抗辐射SOI材料中的嵌入式硅纳米晶特性研究

SOI技术实现了晶体管间的全介质隔离，使SOI器件及电路的抗单粒子辐射能力和抗剂量率辐射能力相比体硅技术有了极大幅度的提高。但SOI材料绝缘埋层的存在使SOI电路的抗总剂量辐射能力成为薄弱环节，难以满足下一代长寿命、高可靠卫星的要求。本项目针对上述问题，通过在各类SOI材料的埋氧层中引入嵌入式硅纳米晶，制备出抗总剂量加固的SOI材料，重点研究嵌入式硅纳米晶的形成机理、界面特性、电荷陷阱作用机制及其与相关工艺方法和参数的关系，掌握其对SOI材料电学特性和辐射性能的作用机制，并利用Pseudo-MOS器件和MOS器件进行流片测试和验证。通过对埋氧层中嵌入式硅纳米晶各类特性的综合理解，在大幅提升SOI器件抗总剂量辐射能力的前提下，解决其对SOI器件电学特性的微扰问题，推动抗辐射SOI材料的工程化应用，为国产高性能高可靠的SOI抗辐射集成电路的实现打下基础。

SOI技术在抗辐射领域应用所需解决的关键问题之一就是对SOI材料的BOX层进行加固以增强SOI器件的抗总剂量辐射能力。本课题结合目前SOI技术向超深亚微米尺度发展的趋势，对SOI材料的总剂量辐射加固机理和加固技术进行了较为系统的研究，推动了抗辐射SOI材料的工程化应用，为高性能SOI抗辐射集成电路的实现打下材料基础。. 本课题采用离子注入结合高温退火技术对SOI材料进行总剂量辐射加固，采用XPS、PL谱、TEM、XRD等材料分析表征手段，对加固材料的BOX层特性进行了研究，并采用Pseudo-MOS器件和MOS器件对加固SOI材料进行了电学性能表征和抗总剂量辐射能力评估。研究结果表明本课题开发的特殊工艺能在SOI材料的BOX层中引入Si纳米晶体，它能够在BOX层中产生电子陷阱并俘获电子，从而降低材料BOX层在总剂量辐射过程中俘获的净正电荷的数量及其质心的位置。同时，器件测试结果表明加固SOI材料/器件的常规电学特性未受影响，且抗总剂量辐射能力达到1Mrad（Si），为国际先进水平。