注氮工艺对SOI材料抗辐照性能的影响
半导体器件辐射效应及抗辐射加固
半导体器件辐射效应及抗辐射加固随着空间技术和国防科技的不断发展，半导体器件在航空、航天、军事等领域的应用越来越广泛。
然而，半导体器件在受到空间辐射后会产生各种效应，如离子注入、光刻、蚀刻等，这些效应会导致器件性能下降甚至失效。
为了提高半导体器件的可靠性，抗辐射加固技术成为了研究热点。
半导体器件受到辐射后，会产生各种效应。
其中，离子注入是一种常见的辐射效应，它是指高能离子在半导体中注入并形成堆积层，从而导致器件性能下降。
光刻则是指辐射引起的半导体表面形态变化，它会导致器件的几何形状和尺寸发生变化，进而影响性能。
蚀刻也是辐射效应之一，它是指辐射引起的半导体表面物质损失和形貌变化，进而导致器件性能下降。
为了应对半导体器件的辐射效应，各种抗辐射加固技术应运而生。
材料选择是一种有效的加固方法。
通过选择具有优良抗辐射性能的材料，如碳化硅、砷化镓等，可以显著提高半导体器件的抗辐射能力。
结构优化也是一种有效的抗辐射加固技术。
例如，通过优化器件的结构，可以降低辐射对器件性能的影响。
减少剂量率也是一种可行的加固方法。
通过降低辐射剂量率，可以减少器件受到的辐射损伤，从而提高器件的可靠性。
为了比较各种加固技术效果，我们选取了一种常见的半导体器件——互补金属氧化物半导体（CMOS）进行实验研究。
我们采用材料选择方法，分别选用碳化硅和硅材料制作CMOS器件。
实验结果表明，碳化硅材料的CMOS器件性能更稳定，抗辐射能力更强。
然后，我们采用结构优化方法，对CMOS器件的结构进行了优化设计。
优化后的CMOS 器件在受到辐射后，性能下降幅度明显减小。
我们采用减少剂量率方法，降低了辐射剂量率。
实验结果显示，降低剂量率后，CMOS器件的性能更加稳定。
本文对半导体器件的辐射效应及抗辐射加固技术进行了深入探讨。
通过实例分析，我们发现材料选择、结构优化和减少剂量率等抗辐射加固技术均能有效地提高半导体器件的抗辐射能力，从而提高器件的可靠性。
其中，材料选择是最为关键的加固方法，它直接决定了器件的抗辐射性能。
国产工艺的部分耗尽SOI MOSFET总剂量辐照效应及可靠性
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｏ ａ ｏｓ ｒ ａ ａ ｉ ｎ ｅ ｆ ｃ ｎ ｅ ｉｂｉｉｙ ｏｆｄ ｓｒ ｃ ： ｔ ｌｄ ｅ ｉ ｒ ｄｉｔｏ ｆｅ ｔ ａ ｄ ｒ ｌａ ｌ ｏｍ ｅ ｔｃ ｐ ｒ ｉ ｌｙ ｄ ｐ ｅ ｅ ｔ ｓ ｉ ａ ｔａ ｌ — ｅ ｌ ｔ ｄ ＳＯ Ｉ Ｍ ＯＳ ＦＥＴ ｅ ｅ ｔ ｉｄ． Ｉ ｉ ｆ ｎｄ ｈａ ｔ ｏ ｉ — ｒ ｐ ｄ ｈ ｒ ｍ ａｎｌ ｃ ｓ ｓ ｈｅ ｗ ｒ ｓ ｕｄ ｅ ｔ ｓ ｏｕ ｔ ｔ ｈｅ ｘ ｄｅ ｔ ａ ｐｅ ｃ ａ ｇｅ ｉ ｙ ａｕ ｅ ｔ ｔ ｅ ｈｏ ｄ ｖ ｔ ｇ ｈ ｆ ． Ｔｈｅ ｂ ｃ ｔ ｓｍ ｏｒ ｅ ｓ ｔｖ ｏ ｔ ｏ ａ ｏｓ ｒ ａ ａ ｉ ｎ ｔ ａ ｈｒ ｓ ｌ ｏｌａ ｅ ｓ ｉｔ ａ ｋ ｇａ ｅ ｉ ｅ ｓ ｎ ｉｉ ｅ ｔ ｈｅｔ ｔ １ｄ ｅ ｉｒ ｄｉｔｏ ｈ ｎ
４ 中 国科 学 院 微 电子 研 究 所 ，Ｅ ． ｊ 京 １ ０ ２ ） ０ ０ ９
摘 要 ： 国 产 工 艺 的 部 分 耗 尽 Ｓ ＩＭ０ Ｆ Ｔ 。 ｏ７射 线 的 总 剂 量 辐 照 效 应 及 其 可 靠 性 进 行 了 研 究 。结 对 Ｏ ｓ Ｅ Ｃ 果 表 明 ： 照 引 入 的 氧 化 物 陷 阱 电 荷 是 阈 值 电 压 漂 移 的 主 要 因 素 ； 栅 对 总 剂 量 辐 照 更 为 敏 感 ， 在 背 辐 背 但
