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SOI材料的抗辐射改性机理研究
Research on the mechanism for Total dose irradiation hardness of SOI material


1.6万字 37页 原创作品，已通过查重系统


摘 要
众所周知，作为集成电路流片的晶圆材料，绝缘体上硅（SOI）相比于体硅材料具有漏电流小、器件速度快、低功耗以及消除了闩锁效应等优势。SOI的介质隔离结构使得器件收集电离电荷的敏感区域和p-n结区体积变小，这使得SOI器件在抗单粒子辐照方面具有与生俱来的优势，从而应用于航天电子。然而同样由于SOI的埋氧结构，使得SOI器件在总剂量辐照下的性能恶化。总剂量辐照在埋氧中引入正固定电荷，进而影响了器件与电路的性能和可靠性。本文通过对SIMOX SOI材料进行Si离子注入和退火工艺实现了对材料的总剂量加固，并对加固机理进行了讨论。
本研究对加固的SIMOX SOI晶圆和同批次的未加固的SIMOX 晶圆（对比片）进行流片，制作了部分耗尽的环栅结构的NMOSFET，将这些器件进行不同偏置下的不同剂量的总剂量辐照实验，测试辐照下的正栅晶体管和背栅晶体管的电学特性曲线。实验表明背栅阈值电压随着总剂量辐照剂量的加大而负漂以及漏电流随着总剂量辐照剂量的增加而变大的情况由于加固工艺得到了相当程度的抑制。并且我们发现对于背栅晶体管，PG偏置是最恶劣偏置；对于正栅晶体管，ON偏置是最恶劣偏置，这和相关文献的结果一致。
加固的NMOSFET相比于未加固的SIMOX制作的器件，阈值电压的负漂大大降低了，这主要是由于正固定电荷减少了。由此推断Si离子注入能显著降低由总剂量辐照带来的正固定电荷密度和陷阱电荷的建立。根据文献，有种解释认为Si离子注入和退火工艺在埋氧层中引入了扮演电子陷阱的Si纳米晶。Si纳米晶俘获电子中和了辐照引入的正固定电荷积累，从而抑制了阈值电压的负漂。通过XPS表征，得到了与硅的不同氧化态对应的化学结构随硅离子注入工艺的变化（主要探讨了注入剂量的影响）以及硅纳米晶的形成，某种程度证实了硅纳米晶作为电子陷阱的解释。


关键词：SIMOX；硅离子注入；纳米硅；总剂量辐照效应；XPS