所述外延层内的分布形式为圆锥、圆柱、正方体或长方体。

较佳地，所述离子注入区的截面形状为圆形、圆环形、长方形、正方形或梯形。

较佳地，所述对所述外延层进行氧化处理包括：在所述外延层远离所述衬底的表面氧化生成氧化层，所述氧化层的厚度为0.1μm-3μm，其中，氧化气氛为N₂、O₂和H₂中的至少一种，氧化温度为800℃-1300℃，氧化时间为2min-200min。

较佳地，所述重金属离子包括金离子、铜离子和铂离子中的至少一种。

本发明提供的抗单粒子烧毁的大功率晶体管的制备方法相比现有技术具有的有益效果如下：

本发明通过对外延层进行多次重金属离子注入，重金属离子杂质为深能级杂质，可以产生复合中心，进而增加外延层辐射诱导电子空穴对的复合率，减少在高电场下电荷的收集效率，将入射的高能粒子在晶体管内产生的瞬间大电流导出功率器件，从而提升大功率晶体管的抗单粒子烧毁能力，同时还能够保证晶体管本身的高性能指标。另外，本发明与常规的晶体管的制备方法工艺上兼容，步骤简单，易于操作。

本发明还提供一种抗单粒子烧毁的大功率晶体管，采用如上所述的抗单粒子烧毁的大功率晶体管的制备方法制成。

较佳地，包括衬底、形成于所述衬底上的外延层以及形成于所述外延层内且沿所述外延层深度方向间隔分布的多层离子注入区，所述离子注入区内注入的离子为重金属离子。

本发明提供的抗单粒子烧毁的大功率晶体管相比现有技术具有的有益效果与抗单粒子烧毁的大功率晶体管的制备方法相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层表面进行一次氧化处理的截面结构示意图；

图2为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层表面进行一次光刻处理的截面结构示意图；

图3为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层内一次注入重金属离子的截面结构示意图；

图4为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层表面进行二次氧化处理的截面结构示意图；

图5为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层表面进行二次光刻处理的截面结构示意图；

图6为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层内二次注入重金属离子的截面结构示意图；

图7为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层表面进行三次氧化处理的截面结构示意图；

图8为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层表面进行三次光刻处理的截面结构示意图；

图9为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层内三次注入重金属离子的截面结构示意图；

图10为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层表面进行四次氧化处理的截面结构示意图；

图11为本发明实施例中大功率晶体管在其外延层表面进行四次光刻处理的截面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种抗单粒子烧毁的大功率晶体管的制备方法，包括：

步骤1，提供衬底，并在衬底上形成外延层；

步骤2，对外延层进行氧化处理和光刻处理，形成注入窗口；

步骤3，通过注入窗口对外延层进行多次重金属离子注入，且后一次注入重金属离子形成的离子注入区位于前一次注入重金属离子形成的离子注入区的上方，其中所谓的上下方向是指沿外延层的深度方向，即后一次注入重金属离子形成的离子注入区在外延层内的位置要浅于前一次注入重金属离子形成的离子注入区。

应当理解的是，每次注入重金属离子之前均进行氧化及光刻处理，即返回步骤2，刻蚀出注入窗口后再进行重金属离子注入。

在辐射环境作用下，功率器件会产生多种复杂的辐射损失效应，比如单粒子烧毁效应。本实施例在制备大功率晶体管时，向外延层内注入重金属离子，当重金属离子杂质进入外延层中，会在外延层半导体的能带中产生新的缺陷能级，大量的缺陷能级成为电子空穴对的复合中心，且能级是位于禁带中央附近的深能级，为有效的复合中心，对辐射诱导产生的电子和空穴起到复合作用，减小电荷的收集影响，降低辐照电流，将太空中入射的高能粒子在器件内产生的瞬间大电流导出器件。既保证了大功率器件本身的高性能指标，又能够有效提升功率器件的抗单粒子烧毁能力，达到减缓功率器件辐射损伤的目的。

其中，重金属离子包括金离子(Au)、铜离子(Cu)和铂离子(Pt)等中的至少一种，这些重金属离子作为半导体器件制造中常见的金属，与半导体器件的制造工艺具有很好的工艺兼容性。

本实施例通过针对外延层进行多次重金属离子注入，有效增加了外延层辐射诱导电子空穴对的复合率，减少在高电场下电荷的收集效率，有力提升功率器件的抗单粒子烧毁能力。且与常规的功率器件的制备方法兼容，步骤简单，易于操作。通过本实施例提供的方法制备的大功率晶体管器件能够大幅度提升晶体管的抗辐射能力，对材料和器件空间与核辐射环境效应地面模拟应用和研究具有重大意义，在空间与核辐射环境效应研究与抗辐射加固技术应用中，具有明显的优势。