３ Ｇｒ ｄ ａ ｅＵｎ ｖ ｒｉｙ ｏ ｉｅｅＡｃ ｄ ｍｙ ｏ Ｓ ｉｎ ｅ ． ａ ｕ ｔ ｉｅ ｓｔ ｆ Ｃｈｎ ｓ ａ ｅ ｆ ｃｅ ｃｓ，Ｂｅｊｎ ０ ０ ９ ｉｉｇ １ ０ ４ ，Ｃｈｎ ｉａ； ４ Ｉ ｓｉｕｅｏ ｃｏ ｌｃｒｎ ｃ ． ｎ ｔｔｔ ｆ Ｍｉｒ ｅｅｔｏ ｉｓ，Ｃ ｉ ｅｅ ａ ｅ ｆ Ｓ ｉｎｅ ，Ｂｅｊｎ ０ ０ ９，Ｃｈｎ ） ｈ ｎ ｓ ｄ ｍｙｏ ｃｅ ｃｓ Ａｃ ｉｉ ｇ １ ０ ２ ｉａ
注F +加固CMOS／SOI材料的抗辐射研究
（ ． 京石 油化 工学院 ，北
１２０；． ０６０２ 中圉科 学院 上海原子括研 究所 ，上海
摘要 ： ＳＭＯＸ材料 的 ｓＯ２ 向 Ｉ ｉ 埋层或 Ｓ／ｉ ２ ｉ ０ 界面注八 １０ｋＶ Ｆ ，进而制成 Ｃ Ｓ ７ ｅ ＋ ＭＯＳＳ 材料 ，采用 ｌｏ ／ＯＩ ｃ Ｙ辐射 器 辐膊并测量材料 的 特性．结果表 明：向 ＣＶＯＳＳ Ｉ材料 埋屡注八 Ｆ 离子 ，能提 高 Ｃ Ｉ ／Ｏ Ｉ ＋ ＭＯＳＳ Ｉ材料 的抗 电离辐照 ］Ｏ
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注 Ｆ加 固 Ｃ ＋ ＭＯＳＳ Ｉ 料 的抗辐射研 究 ／Ｏ 材
Ｓｕ ｙ ｎ ｎｉｏ ｉ ｌ ｎ ａ ｉｔ ｎｉ Ｉｊｃｎ Ｆ ｉｔ Ｃ ＭＳＳ Ｍａ ｒ ｌ ｔｄ ｏ Ａ ｌｉ ｚ ｉ Ｒ ｄａｉ ｎ ｎｅｔ ｇ ＋ｎｏ Ｏ ／ＯＩ ｔ ｉ ｓ －ｎ ａｏ ｏ ｉ ｅ ａ
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重离子束辐照对材料性能影响的研究
重离子束辐照对材料性能影响的研究随着科学技术的不断发展，科学家对新材料的研发和应用越来越重视，而材料性能的改善也是其中非常重要的方面之一。
在材料性能改善的过程中，重离子束辐照技术被广泛应用。
本文将探讨重离子束辐照对材料性能影响的研究。
重离子束辐照技术是指利用重离子束对材料进行加工处理和改性的过程，是一种重要的材料改性技术。
重离子可以穿透材料表面到达深层区域，因此可以对整个材料进行改性。
同时，辐照对材料的化学反应和物理反应也会产生一些有利的影响。
在重离子束辐照技术的应用方面，主要包括以下几个方面。
一、改善材料的机械性能重离子束辐照技术可以增加材料的硬度和强度，特别是对于强度不够的材料，利用重离子束辐照技术可以改善其抗拉强度和抗压强度等机械性能。
此外，在材料的抗腐蚀性能和耐热性能等方面也可以得到改善。
二、改善材料的化学性能重离子束辐照技术可以改变材料的化学反应行为，从而增加其化学稳定性和耐腐蚀性。
例如，在金属的耐腐蚀方面，重离子束辐照可使材料表面形成一层厚的氧化层，从而可以有效地保护金属内部的材料不被腐蚀。
三、改善材料的电子性能重离子束辐照技术可改变材料的电子结构，从而提高其电子导电性能和电场透过性能。
例如，在电子器件的应用中，重离子束辐照技术可使材料的导电性能更加优异，从而使器件的性能更加稳定。
四、改善材料的光学性能重离子束辐照技术可改变材料的光学性质，从而使其具有更为优异的光学性能。
例如，在太阳能电池的材料选择中，使用重离子束辐照技术处理的材料具有更高的光电转化效率，可以有效地提高太阳能电池的能量输出。
综上所述，重离子束辐照对于材料性能改善方面具有广泛的应用前景。
