基于BiCMOS抗辐照加固技术的工艺研究.pdf

38 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 Process and Fabrication工艺与制造摘要：阐述BiCMOS抗辐照加固技术，包括材料选择、设计优化与布局、加固工艺流程，探讨低界面态栅氧化制备工艺和复合层钝化工艺等关键技术，对工艺参数优化和流程改进进行探索，对技术进行评估和测试。最终实现符合设计要求的抗辐照总剂量300Krad（Si）的产品。关键词：集成电路制造，BiCMOS，辐照效应，抗辐照加固。中图分类号：TN405 文章编号：1674-2583(2023)10-0038-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.10.014文献引用格式：庄立强，卢宇，马霞，李应龙，杨静，雷亚平.基于BiCMOS抗辐照加固技术的工艺研究J.集成电路应用,2023,40(10):38-40.CMOS晶体管集成在同一芯片上。双极型晶体管具有高速度和高电流放大能力，适用于模拟信号处理，而CMOS晶体管具有低功耗和高集成度的优势，适用于数字信号处理。通过将这两种晶体管结合起来，BiCMOS技术能够充分发挥它们各自的优点，实现高速、低功耗的混合信号处理。BiCMOS技术的重要性在于它在集成电路领域的广泛应用。首先，BiCMOS技术具有高集成度，可以在同一芯片上集成多种功能模块，如模拟电路、数字电路和存储器等，从而减少系统复杂性和封装体积。其次，BiCMOS技术具备高性能特点，双极型晶体管的高速度和高频响应能力与CMOS晶体管的低功耗和抗干扰能力相结合，使得BiCMOS器件在高性能应用领域具有广泛的应用前景。此外，BiCMOS技术还具备较好的抗辐照性能，这使得它在核能、航天和高能物理实验等领域中的应用变得尤为重要。BiCMOS技术通过结合双极型晶体管和CMOS晶体管的优点，实现了高速、低功耗的混合信号处理，使得集成电路领域得到了显著的发展。其在高集成度、高性能和抗辐照性能方面的优势，使得BiCMOS技术在通信、音频处理、雷达系统、核能和航天等领域具有重要的应用价值。0 引言随着半导体器件在航空航天、核能等领域的广泛应用，辐照效应对器件性能的影响日益引起关注。辐照会引起半导体器件中晶体结构的损伤，导致电性能、可靠性和寿命等方面的退化。为了提高半导体器件在辐照环境下的工作性能，BiCMOS技术成为了一种被广泛研究和应用的解决方案。BiCMOS技术的特点使得其在高频、低功耗和高可靠性的应用中具有优势，并且具备辐照抗性的潜力。本文将重点探讨BiCMOS技术在抗辐照方面的研究，包括抗辐照材料的选择、设计优化、加固工艺流程等关键技术，以期为提高半导体器件的辐照抗性提供参考和指导。1 研究背景BiCMOS（Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）技术是一种集成电路制造技术，它结合了双极型晶体管（bipolar transistor）和互补式金属氧化物半导体场效应晶体管（complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS）的特点。这种技术的发展为混合信号集成电路提供了一种有效的解决方案。