[發明專利]半導體結構、自退火芯片及半導體結構的制作方法

在審

• 申請號: 202110451988.3
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113192907A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 張葳;張薇;邢康偉;朱恒宇
• 申請（專利權）人: 北京銳達芯集成電路設計有限責任公司
• 主分類號: H01L23/34
• 分類號: H01L23/34;H01L29/78;H01L21/336
• 代理公司: 北京成創同維知識產權代理有限公司 11449
• 代理人: 蔡純;李鎮江

本發明公開了一種半導體結構、自退火芯片及半導體結構的制作方法，該半導體結構包括：在激勵信號輸入端與參考地之間串聯連接的N型MOSFET和發熱元件，其中，N型MOSFET的柵極接收偏置電壓，N型MOSFET在受到外部輻射時閾值電壓減小并在減小至小于或等于偏置電壓的情況下導通從而控制發熱元件進行發熱，在加熱過程中自退火恢復并在恢復至大于偏置電壓的情況下關斷從而控制發熱元件停止發熱；發熱元件位于N型MOSFET上部層面的介質層中，并且經由布線層與N型MOSFET的源極連接。該半導體結構中發熱元件的可設置區域不受限制，布置靈活，同時該半導體結構能夠根據N型MOSFET的閾值電壓的漂移情況自動的啟動/關閉熱退火處理功能，有效保證了熱退火處理的實時性和準確性。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種半導體結構、自退火芯片及半導體結構的制作方法。

背景技術

長期工作在外部輻射環境下的設備，其中的半導體器件在持續的電離輻射的作用下，會發生諸如閾值電壓漂移、跨導降低、亞閾值電流增大、低頻噪聲增大等問題，甚至會導致器件失效，這就是總劑量輻照效應。總劑量輻照效應主要由電離輻射在氧化層中以及氧化層或硅界面產生的電荷和缺陷引起。

已有研究表明，在對輻射后的半導體器件進行熱處理即退火處理時，器件氧化層中的陷阱空穴會被激發到氧化層價帶，并且與Si/SiO₂界面或硅襯底的電子復合，使得器件氧化層中的陷阱電荷不斷減少，最終可以使得器件的閾值電壓恢復到正常值。因此，目前一般均采用對待保護的半導體器件或芯片進行加熱退火的方式來減小總劑量輻射效應對器件造成的影響。

現有的一種對半導體器件或芯片進行加熱退火的方式為采用多個分立器件搭建成加熱系統，并將待保護的半導體器件或芯片對應的待保護結構以及加熱系統等電路通過PCB板進行集成，從板級進行加熱退火工作。但是這種方案的集成度較低，而且由于加熱系統需要在PCB板上均勻分布，因此需占據大量的面積；同時應用此種方式需要根據不同的待保護結構適應性布局加熱系統，導致其通用性較低。

現有的另一種對半導體器件或芯片進行加熱退火的方式是在制作待保護結構時，將加熱器或加熱絲集成到待保護結構的有源區內，在后續待保護結構工作時，通過預留的接觸孔對加熱器或加熱絲外加電流或電壓的方式實現對待保護結構的加熱退火。這種方案的集成度較高，但其主要還是通過施加外部控制源的方式進行退火處理，其退火效果比較依賴于外部的控制程序，在外部輻射環境無規律變化時，無法保證退火處理的實時性、準確性和可靠性，當發生一次總劑量輻照效應漏處理時，很容易引起整個系統的崩潰。同時，集成在半導體襯底中的加熱器或發熱元件的可布置區域有限，通用性差。

因此，有必要提供改進的技術方案以克服現有技術中存在的以上技術問題。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種半導體結構、自退火芯片及半導體結構的制作方法，該半導體結構中發熱元件的可設置區域不受限制，布置靈活，同時該半導體結構能夠根據N型MOSFET(金屬-氧化物半導體場效應晶體管)的閾值電壓的漂移情況自動的啟動/關閉熱退火處理功能，有效保證了熱退火處理的實時性和準確性，集成度高、尺寸小、結構簡單。

根據本公開第一方面，提供了一種自退火芯片，包括在激勵信號輸入端與參考地之間串聯連接的N型MOSFET和發熱元件，

其中，N型MOSFET的柵極用于接收偏置電壓，N型MOSFET在受到外部輻射時閾值電壓減小并在減小至小于或等于偏置電壓的情況下導通從而控制發熱元件進行發熱，在加熱過程中自退火恢復并在閾值電壓恢復至大于偏置電壓的情況下關斷從而控制發熱元件停止發熱；

上述發熱元件位于N型MOSFET上部層面的介質層中，并且經由布線層與N型MOSFET的源極連接。

可選地，半導體結構包括襯底、介質層和布線層，其中襯底包括場區和有源區，發熱元件位于場區上并環繞有源區。