通过对重离子束辐照技术进行深入研究，可以更好地发掘其材料改性的潜力，为科技的进步和材料技术的发展做出更大的贡献。
SOICMOS工艺及产品介绍
图：长沟道（左）和短沟道（右）体硅器件与SOI器 件中耗尽区电荷分布示意图，Qdep是栅控耗尽层电荷
➢SOI器件分类
--根据硅膜厚度和硅膜中掺杂浓度情况，SOI MOSFET器件可以分为三种不同的类 型：厚膜器件、薄膜器件和“中等膜厚”器件。划分的主要依据是栅下最大耗尽层 宽度xdmax：
1.厚膜SOI器件，硅膜厚度大于2xdmax，通常为1000~2000Å，这种器件又称为部分 耗尽器件（PD：Partially Depleted）。
--缺点
1）界面缺陷和顶部硅薄层的均匀性（硅厚度的10%）难以控制；
2）不能得到顶部硅膜很薄的SOI结构；
4. 智能剥离SOI技术(Smart-Cut)
Smart-Cut原理示意图 -- 氧化：将硅片B热氧化一层二氧化硅，将作为SOI 材料的隐埋氧化层。 -- 离子注入：室温下，以一定能量向硅片A注入一定剂量的H+，用以在硅表面层下
可控性好，硅-绝缘介质层界面特性较好。
--缺点 1）缺陷密度较高（>104cm-2），硅膜的质量不如体单晶硅。 2）埋层SiO2的质量不如热生长的SiO2。 3）需要昂贵的大束流注氧专用机；退火炉进行高温长时间退火，因而成本较高。
3. 硅片键合SOI技术(BSOI)
--将两个抛光好的硅片，表面生长氧化层，
➢SOI器件浮体效应
--PD SOI MOS器件的体区处于悬浮状态，使碰撞 电离的电荷无法迅速地移走，出现浮体效应 1. Kink效应 1）PD SOI NMOS器件，在足够高的Vd下，沟道 电子在漏端高场区获得足够能量，通过碰撞电 离产生电子空穴对，空穴向较低电势的中性体 区移动，并堆积在体区，抬高体区的电势，使得体-源结正偏。从而Vt降低 而漏端电流增加。 2）PD SOI PMOS器件的Kink效应不显著。因为空穴的电离率较低，碰撞电离 产生的电子-空穴对远低于NMOS管，所以Kink效应不显著。 3）FD SOI器件无Kink效应，因为体-源的势垒相对较小，碰撞电离的空穴直接 流向源区，在源区被复合，硅膜中不存在过剩的载流子。即无Kink效应。 4）Kink 效应可以增大电流和跨导，利于速度的提高，对数字电路的性能有一 定好处，但Kink 效应会带来电导的突然增加，影响模拟电路的输出阻抗和 增益，十分有害。同时，Kink 效应具有频率o以及倒阱结构 --应变沟道 --高K值栅介质材料 --新衬底材料SOI --新化合物衬底材料
soi工艺技术
soi工艺技术SOI工艺技术，也即硅绝缘体工艺技术（SOI：Silicon on Insulator），是一种用于集成电路制造的先进工艺技术。
SOI工艺技术通过在硅衬底和晶片间加入绝缘层，限制了电流的流动，从而提高电路的性能和可靠性。
SOI工艺技术的关键技术就是制备高质量的硅绝缘体材料。
硅绝缘体材料是一种特殊的材料，它具有很高的电阻率和绝缘性能。
通过将硅绝缘体材料嵌入到晶片中，可以有效地隔离晶片和硅衬底之间的电流，并减小晶体管的功耗和热量输出。
SOI工艺技术相比传统的CMOS工艺技术具有多方面的优势。
首先，SOI工艺技术可以显著提高电路的性能。
由于硅绝缘体材料限制了电流的流动，在晶体管工作时可以减少漏电流和串扰现象，提高了电路的速度和准确性。
此外，SOI工艺技术还可以降低电路的功耗。
由于晶片和硅衬底之间有绝缘层的存在，电流只能在晶背膜上流动，而无法通过硅衬底散热，从而降低了功耗，提高了电路的工作效率和稳定性。
SOI工艺技术还具有较好的集成度和可靠性。