BiCMOS技术的核心原理是将双极型晶体管和基于BiCMOS抗辐照加固技术的工艺研究庄立强，卢宇，马霞，李应龙，杨静，雷亚平（天水天光半导体有限责任公司，甘肃 741000）Abstract This paper describes BiCMOS radiation resistant reinforcement technology,including material selection,design optimization and layout,reinforcement process flow,exploring key technologies such as low interface state gate oxidation preparation process and composite layer passivation process,exploring process parameter optimization and process improvement,and evaluating and testing the technology.Finally,a product with a total radiation resistance dose of 300Krad(Si)that meets the design requirements was achieved.Index Terms integrated circuit manufacturing,BiCMOS,irradiation effect,radiation reinforcement.Study on the Process of BiCMOS Radiation Resistant Reinforcement TechnologyZHUANG Liqiang,LU Yu,MA Xia,LI Yinglong,YANG Jing,LEI Yaping(Tianshui Tianguang Semiconductor Co.,Ltd.,Gansu 741000,China.)作者简介：庄立强，天水天光半导体有限责任公司；研究方向：集成电路制造。收稿日期：2023-06-30；修回日期：2023-09-23。集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 39Process and Fabrication 工艺与制造2 辐照效应对半导体器件的影响辐照效应是指当半导体器件受到辐射源（如高能粒子、X射线等）的辐照时，其性能和可靠性会发生变化的现象。辐照对半导体器件的影响是一个长期以来备受关注的问题，因为辐照可以引起多种损伤机制并导致器件性能的退化和故障。辐照引起的损伤机制主要包括电离损伤和位移损伤。电离损伤是指辐照粒子与半导体晶格中的原子相互作用，导致电离效应，产生自由载流子和空穴，从而改变了半导体材料的导电性能。位移损伤则是指辐照粒子的能量足以使晶格原子发生位移，引起晶格缺陷和畸变，影响了器件的结构和性能。辐照效应可分为瞬时效应和积累效应。瞬时效应是指辐照瞬间产生的效应，如瞬时电离效应和瞬时损伤。积累效应则是指辐照的积累作用导致的效应，如辐照诱导的漂移、退化和故障。辐照效应的特征包括辐照剂量依赖性、温度依赖性和剂量率效应。辐照剂量依赖性指辐照效应随着辐照剂量的增加而增强，剂量越高，效应越显著。温度依赖性是指辐照效应随温度的变化而变化，通常在高温下辐照效应更为严重。剂量率效应是指辐照剂量率对辐照效应的影响，高剂量率下辐照效应可能更明显。综上所述，辐照效应对半导体器件的影响是一个复杂而重要的问题，深入研究辐照效应及其机制对于提高半导体器件的辐照抗性和可靠性具有重要意义。3 BiCMOS抗辐照加固技术研究 3.1 BiCMOS抗辐照加固技术的方法 BiCMOS抗辐照加固技术旨在提高BiCMOS器件对辐照的抵抗能力，减轻辐照对器件性能的影响。这项技术主要涉及三个方面：抗辐照材料的选择、设计优化与布局，以及加固工艺流程。抗辐照材料的选择是BiCMOS抗辐照加固技术的重要组成部分。针对辐照引起的损伤机制，选择具有良好抗辐照特性的材料对于提高器件的辐照抵抗能力至关重要。这些材料可能包括辐照硅、辐照氧化物、抗辐照掺杂等，其特性和性能需要与具体应用需求相匹配。设计优化与布局是BiCMOS抗辐照加固技术中的关键步骤。通过合理的电路设计和布局优化，可以减少辐照引起的损伤和效应，提高器件的辐照稳定性。