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纳米硅在SIMOX材料抗辐照加固中的应用研究

作　者: 钱聪
导　师: 张峰；张正选
学　校: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: SIMOX 硅离子注入纳米硅总剂量辐照效应 Pseudo-MOS
分类号: TN304.12
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

SOI材料以及SOI器件及有良好的抗单粒子效应和瞬间辐射的能力，但绝缘埋层的存在使得其抗总剂量能力受到限制。在埋层中注入硅离子被认为是一种有效的材料加固方法，这与注入产生的纳米晶硅电子陷阱有关。本文主要研究了离子注入形成的纳米硅在SIMOX材料抗辐照加固中的应用，主要包括两部分内容，一是在SIMOX材料中注入了一定剂量和能量的硅离子并退火，并用MOS器件（包括各种不同的栅结构）和pseudo-MOS两种方法研究了其总剂量辐照效应，并用MEDICI模拟了辐照偏置依赖关系。二是注入硅离子的热氧化物的物理研究，主要研究了纳米硅晶的形成、注入后氧化物的结构、缺陷与注入、退火参数的关系。研究了在经过硅离子注入加固SIMOX晶片上流片得到的、具有环栅、H型栅、条形栅等不同栅结构的部分耗尽NMOSFET／SIMOX器件，在三种不同偏置下的总剂量辐照效应。实验发现，加固器件的背栅阈值电压漂移和漏电流都比未加固的对比样品大为减小，特别是环栅和H型栅，加固效应非常明显。用亚阈电荷分离技术得到了辐照过程中氧化物固定电荷和界面态的变化量及其对阈值电压漂移的贡献，表明加固器件主要是通过减小辐照过程中氧化物净正电荷积累来抑制阈值电压负漂的。还利用Pseudo-MOS的方法研究了SIMOX材料的总剂量辐射效应，这种方法简便易行，证实了硅离子注入能降低辐照引起的阈值电压漂移以及氧化物电荷和界面态增加，提高材料的抗总剂量辐照能力。MEDICI模拟结果证实了背沟道阈值电压漂移与辐照的偏置状态有关。PG偏置是背栅的最劣偏置。研究了热氧化物中注入硅离子后的光致发光谱（PL）、X射线光电子能谱（XPS）、傅立叶红外谱（FTIR）和电子自旋共振谱（ESE）。PL谱研究验证了硅纳米团簇的存在，并证实了这一结构的形成是由于化学变化而非物理损伤引起，且纳米晶的尺寸随着注入剂量的增大而增大。硅纳米团簇能俘获电子，补偿辐照引起的氧化物中的正电荷积累，从而减小SOI器件的背栅阈值电压漂移。XPS研究得到了与硅的不同氧化态对应的化学结构随硅离子注入剂量、退火温度和退火时间的变化。研究表明增大注入剂量将提高纳米硅晶的含量。1000℃和1h的退火情况纳米硅晶的含量最大。FTIR谱研究表明增大注入剂量将导致SiO₂结构的减少，伸展频率的红移可以解释为注入Si原子取代O原子导致了O-Si-O键角的窄化以及Si-Si键的形成。ESR研究确定了不同注入能量和剂量样品的g因子和悬挂键密度，证实了经过退火的纳米Si-SiO₂体系的主要缺陷是P_b中心，即位于Si-SiO₂界面处的Si悬键。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-28
  1.1 SOI技术的主要优点和面临的挑战  11-15
    1.1.1 SOI的发展历程  11-12
    1.1.2 SOI材料制备技术  12
    1.1.3 基于SOI技术的MOSFET的结构  12-14
    1.1.4 SOI的主要优点  14-15
  1.2 MOSFET/SOI器件的总剂量辐照效应  15-22
    1.2.1 SOI器件总剂量辐射效应机理  15-18
    1.2.2 氧化绝缘埋层  18-19
    1.2.3 PD器件的泄漏电流  19-20
    1.2.4 FD器件的耦合效应  20
    1.2.5 偏置依赖关系  20-21
    1.2.6 SOI抗总剂量辐照加固  21-22
  1.3 SOI技术的国外最新研究进展  22-26
    1.3.1 国际进展  22-24
    1.3.2 国内进展  24-26
  1.4 本论文的意义和主要内容  26-28
第二章 SIMOX中注Si形成的纳米晶的研究进展  28-42
  2.1 纳米晶硅的形成和表征  28-30
    2.1.1 纳米晶硅的形成与注入参量的关系  28
    2.1.2 注入形成的缺陷表征  28-30
  2.2 注入形成纳米晶硅在抗辐照加固中的作用机理综述  30-38
    2.2.1 产生电子陷阱补偿空穴俘获  30-31
    2.2.2 减少空穴/质子在界面处的俘获,减小对平带/阈值电压的影响(实验)  31-35