由于绝缘层的存在，继电器之间的互相影响和干扰减少，因此可以实现更高的集成度。
同时，SOI工艺技术还可以提高电路的可靠性，减少硅衬底上的电子元件受到辐射或电磁波干扰的影响。
然而，SOI工艺技术也存在一些挑战和限制。
首先，SOI工艺技术的制造成本较高。
嵌入硅绝缘体材料需要额外的材料和设备，增加了制造成本。
其次，SOI工艺技术对设备和工艺有较高的要求。
制造SOI器件需要高精度的掺杂、整合和退火等工艺步骤，因此对设备和工艺工程师的技术水平要求较高。
总之，SOI工艺技术是一种具有广阔应用前景的先进制造技术。
它可以显著提高集成电路的性能和可靠性，降低电路的功耗，并实现更高的集成度和稳定性。
尽管SOI工艺技术面临一些挑战和限制，但随着技术的不断进步和成本的降低，相信其在未来会得到进一步的应用和推广。
氮化镓 抗辐照-概述说明以及解释
氮化镓抗辐照-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在这篇文章中，我们将讨论氮化镓材料在抗辐照方面的重要性和研究现状。
氮化镓作为一种重要的半导体材料，在应用中具有广泛的用途，如光电子器件、微波器件、光纤通信等领域。
然而，氮化镓材料在高能辐照环境下容易受到损伤，影响其性能和稳定性。
因此，研究氮化镓材料的抗辐照性能和机制对其在核能、太空等特殊环境中的应用具有重要意义。
本文将探讨氮化镓材料的特性、辐照对其的影响以及抗辐照的机制，旨在为氮化镓材料在特殊环境中的应用提供理论依据和技术支持。
文章结构部分主要包括以下几个部分：1. 引言：介绍氮化镓及其抗辐照的重要性，并阐述本文的研究意义和目的。
2. 正文：分析氮化镓的特性、辐照对氮化镓材料的影响以及氮化镓抗辐照的机制。
3. 结论：总结讨论氮化镓抗辐照的研究成果，并展望未来研究方向和意义。
写文章1.2 文章结构部分的内容1.3 目的本文的目的是研究氮化镓材料在辐照条件下的抗辐照性能。
通过对氮化镓材料的特性、辐照对其的影响以及抗辐照的机制进行深入探讨，旨在为氮化镓在辐照环境下的应用提供理论和实验基础。
同时，通过本文的研究，希望能够为进一步提高氮化镓材料的辐照稳定性和可靠性提供参考和指导。
最终达到提高氮化镓材料在核工业、航空航天等领域的应用性能和可靠性的目的。
2.正文2.1 氮化镓的特性:氮化镓（GaN）是一种重要的宽禁带半导体材料，具有许多优异的特性，使其在光电子器件中具有广泛的应用。
首先，GaN具有较大的能隙（大约3.4电子伏特），使其具有较高的电子迁移率和较低的漏电流。
其次，氮化镓具有较高的饱和漂移速度，使其在高频高功率应用方面表现出色。
此外，GaN材料还具有优异的热导率和较高的波长范围内的光学透过率，使其在高温和高功率密度环境下能够有效运行。
另外，氮化镓还具有较好的机械性能和化学稳定性，使其能够应用于各种极端的环境中。
总体而言，氮化镓是一种非常有前景的材料，已经被广泛用于LED、激光器、光电探测器等光电子器件中，并在无线通信、雷达系统、电力电子等领域中得到了广泛的应用。
soi工艺技术特征
soi工艺技术特征SOI（Silicon-on-Insulator，绝缘体上硅）是一种通过在晶圆上形成绝缘层来实现的半导体工艺技术。
与常规的半导体工艺相比，SOI具有许多独特的技术特征。
首先，SOI具有较低的漏电流。
在传统的晶体硅上，漏电流是由于电子与电洞通过材料间隔产生的电流。
而在SOI中，绝缘层有效地阻断了电子和电洞之间的副本电流，从而显著降低了漏电流。
其次，SOI可降低电源电压。
