注氧隔離SOI材料的電離輻射效應(yīng)研究.pdf

1、SOI(Silicon-on-Insulator)即絕緣體上的硅材料，其結(jié)構(gòu)通常為頂層硅-絕緣埋層-襯底硅。相對(duì)于傳統(tǒng)的體硅材料，絕緣埋層的存在將SOI材料的頂層硅與襯底完全隔離，使得基于SOI技術(shù)的器件與電路具有功耗低、速度快、集成度高、耐高溫、抗單粒子入射及抗瞬態(tài)輻照能力，并因此被稱為是21世紀(jì)的硅集成電路技術(shù)。
　　SOI材料埋層的存在也使SOI器件及電路對(duì)總劑量輻照更為敏感。在電離輻照環(huán)境中，埋層中的空穴陷阱會(huì)捕獲埋層中因

2、輻照產(chǎn)生的空穴，并在埋層中進(jìn)行積累，由此引起器件及電路特性的改變甚至失效。為此，本研究工作針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的注氧隔離(SIMOX: Separation by Implanted Oxygen)SOI材料，采用氮氟復(fù)合注入工藝向材料埋氧層中注氮注氟，對(duì)材料實(shí)施改性，并對(duì)改性的材料進(jìn)行總劑量輻照效應(yīng)的研究，以探索提高SOI材料抗總劑量輻照性能的有效方法。
　　研究使用的SIMOX SOI材料的頂層硅與埋氧層厚度分別為190nm與150nm，

3、其初始晶片為<100>晶向的p型硅。實(shí)驗(yàn)過程中，首先將1016cm-2劑量的氮離子以90keV的能量注入到襯底溫度為300℃的埋氧層中，之后在1100℃的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行退火，退火時(shí)間分別選用0.0h、0.5h、1.0h、1.5h。然后，再以120keV的能量將5×1015cm-2劑量的氟離子注入到襯底溫度為室溫的不同注氮樣品埋層中，并在900℃的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行2h的注入后退火處理。最后，利用反應(yīng)離子刻蝕將樣品材料的頂層硅去掉，制備結(jié)構(gòu)為

4、多晶硅-埋氧層-襯底硅(PBS)的電容，采用高頻電容-電壓(C-V)技術(shù)對(duì)材料的輻照效應(yīng)進(jìn)行表征。
　　首先研究了注氟對(duì)注氮改性SIMOX SOI材料埋氧層中正電荷密度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，注氟可以有效地抑制因高劑量注氮所導(dǎo)致的埋氧層中固定正電荷密度的升高，且注氮后的退火時(shí)間對(duì)降低氮氟復(fù)合注入埋層中正電荷密度的多少有很大影響。分析認(rèn)為，注氟在材料的埋氧層中引入了電子陷阱是引起埋層正電荷密度降低的主要原因。
　　為了研究氮氟復(fù)合注

5、入對(duì)樣品材料輻照效應(yīng)的影響，分別對(duì)輻照前后的PBS電容的高頻(1MHz)C-V特性進(jìn)行了測(cè)量。輻照采用Co-60γ射線源，輻照劑量為700krad(Si)，輻照劑量率為100rad(Si)/s。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輻照后所有電容樣品的C-V曲線皆相對(duì)于輻照前發(fā)生了負(fù)向漂移，意味著經(jīng)過一定劑量的輻照后，埋氧層內(nèi)的正電荷數(shù)量增加。但因注入改性工藝的差別，致使注氮改性電容樣品與氮氟復(fù)合注入改性電容樣品之間的總劑量效應(yīng)存在著一定的差異。與注氮后退火時(shí)間為

6、1.5h的注氮改性樣品電容相對(duì)比，與之相應(yīng)的氮氟復(fù)合注入改性樣品電容在經(jīng)700krad(Si)劑量的輻照后，其C-V曲線呈現(xiàn)出小得多的負(fù)向漂移。說明在適當(dāng)?shù)淖⒎に嚄l件下，可以進(jìn)一步改善注氮埋層的抗總劑量輻照水平。
　　為了研究樣品材料在輻照后的退火效應(yīng)，對(duì)700krad(Si)劑量輻照后的電容分別進(jìn)行了兩次溫度為120℃、時(shí)間為15min的退火實(shí)驗(yàn)，并通過C-V技術(shù)，對(duì)其退火行為進(jìn)行了觀察和表征。實(shí)驗(yàn)表明，在該退火實(shí)驗(yàn)條件下，輻

7、照后的樣品電容無明顯的退火效應(yīng)出現(xiàn)。
　　為研究高劑量輻照對(duì)氮氟復(fù)合注入改性材料的總劑量輻照響應(yīng)的影響，對(duì)退火后的上述樣品電容再次進(jìn)行了總劑量輻照。輻照依然采用Co-60γ射線源，輻照劑量分別為3×105，5×105、7×105、1×106rad(Si)，劑量率為100rad(Si)/s。結(jié)果顯示，在大部分情況下，樣品電容在不同輻照劑量下的平帶電壓的負(fù)向漂移量與退火前的同等劑量輻照相比有所減小。其原因應(yīng)該是退火后所表現(xiàn)出的輻照效應(yīng)