    2.2.3 减少空穴/质子在界面处的俘获,减小对平带/阈值电压的影响(理论分析)  35-38
  2.3 纳米晶硅抗辐照加固、存储器和光电子方面的应用  38-42
    2.3.1 进一步增强SOI的抗辐照能力  38-39
    2.3.2 含纳米晶硅的MOS结构应用于存储器件  39-41
    2.3.3 含纳米晶硅的SiO_2结构在光电子方面的应用  41-42
第三章热氧化SiO_2中注入产生纳米晶硅的光致发光谱研究  42-56
  3.1 引言  42-46
    3.1.1 硅纳米晶光致发光的原理  42-43
    3.1.2 SiO_2中Si纳米晶的PL和结构的关系  43-46
    3.1.3 通过PL研究SiO_2中注入产生的Si纳米晶减少氧化物空穴陷阱的机理  46
  3.2 光致发光谱(PL)实验  46-49
    3.2.1 氧化片的准备  46-47
    3.2.2 原子力显微镜观测  47-48
    3.2.3 PL实验  48-49
  3.3 结果与讨论  49-55
    3.3.1 PL谱与注入离子种类的关系  49-51
    3.3.2 PL谱与硅离子注入剂量的关系  51-52
    3.3.3 PL谱与硅离子注入能量的关系  52
    3.3.4 PL谱与退火时间的关系  52-53
    3.3.5 PL谱与退火温度的关系  53-55
  3.4 小结  55-56
第四章热氧化SiO_2中注入产生纳米晶硅的其他研究  56-68
  4.1 引言  56-59
    4.1.1 物理研究方法  56-57
    4.1.2 物理研究进展  57-59
  4.2 实验  59-60
    4.2.1 XPS的实验  59
    4.2.2 FTIR的实验  59
    4.2.3 ESR的实验  59-60
  4.3 XPS的实验结果与讨论  60-62
    4.3.1 XPS谱与硅离子注入剂量的关系  60-61
    4.3.2 XPS谱与退火时间的关系  61-62
    4.3.3 XPS谱与退火温度的关系  62
  4.4 FTIR的实验结果与讨论  62-63
  4.5 ESR的实验结果与讨论  63-66
  4.6 热氧化片的辐照实验分析  66-67
  4.7 小结  67-68
第五章离子注入形成的纳米硅在NMOS/SOI抗辐照加固中的应用  68-94
  5.1 引言  68-69
  5.2 X-射线总剂量辐照实验  69-72
    5.2.1 SOI片的辐照前处理  69
    5.2.2 SOI/NMOSFET器件结构的选择  69-71
    5.2.3 X-射线总剂量辐照实验  71-72
  5.3 背栅特性  72-81
    5.3.1 环栅结构的背栅特性  72-75
    5.3.2 H型栅结构的背栅特性  75-77
    5.3.3 背栅特性曲线的拟合  77-79
    5.3.4 其他栅结构的背栅特性  79-81
  5.4 正栅特性  81-87
    5.4.1 环栅结构的正栅特性  81-84
    5.4.2 H型栅结构的正栅特性  84-86
    5.4.3 其他栅结构的正栅特性  86-87
  5.5 氧化物电荷和界面态与总剂量辐照的关系  87-90
    5.5.1 H型栅结构的氧化物电荷、界面态的分析  87-89
    5.5.2 环栅结构的氧化物电荷、界面态的分析  89-90
  5.6 Co-60γ射线总剂量辐照实验和结果讨论  90-93
  5.7 小结  93-94
第六章 Pseudo-MOS方法研究离子注入加固SIMOX材料的总剂量辐照效应  94-100
  6.1 原理  94-95
  6.2 实验  95-96
  6.3 结果与讨论  96-99
  6.4 小结  99-100
第七章 SOI器件的总剂量辐照效应模拟研究  100-103
  7.1 电荷俘获模型的建立  100-101
  7.2 MEDICI模拟  101-102
  7.3 小结  102-103
第八章结论  103-106
  8.1 全文结论  103-104
  8.2 主要创新点  104
  8.3 今后研究的展望和建议  104-106
参考文献  106-113
攻读博士学位期间发表的论文  113-115
致谢  115-116
个人简历  116-117

纳米硅在SIMOX材料抗辐照加固中的应用研究

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