相对于传统的晶体硅，SOI通过减小应力效应，降低了电子和电洞的迁移速度，从而实现了减小电源电压的效果。
这也使得SOI在低功耗应用中具有优势。
此外，SOI具有更好的散热性能。
绝缘层在SOI中可以很好地隔离硅和衬底之间的热传导，减少了晶圆的热散失。
这使得SOI能够在高温环境下获得更稳定的工作性能，同时减少散热所需的成本和功耗。
另外，SOI还具有增强掺杂效应。
在传统的晶体硅中，由于电子和电洞易于自由移动，因此掺杂材料的作用较弱。
然而，在SOI中，由于绝缘层的限制，掺杂材料的效果更加明显，因此可以实现更低的电源电压和较高的性能。
此外，SOI还具有更好的尺寸控制性能。
由于绝缘层的存在，SOI的电子分布更加均匀，可以得到更稳定和一致的尺寸特性。
这使得SOI在工艺控制方面具有更高的可靠性和可重复性。
最后，SOI还具有更好的抗辐射性能。
在高能粒子的辐射环境中，SOI相对于传统的晶体硅具有更好的抗辐照能力。
绝缘层的存在减少了辐照对晶体硅的影响，从而提高了器件的可靠性和稳定性。
综上所述，SOI工艺技术具有许多独特的特征。
它不仅能够降低漏电流和电源电压，提高散热性能和掺杂效应，还能够实现更好的尺寸控制性能和抗辐射性能。
这些特点使得SOI在低功耗应用、高温环境下的工作和辐射环境下的应用具有广泛的应用前景。
SOI及其制备工艺
13
Simbond
5. SIMBOND工艺： 国内的SOI产业发展缓慢，目前上海新傲科技股份有限公司率先实现国内SOI的产业化。 陈猛等人结合了离子注入和键合技术提出了注氧键合技术，形成具有自主知识产权的 Simbond技术。14年，新傲与法国SOITEC 签订了中国地区200mm SOI晶圆独家代理协 议。 • 向器件片的键合面注入氧离子，高 温退火形成埋氧层，这个埋氧层就 是之后的腐蚀停止层。 • 与另一片支撑片键合，然后高温退 火，以形成完好的键合界面。 • 减薄过程采用了自停止腐蚀方法来 实现控制顶层硅厚度均匀性，机械 研磨快速减薄到一定厚度，该过程 要保证研磨的损伤层不在埋氧层中， 之后用TMAH溶液腐蚀顶层硅到注 入的氧化层处停止，然后去除露出 的氧化层并抛光处理，最后根据要 求外延到所需要的厚度，得到均匀 性很好的厚膜SOI材料，其顶层硅 厚度均匀性可达士0. 05um.
1.85 1.16
4
概述
SOI 的制备：
熔融再结晶（ZMR） 束致再结晶---激光或电子束
多晶/非晶 单晶化
固相外延（SPE）
区熔再结晶---石墨条加热或卤素灯
SOI材料 制造技术 分类
氧离子注入形成SiO2埋层（SIMOX） 单晶衬底 的隔离
多孔硅氧化隔离法（FIPOS）
BESOI、Smart-cut、SIMBOND工艺
埋氧层由热氧化形成，具有良好的Si/SiO2界面，同时氧化层质量较高。 剥离后的硅片可以继续作为键合衬底大大降低成本。
Smart-cut技术已成为SOI材料制备技术中最具竞争力、最具发展前途的一 种技术。自1995年开发该技术以来，已得到飞速发展，法国SOITEC公司 已经能够提供Smart-cut技术制备的商用SOI硅片，并拥有其专利
抗辐射高压SOI NMOS器件的背栅效应研究