例如，采用较大的布线间距和引入防护层可以减小辐照诱导的电荷收集效应，优化电源和接地网络可以提高抗辐照性能。加固工艺流程对于BiCMOS抗辐照加固技术的成功应用至关重要。在制造过程中，采用特定的工艺步骤和条件，如低温退火、特殊的氧化工艺和深离子注入等，可以改善器件的辐照抗性能。加固工艺流程的优化可以在保证制造效率的前提下提高器件的抗辐照能力。3.2 工艺研究的关键技术BiCMOS抗辐照加固技术的工艺研究涉及一系列关键技术的开发和优化，以提高器件的辐照抵抗能力。其中，两个关键技术是低界面态栅氧化制备工艺和复合层钝化工艺。低界面态栅氧化制备工艺是指在制造过程中控制氧化物的生成，以减少界面态的形成。通过优化氧化工艺的温度、时间和气氛等参数，可以有效地减少氧化界面上的缺陷和陷阱，提高器件的辐照稳定性。实验分析预栅氧工艺攻关测试数据如表1。通过经典的湿法清洗技术（RCA清洗技术），对栅氧化前的硅片进行了处理，成功减少了硅片表面的颗粒状物质。在改进后的清洗方法中，首先使用1:19HF酸进行60s的清洗，随后进行冲洗10min；接下来使用3#液进行10min的清洗，再次冲洗10min；然后再次使用1:19HF酸进行60s的清洗，再次冲洗10min；随后使用2#液进行10min的清洗，再次冲洗10min；最后再次使用1:19HF酸进行60s的清洗，然后冲洗10min，并进行甩干处理。采用这种清洗方法后，每片硅片上的颗粒数量从100个减少到约5个，清洗效果明显。在生长过程中，需要控制好气氛和生长温度，并采用慢退火的方式来降低界面态电荷，提高栅氧质量。制备栅介质后，应尽量减少热过程，以避免对栅介质的不良影响。根据抗辐射的机理，减小氧化层厚度可以增强功率BiCMOS器件对电离辐射的抵抗能力。研究表明，在辐射环境下，辐射引起的空间电荷与氧化层厚度成正比。因此，减小栅氧化层厚度是一种简单且有效的提升BiCMOS器件抗总剂量辐射能力的方法。然而，BiCMOS器件要求栅源击穿电压比常规集成电路中的MOS管高得多，并且需要提高单粒子穿透栅的能力，因此栅介质层厚度不能过于薄。这是在制造抗辐射BiCMOS器件时需要综合考虑的矛盾之一。优质的低界面态栅介质制备和高质量的栅结构控制是加固半导体器件技术的核心工艺。栅氧化层的质量对于器件的抗电离辐射能力起着重要作用。经过大量的研究和对比验证实验，我们最终选择了H2、O2合成工艺热生长约25nm厚度的栅氧化层，以满足产品的参数要求。实验分析了栅氧工艺攻关的测试数据。复合层钝化工艺是指在器件表面形成多层钝化层，以减小辐照引起的损伤。这种工艺可以通过在器件表面形成金属和氮化硅等多层薄膜，提供额外的屏蔽和保护层，减少辐照诱导的电荷收集效应和表1 预栅氧工艺攻关测试数据40 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 Process and Fabrication工艺与制造辐照损伤。高性能半导体器件必须进行表面钝化，以形成一层介质保护膜。这层保护膜能有效防止水汽、灰尘、有害离子等杂质对芯片表面的污染，同时保护器件内部互连，并防止机械和化学损伤。在本文中，我们采用SiO2+Si3N4的复合层钝化方式，以实现优良的钝化效果。这种方式利用Si3N4具有较强的抗污染能力、耐腐蚀性和抗辐射性等特点，能更有效地保护器件。为了保证钝化层的覆盖能力、致密性和均匀性，我们选择了等离子增强化学气相沉积（PECVD）作为钝化层的沉积方法。在SiO2+Si3N4复合层结构中，我们特别关注Si3N4膜层的应力问题。为此，我们提出了两种解决方案：一种是通过选择适当的SiO2厚度来尽量减小Si3N4的应力；另一种是调整Si3N4的制程工艺，以降低应力并避免硅片出现龟裂现象。在钝化过程中，我们采用了Si3N4/SiO2/Si双层钝化结构，并在SiO2沉积时增加真空度，以避免空洞的产生；而在Si3N4沉积时减小真空度，以降低工艺过程中的应力。