SOI器件总剂量辐射效应及其背栅加固技术研究

摘要

在先进CMOS ICs工艺中，与传统体硅技术相比，绝缘体上的硅(Silicon-on-Insulator,SOI)技术具有得天独厚的优势，诸如高速、低功耗、高集成度等优点。这是由于SOI器件实现了全介质隔离，减小了结电容，并彻底消除了体硅CMOS技术中的闩锁效应。此外，隐埋氧化层(Buried Oxide,BOX)的存在有效地减小了单粒子效应中的电荷收集体积，从而很大程度上提高了器件抗单粒子翻转和抗单粒子闩锁能力。然而，辐射在埋氧层和浅沟槽隔离氧化物(Shallow Trench Isolation,STI)中诱生的陷阱电荷使得SOI器件的总剂量辐射效应更为复杂。因此，对SOI器件的总剂量辐射效应进行系统的研究，从而找到一种对SOI器件进行辐射加固的方法显得尤为必要。
　　本论文主要研究了0.2μm部分耗尽(Partially-Depleted,PD)SOI器件的总剂量辐射效应。然后探讨了采用硅离子注入技术在SOI晶圆层级对埋氧层进行加固改性的方法，并应用Pseudo-MOS方法表征SOI材料辐射前后的电学性能，以此评估背栅加固效果。论文具体内容和主要结论如下：
　　(1)研究了0.2μm PD SOI器件在ON、OFF和TG三种辐照偏置条件下的总剂量辐射响应。结果表明，无论对于器件的前栅还是背栅，ON偏置均为最劣偏置。此外，还系统的研究了短沟道SOI器件和窄沟道SOI器件随总的辐照剂量增加其Id-Vg曲线变化情况。实验结果显示，短沟道器件和窄沟道器件随着总的辐照剂量的增加，器件性能退化严重，主要表现为关态漏电流大幅度增加。我们对实验结果进行了分析，认为辐射诱生的陷阱正电荷在STI侧壁累积是造成器件性能退化的主要原因。
　　(2)介绍了Pseudo-MOS样品的制备工艺以及Pseudo-MOS测试原理。同时也对影响Pseudo-MOS测试的各方面参数进行了详细地探讨。
　　(3)研究了三种埋氧层加固工艺：硅离子直接注入工艺、多次注入多次退火工艺及键合注入工艺。结果表明，采用硅离子注入加固工艺能够有效地增强SOI材料的抗总剂量辐射能力。这是因为加固工艺能够在埋氧层中形成具有很大俘获截面积的深电子陷阱的硅纳米晶簇，这些深电子陷阱能够俘获辐射过程中产生的电子，降低辐射在埋氧层中积累的空穴的数量，从而增强SOI材料的抗总剂量辐射能力。对多次注入多次退火工艺的分析表明，这种改进的离子注入工艺能够很大程度上保持顶层硅膜的晶格完整性，弥补单次注入工艺的不足。同时，与键合注入工艺相比，多次注入多次退火工艺也节约了时间和经济成本。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 SOI技术

1.3 本论文的研究意义和主要内容

第2章 0.2 μm PD SOI器件总剂量辐射效应

2.1 引言

2.2 测试器件及实验描述

2.3 辐射偏置对SOI器件总剂量效应的影响

2.4器件尺寸对总剂量辐照效应的影响

2.5 小结

第3章 SOI材料的Pseudo-MOS方法电学性能表征

3.1 引言

3.2 Pseudo-MOS样品制备、测试原理及解析模型

3.3 测试参数及样品规格对Pseudo-MOS电学特性的影响

3.4 采用Pseudo-MOS电学表征评估SOI材料的抗辐照能力

3.5 小结

第4章 PD SOI材料的改性加固工艺及总剂量辐照效应研究

4.1 引言

4.2 硅离子注入抑制SOI材料的总剂量效应机理

4.3 硅离子直接注入工艺加固SOI材料及总剂量辐照实验

4.4 多次离子注入多次退火工艺加固SOI材料及总剂量辐照实验

4.5 先注入后键合工艺加固SOI材料及总剂量辐照实验

4.6 小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

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