抗辐射高压SOI NMOS器件的背栅效应研究LI Yanfei;ZHU Shaoli;WU Jianwei;XU Zheng;HONG Genshen【摘要】通过对高压SOI NMOS器件进行总剂量辐照试验发现,辐照后器件埋氧化层中引入了大量的氧化层陷阱电荷,使得器件背栅发生反型,在较高漏极工作电压下,漏极耗尽区与反型界面相连,使得源漏发生穿通,导致器件漏电.通过原理分析提出了增加顶层硅膜厚度的优化措施,证明在顶层硅膜较薄的情况下,SOI NMOS器件容易发生总剂量辐照后背栅漏电,厚顶层硅器件特性受背栅辐照效应的影响则显著降低直至消失.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2019(019)002【总页数】4页(P38-41)【关键词】高压SOI NMOS;背栅效应;总剂量;抗辐射加固【作者】LI Yanfei;ZHU Shaoli;WU Jianwei;XU Zheng;HONG Genshen【作者单位】;;;;【正文语种】中文【中图分类】TN3061 引言随着微电子技术的迅猛发展，星载雷达、航空测控、核弹、通讯卫星以及需有抵抗核爆环境能力的飞机、地面系统等装备中都离不开抗辐射高压SOI 器件。
绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）技术以其独特的结构有效地克服了体硅材料的不足，充分发挥了硅集成电路技术的潜力，正逐渐成为制造高速、低功耗、高集成度和高可靠超大规模集成电路的主流技术[1-3]。
SOI 技术采取全介质隔离，彻底消除了CMOS器件的寄生闩锁效应，减少单粒子翻转界面，具有极好的抗单粒子和瞬时辐照能力，使得SOI 芯片能在最恶劣的宇宙射线环境下工作，并在空间科学研究中得到广泛应用[4-6]。
然而，由于SOI 材料中绝缘埋层的存在，导致高压器件受总剂量辐射效应的影响增加[7-8]，埋氧化层中产生大量的正电荷，导致背栅反型，背栅沟道开启，器件发生漏电。
本文研究了抗辐射高压SOI NMOS 器件总剂量辐照后的背栅效应，发现SOI 材料的顶层硅膜厚度对器件的背栅效应影响较大，通过采用抗辐射工艺加固技术，研制不同硅膜厚度的SOI NMOS 器件，通过总剂量辐照试验，分析不同硅膜厚度对器件背栅漏电的影响。
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第26卷 第6期2005年6月半 导 体 学 报CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.26 No.6June,2005
3国家杰出青年基金(批准号:59925205),上海市基础研究基金(批准号:02DJ14069)和国家自然科学基金(批准号:10305018)资助项目 张恩霞 女,1977年出生,博士研究生,主要从事SOI材料及器件抗辐射加固方面的研究.
钱 聪 男,1979年出生,博士研究生,主要从事SOI材料及器件辐射可靠性研究.
张正选 男,1966年出生,研究员,主要从事SOI材料、器件及电路抗辐射加固研究.
2004208225收到,2005201210定稿Ζ2005中国电子学会
注氮工艺对SOI材料抗辐照性能的影响3张恩霞1 钱 聪1 张正选1 王 曦1 张国强2 李 宁2 郑中山2 刘忠立2(1中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050)(2中国科学院半导体研究所,北京 100083)
摘要:分别采用一步和分步注入的工艺制备了氧氮共注形成SOI(SIMON)材料,并对退火后的材料进行了二次离子质谱(SIMS)分析,结果发现退火之后氮原子大多数聚集在SiO2/Si界面处.为了分析材料的抗辐照加固效果,分别在不同方法制作的SIMON材料上制作了nMOS场效应晶体管,并测试了晶体管辐射前后的转移特性.实验结果表明,注氮工艺对SOI材料的抗辐照性能有显著的影响.