进一步地，本实施例提供的衬底可以为N型也可以为P型，如图1所示，以N型衬底为例，在N型衬底上生长N型外延层，在N型外延层的表面进行氧化处理，生长一层氧化层，氧化层的厚度为0.1μm-3μm，氧化层生长方式包括干氧、湿氧和干/湿氧混合方法中的其中一种，氧化气氛为N₂、O₂和H₂中的至少一种，氧化温度为800℃-1300℃，氧化时间为2min-200min。

如图2所示，在氧化层表面进行光刻处理，刻蚀出注入窗口，注入窗口的中心与外延层的中心对齐，刻蚀方式可以为干法刻蚀、湿法刻蚀或等离子体刻蚀。

如图3所示，通过注入窗口对外延层进行多次重金属离子注入，在外延层内形成多层离子注入区。本实施例中，重金属离子注入次数为3-5次，需注意的是，每次注入重金属离子前均需对外延层进行氧化和光刻处理，根据重金属离子注入次数，在外延层内形成沿外延层深度方向间隔分布的多层离子注入区，相邻两层离子注入区之间的距离为1μm-3μm。离子注入区内注入的重金属离子杂质在外延层内产生新的缺陷能级，形成电子空穴对的复合中心，以降低电荷收集效率。

优选地，每次注入的重金属离子浓度为1e17cm^-2-1e20cm^-2，当然也可以小于1e17cm^-2或者大于1e20cm^-2，这主要与器件的类型有关，对于电流比较大的器件，每次注入或扩散量相对较大一些，对于电流比较小的器件，每次注入或扩散量相对较小一些，本实施例只是给出大部分器件每次注入或扩散的量在1e17cm^-2-1e20cm^-2。

外延层内包括多层沿其深度方向布置的离子注入区，每层离子注入区的截面形状可以为圆形、圆环形、长方形、正方形或梯形。重金属离子杂质在外延层内的整体分布形式可以为圆锥、圆柱、正方体或长方体，例如，每层离子注入区的截面形状均为圆形，且每层离子注入区的截面面积相等，则重金属离子杂质在外延层内呈圆柱形分布。若每层离子注入区的截面形状均为圆形，但自靠近衬底一侧向远离衬底一侧离子注入区的截面面积逐渐减小，则重金属离子杂质在外延层内呈圆锥形分布，其中，离子注入区的截面面积的大小可以通过改变注入窗口的大小来控制。通过调节注入的重金属离子的能量可以改变重金属离子杂质在外延层内的分布形式。

下面通过具体实施方式进行详细说明。

实施例1

如图1所示，在N型衬底上形成N型外延层后，在外延层上表面进行一次氧化处理，生长一层氧化层，氧化气氛为N₂，氧化温度1300℃，氧化时间40min，氧化物层生长方式干氧，生长的氧化层的厚度为50nm；

如图2所示，在氧化层表面进行一次光刻处理，刻蚀出第一注入窗口，第一注入窗口的截面面积为外延层的4/5，刻蚀方式为干法刻蚀；

如图3所示，通过第一注入窗口进行第一次重金属离子杂质注入，注入的重金属离子为Au，注入位置位于外延层底部，注入浓度为1e18cm^-2，在外延层内形成第一离子注入区；

如图4所示，在外延层上表面进行二次氧化处理，氧化方式与一次氧化方式相同；

如图5所示，在氧化层表面进行二次光刻处理，刻蚀处第二注入窗口，第二注入窗口的截面面积为外延层面积的3/5，刻蚀方式与一次光刻处理相同；

如图6所示，通过第二注入窗口进行第二次重金属离子杂质注入，注入位置距离第一离子注入区1μm，注入的离子类型及浓度与第一次注入相同，在外延层内形成第二离子注入区，且第二离子注入区位于第一离子注入区的上方；

如图7所示，在外延层上表面进行三次氧化处理，氧化方式与一次氧化方式相同；

如图8所示，在氧化层表面进行三次光刻处理，刻蚀处第三注入窗口，第三注入窗口的截面面积为外延层面积的2/5，刻蚀方式与一次光刻处理相同；

如图9所示，通过第三注入窗口进行第三次重金属离子杂质注入，注入位置距离第二离子注入区1μm，注入的离子类型及浓度与第一次注入相同，在外延层内形成第三离子注入区，且第三离子注入区位于第二离子注入区的上方；

如图10所示，在外延层上表面进行四次氧化处理，氧化方式与一次氧化方式相同；

如图11所示，在氧化层表面进行四次光刻处理，刻蚀暴露出整个外延层上表面。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，注入金属离子的次数为5次。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，注入重金属离子的浓度为1e20cm^-2。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，注入重金属离子的浓度为1e17cm^-2。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于，注入重金属离子的浓度小于1e17cm^-2。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于，每次注入重金属离子形成的离子注入区的截面形状及截面面积相等。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。