在此研究中，我们使用PECVD方法分别在半导体器件上沉积了SiO2和Si3N4的钝化层。SiO2的沉积是通过硅烷和笑气的反应生成，而Si3N4的沉积是通过SiH4和NH3的反应生成。我们重点关注了Si3N4钝化层的应力问题。通过大量实验验证，我们确定了SiO2与Si3N4的厚度比例为550nm:300nm的最佳配比方式。这种配比方式在保护器件的同时，有效地避免了应力问题的发生，并且还提高了器件对辐射的抵抗能力。3.3 工艺参数优化和流程改进在BiCMOS抗辐照加固技术的研究中，工艺参数的优化和流程的改进是实现优异性能的关键。通过仔细调整工艺参数，如退火温度、氧化时间和离子注入能量等，可以最大程度提高器件的辐照抗性能。（1）对于退火温度的优化，需要找到适当的温度范围，使得器件中的晶格缺陷能够得到恰当的修复，同时避免过高的温度导致材料的退化。通过系统的实验和测试，可以确定最佳的退火温度，以提高器件的辐照稳定性和可靠性。（2）对于氧化时间的调整，需要在保证良好的氧化质量的前提下，尽量减少氧化过程中的辐射损伤。通过对不同氧化时间下的氧化层性能进行分析和比较，可以确定最佳的氧化时间，以提高器件的辐照抗性能。此外，离子注入能量的优化也是关键的工艺参数。适当选择离子注入能量可以实现较高的离子注入效率，并减少辐照引起的晶格缺陷。通过调整离子注入能量的大小和分布，可以最大程度提高器件的辐照抗性能。除了工艺参数的优化外，流程的改进和优化也是实现优异性能的重要因素。通过对每个工艺步骤进行仔细的分析和评估，可以识别出可能存在的潜在问题和瓶颈，并采取相应的改进措施。例如，改进材料的制备过程、优化工艺步骤的顺序和参数设置，可以提高工艺的可重复性和稳定性，从而提高器件的辐照抗性能。3.4 技术评估和测试BiCMOS抗辐照加固技术的最后阶段是对加固后的器件进行技术评估和测试。通过各种测试手段，如电学测试、辐照测试和可靠性测试，可以评估加固技术的效果和性能。在电学测试中，通过测量器件的电流-电压特性、频率响应等参数，可以评估器件的性能和稳定性。辐照测试则是通过将器件暴露在辐射环境中，观察和测量器件的响应和性能变化，以验证其辐照抗性能。此外，可靠性测试也是必不可少的一步。通过模拟实际应用场景下的工作条件和环境，如温度循环、湿热循环等，对加固后的器件进行长期稳定性测试。这样可以评估器件在实际工作环境下的可靠性和耐久性。这些技术评估和测试结果对于进一步改进和优化BiCMOS抗辐照加固技术具有重要意义。通过对测试结果的分析和比较，可以识别出潜在的问题和改进空间，并指导后续工艺研究的方向。同时，这些评估和测试结果也为BiCMOS抗辐照加固技术在实际应用中的可行性提供了参考依据，确保其能够满足实际工作环境的要求。因此，BiCMOS抗辐照加固技术的研究涉及抗辐照材料的选择、设计优化与布局，加固工艺流程的开发和优化，以及关键技术的研究和技术评估。这些方面的研究对于提高BiCMOS器件的辐照抵抗能力，减轻辐照引起的损伤和效应具有重要的意义。4 结语BiCMOS抗辐照加固技术的工艺研究是一个重要且具有挑战性的领域。通过不断深入研究和探索，我们可以进一步提高BiCMOS器件在辐照环境下的抗性能损害能力，从而推动半导体器件的可靠性和稳定性的发展。参考文献1 郭红霞.集成电路电离辐射效应数值模拟及X 射线剂量增强效应的研究D.陕西：西安电子科技大学,2001.2 贺朝会,李永宏,杨海亮.单粒子效应辐射模拟实验研究进展J.核技术,2007(04):347-351.3 潘桂忠.MOS集成电路结构与制造技术M.上海：上海科学技术出版社，2010.4 潘桂忠.LV/HV P-Well BCDB芯片工艺技术(2)的制程剖面结构J.集成电路应用,2018,35(09):23-27.5 王涛,黄龙,潘建华等.LDMOS器件ESD防护特性分析与优化设计J.电子与封装,2017,17(08):41-43.