关键词:氧氮共注;SIMON;SOI;离子注入PACC:6170T;8140R;7340R中图分类号:TN386 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)0621369204
1 引言SOI(silicononinsulator)技术具有诸多优点,如高运转速度、低功耗、全隔离、优越的抗剂量率辐射以及优良的抗单粒子效应等,使得SOI技术在各个研究领域受到青睐.然而SOI材料在抗总剂量方面,与体硅相比并没有优势,因此如何提高SOI器件的抗总剂量性能成为目前研究的焦点.Lee等人在热氧化SiO2上沉积氮化硅薄膜[1],而后制作出的
MNOS(metal2nitride2oxide2semiconductor)电容具
有优良的抗总剂量辐照能力.受此启发我们曾采用氮氧离子共注入的方法制备多埋层SIMON(sepa2rationbyimplantationofoxygenandnitrogen)材
料[2],并与中国科学院半导体研究所合作进行抗辐
射实验,发现与传统SIMOX(separationbyimplan2tationofoxygen)相比,这种具有氮氧复合埋层结构的新型SOI材料对总剂量效应的承受能力有大幅提高[3,4].另外很重要的一点,氮氧多埋层SOI材料也可以降低传统SOI器件固有的自加热效应[5].本文主要是采用不同的工艺在SIMOX材料中注入了N离子,并在SIMOX和SIMON材料上均制作了nMOS场效应晶体管,并研究了注氮工艺对器件抗总剂量辐射性能的影响.2 实验实验所用的初始材料是p型〈100〉,100mm,CZ硅圆片,电阻率为10～20Ω・cm.在此基础上,分别采用一步退火、两步退火的工艺制备了SIMON圆片,具体工艺参数如表1所示.其中样品G是SI2MOX对比样品.为了研究材料的结构特征,采用二次离子质谱分析(SIMS)的方法研究了N,O元素在材料中的浓度分布.在以上SIMOX和SIMON圆片衬底上制作了沟道长度为112μm的nMOSFET,栅氧温度为900℃,气氛为H2+O2合成氧化,厚度为25nm.利用Co260γ源对器件进行了辐照试验,辐照的剂量率是300rad(Si)/s,总剂量是从0到5×10
5
rad(Si).半 导 体 学 报第26卷表1 各样品的具体制备条件Table1 FabricationconditionsofthesamplesSampleImplantationofoxygenAnnealingImplantationofnitrogenAnnealingABCDEFG
190keV,611×1017cm-21300℃,300min,Ar+3vol%O2—160keV,5×1015cm-2,300℃160keV,8×1015cm-2,300℃160keV,2×1016cm-2,300℃160keV,1×1017cm-2,300℃160keV,1×1017cm-2,300℃160keV,2×1017cm-2,300℃—1200℃,120min,N21300℃,300min,Ar+3vol%O2—
3 结果与分析3.1 SIMS分析采用二次离子质谱(SIMS)方法分析了两步退火工艺注N+形成的SIMON材料中O,N浓度分布,结果如图1所示.可以看出,退火后N+在上下界面处形成峰值,这说明,退火之后氮原子大多数聚集在顶层Si/SiO2和SiO2/衬底Si界面处,同时埋层中也存在一定量的氮原子.由图还可以看出,N在SIMOX埋层中与Si形成了Si—N键,这可以说明N对SIMOX材料和器件抗辐射性能改善应该归结为N替换部分弱键和应力键的作用[6].
图1 SIMS分析结果Fig.1 ResultsofSIMS
3.2 SIMON材料抗辐射性能分析各样品的nMOSFET晶体管辐射前后的Ids2Vgs
特性如图2所示.可以看出,辐照前一步退火样
品E、F的漏电都远大于二步退火样品,且与注N剂量有关;辐照后各样品nMOS晶体管的漏电流增幅都比较大,但是二步退火样品辐照后漏电流明显低于一步退火样品,并低于SIMOX样品的漏电流.这说明一步退火工艺不利于SIMON器件的电学性能,更不利于器件的抗辐射加固,这主要是因为一步
退火工艺不能很好地消除高剂量氧注入和氮注入所引入到SOI材料顶层硅和绝缘层的注入损伤.
图2 各样品nMOSFET辐照前后的转移特性Fig.2 I2VcurvesofnMOSFETfabricatedoneachsamplesbeforeandafterradiation
图3给出了不同辐照剂量条件下注氮剂量与阈值电压漂移量的关系.可以看出,辐射剂量越低阈值电压漂移量越小;对于不同注N剂量的样品在相同的辐照剂量条件下,阈值电压漂移量也不同.在此注氧工艺条件下,对于两步退火工艺的样品,最佳注N
剂量是8×10
15cm-2
;对于一步退火工艺的样品,N
的最佳注入剂量是1×10
17cm-2
.比较图3(a)和(b)
可以知道,在相同辐照剂量下,两步退火工艺的样品阈值电压漂移量低于一步退火工艺的样品,而且都低于SIMOX样品.结合图2则可以很好地证明,在SIMOX中注入一定剂量的氮能够改善SOI材料的抗辐射性能.
