注氧隔离SOI材料的电离辐射效应研究

摘要

SOI(Silicon-on-Insulator)即绝缘体上的硅材料，其结构通常为顶层硅-绝缘埋层-衬底硅。相对于传统的体硅材料，绝缘埋层的存在将SOI材料的顶层硅与衬底完全隔离，使得基于SOI技术的器件与电路具有功耗低、速度快、集成度高、耐高温、抗单粒子入射及抗瞬态辐照能力，并因此被称为是21世纪的硅集成电路技术。
　　SOI材料埋层的存在也使SOI器件及电路对总剂量辐照更为敏感。在电离辐照环境中，埋层中的空穴陷阱会捕获埋层中因辐照产生的空穴，并在埋层中进行积累，由此引起器件及电路特性的改变甚至失效。为此，本研究工作针对标准的注氧隔离(SIMOX: Separation by Implanted Oxygen)SOI材料，采用氮氟复合注入工艺向材料埋氧层中注氮注氟，对材料实施改性，并对改性的材料进行总剂量辐照效应的研究，以探索提高SOI材料抗总剂量辐照性能的有效方法。
　　研究使用的SIMOX SOI材料的顶层硅与埋氧层厚度分别为190nm与150nm，其初始晶片为<100>晶向的p型硅。实验过程中，首先将1016cm-2剂量的氮离子以90keV的能量注入到衬底温度为300℃的埋氧层中，之后在1100℃的氮气环境中进行退火，退火时间分别选用0.0h、0.5h、1.0h、1.5h。然后，再以120keV的能量将5×1015cm-2剂量的氟离子注入到衬底温度为室温的不同注氮样品埋层中，并在900℃的氮气环境中进行2h的注入后退火处理。最后，利用反应离子刻蚀将样品材料的顶层硅去掉，制备结构为多晶硅-埋氧层-衬底硅(PBS)的电容，采用高频电容-电压(C-V)技术对材料的辐照效应进行表征。
　　首先研究了注氟对注氮改性SIMOX SOI材料埋氧层中正电荷密度的影响。研究发现，注氟可以有效地抑制因高剂量注氮所导致的埋氧层中固定正电荷密度的升高，且注氮后的退火时间对降低氮氟复合注入埋层中正电荷密度的多少有很大影响。分析认为，注氟在材料的埋氧层中引入了电子陷阱是引起埋层正电荷密度降低的主要原因。
　　为了研究氮氟复合注入对样品材料辐照效应的影响，分别对辐照前后的PBS电容的高频(1MHz)C-V特性进行了测量。辐照采用Co-60γ射线源，辐照剂量为700krad(Si)，辐照剂量率为100rad(Si)/s。结果发现，辐照后所有电容样品的C-V曲线皆相对于辐照前发生了负向漂移，意味着经过一定剂量的辐照后，埋氧层内的正电荷数量增加。但因注入改性工艺的差别，致使注氮改性电容样品与氮氟复合注入改性电容样品之间的总剂量效应存在着一定的差异。与注氮后退火时间为1.5h的注氮改性样品电容相对比，与之相应的氮氟复合注入改性样品电容在经700krad(Si)剂量的辐照后，其C-V曲线呈现出小得多的负向漂移。说明在适当的注氟工艺条件下，可以进一步改善注氮埋层的抗总剂量辐照水平。
　　为了研究样品材料在辐照后的退火效应，对700krad(Si)剂量辐照后的电容分别进行了两次温度为120℃、时间为15min的退火实验，并通过C-V技术，对其退火行为进行了观察和表征。实验表明，在该退火实验条件下，辐照后的样品电容无明显的退火效应出现。
　　为研究高剂量辐照对氮氟复合注入改性材料的总剂量辐照响应的影响，对退火后的上述样品电容再次进行了总剂量辐照。辐照依然采用Co-60γ射线源，辐照剂量分别为3×105，5×105、7×105、1×106rad(Si)，剂量率为100rad(Si)/s。结果显示，在大部分情况下，样品电容在不同辐照剂量下的平带电压的负向漂移量与退火前的同等剂量辐照相比有所减小。其原因应该是退火后所表现出的辐照效应实际为退火前后辐照剂量的累加效应。在退火前的辐照已经使埋氧中的部分空穴陷阱被空穴填充的情况下，退火后的再次辐照将难以达到退火前的同剂量辐照损伤水平。另外，实验结果还同时显示出电容样品在不同剂量辐照后的平带电压漂移表现出较为复杂的变化规律，并对其进行了初步解释。
　　为更好地理解离子注入工艺及相关实验结果，最后对SIMOX SOI材料埋氧层的氮与氟离子注入工艺进行了对应的计算机模拟。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 SOI技术的发展

1．2 SOI技术的优势

1．2．1 体硅技术的劣势

1．2．2 SOI器件的优势

1．3 SOI技术的问题

1．3．1 自加热效应

1．3．2 翘曲效应

1．3．3 电离辐照效应

1．3．4 浮体效应

1．4 SOI技术的应用

1．5 SOI材料的制备方法

1．5．1 SIMOX技术

1．5．2 硅片键合减薄技术

1．5．3 智能剥离技术

第二章 MOS结构的电离辐照效应

2．1 MOS结构的电离辐照效应

2．2 MOS结构电离辐射效应的C-V表征

2．3 SOI器件的总剂量辐照效应

第三章 SIMOX SOI材料埋氧层的氮氟复合注入改性工艺及表征

3．1 引言

3．2 SIMOX SOI材料埋氧层的氮氟复合注入

3．3 氮氟复合注入SIMOX材料的C-V表征及分析

3．3．1 材料的C-V表征

3．3．2 材料的C-V特性分析

3．4 小结

第四章 氮氟复合注入改性SIMOX SOI材料的总剂量辐照效应

4．1 氮氟注入对SIMOX材料埋氧层总剂量辐照效应的影响

4．1．1 实验描述

4．1．2 实验结果

4．1．3 讨论分析

4．2 氮氟复合注入改性SIMOX SOI材料的辐照后退火效应

4．2．1 退火实验

4．2．2 实验结果

4．2．3 讨论分析

4．3 高剂量辐照对氮氟复合注入改性SIMOX SOI材料总剂量辐照效应的影响

4．3．1 辐照实验描述

4．3．2 辐照实验结果

4．3．3 结果讨论分析

4．4 小结

第五章 SOI材料的氮与氟离子注入模拟

5．1 离子注入理论

5．1．1 离子注入优势

5．1．2 离子阻止机制

5．1．3 注入离子在靶材料中的分布

5．2 氮离子注入损伤的计算机模拟

5．3 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

附录