SOI器件的总剂量效应中,三种Si/SiO2界面,即硅/(栅氧、埋氧和边缘场氧)中的界面态,以及埋氧都会俘获辐射产生的空穴.目前的实验表明,SiO
2
埋氧/衬底硅之间的下界面由于其界面陷阱密度较
SiO2埋氧/顶层硅的上界面陷阱密度大,所以从理论上说下界面俘获空穴多一些.但是,空穴俘获过程还与空穴俘获截面大小、界面势垒高度、空穴在界面处的能量等有关,所以是一个复杂的过程.SiO2中
0721第6期张恩霞等: 注氮工艺对SOI材料抗辐照性能的影响图3 不同辐照剂量条件下阈值电压漂移与注N剂量的关系(a)一步退火;(b)两步退火
Fig.3 Shiftofthethresholdvoltagechangeswithdif2ferentdosesofNimplantedundervarioustotalradia2tiondoses (a)One2stepannealing;(b)Two2stepan2nealing
俘获空穴主要是其中的空穴陷阱(如氧空位、E电子中心等缺陷),而SiO2/Si界面俘获空穴主要是界面缺陷(如Pb中心).它们对器件电特性的影响是有差别的,主要表现在E电子中心俘获辐射产生的空穴后,将导致正电荷的产生,从而引起nMOSFET
和pMOSFET阈电压的负向漂移.Pb中心俘获辐射产生的空穴后,由于Pb中心的两重性,可能导致界面处的正电荷(SiO2/n型硅)或负电荷(SiO2/p型硅)的积累,其结果将引起pMOSFET负向阈漂或nMOSFET的正向阈漂.因此,对pMOSFET而言,无论是SiO2俘获的空穴还是界面所俘获的空穴,都将引起阈电压VT的负向漂移,VT的总漂移(由二者之和决定)决定于俘获空穴多的一方.但对nMOSFET而言,由于界面态对VT的贡献是使其正向漂移,所以器件VT的总漂移方向取决于二者互补的结果.如果SiO2中俘获的空穴较多,总V
T
将负向漂移,如果俘获的空穴较少,总VT将正向漂
移.SiO2和界面中的陷阱俘获空穴越多,将越使SOI器件的抗辐射水平下降.对典型的SIMOX器件辐照时,由于埋层内存在高浓度的空穴陷阱,整个氧化埋层内辐照所产生的电子2空穴对中的空穴几乎在原位被俘获,而电子则被浅能级电子陷阱俘获并很快就被热激发,随后大多数热激发的电子被电场扫出氧化埋层.这样,埋层宏观上带正电,从而影响器件的正常使用性能.根据以往的研究,N离子注入SIMOX的隐埋氧化层后能产生大量电子陷阱[7].并且退火后,N离子与Si结合形成键能较大的Si—N键,替代了部分弱键[6].一方面,弱键被替代能够减低在电离辐射中产生的电子2空穴对,从而提高器件的抗辐射性能;另一方面,在电离辐射中,这些电子陷阱俘获电子后既可以作为复合中心吸引辐射产生的空穴,又可以补偿被空穴陷阱俘获的空穴,有助达到宏观电中性.它们还影响了埋层内电场,有利于辐照后产生的电子2空穴对的复合[8].因此,N离子的注入能提高SOI器件的抗辐照性能.另外,电离辐射在SiNx层中也会产生电子2空穴对,但基本上都被原位俘获[9],这样SiNx层保持宏观电中性,有利于器件抗辐射.但是,高剂量氮离子的注入对氧化埋层的结构产生影响,致密的SiO2原子网络会松弛,Si—O—Si键角变得更大.根据Mrstik的模型[9,10],这会使得更多的空穴俘获在氧化埋层内部,不利于器件的抗辐照性能.较低剂量氮离子的注入可以弥补埋层SiO2中的缺氧键,有利于提高材料的抗辐照性能.但如果采用一步退火工艺法注N加固SOI材料,所获得的SIMON材料中含有大量的缺陷,埋层的质量较差,不利于器件的漏电性能,更不能用于抗辐照加固的器件.由以上分析可知,较低剂量N离子的注入结合二步退火工艺是加固SOI材料的一种有效途径.4 结论以上的研究分析结果表明,采用适当的离子注入方式、适当的退火工艺将N离子引入SIMOX埋氧层,能够改善nMOSFET/SOI的漏电性能,减小辐照前后nMOSFET/SOI的阈值电压漂移.适当剂量的N离子注入有利于加固SIMOX器件的抗辐照性能,在相应的实验条件下,对于两步退火工艺而言,注氮的最佳剂量是8×1015cm-2;对于一步退火工艺,1×1017cm-2则是最佳注入剂量.总之,适当剂量的N离子注入,结合二步退火工艺是加固SI2MOX材料的一种有效途径,有较好的应用前景.