注氧SOI上制作的CMOS器件的总剂量特性分析

研究了用注入掩埋氧化物的绝缘体上的硅(SOI)作衬底、并经不同的注入后退火处理而制作的CMOS器件的总剂量特性。所测量到的正面沟道SOI/CMOS器件的阈值电压漂移、亚阈值电压斜率衰减和迁移率衰减情况,与采用相同办法制作的体器件的这些参数的变化情况是一样的。 只要不影响正沟道晶体管性能,加负衬偏可降低背面沟道的阈值电压漂移。在目前采用的工艺条件下,正沟道器件的辐照性能与注入氧后的退火温度无关。辐照时,在硅/隐埋氧化物界面上氧的沉积会促进背沟器件界面态的产生。     

SIMOX上外延层的TEM研究

氧注入隔离(SIMOX:Separation by IMplanted OXygen)是绝缘层上形成单晶硅(SOI:Silicon onInsulator)结构的最有前途的技术。制备工艺简单,可获得绝缘层上高质量的单晶硅膜。由于SIMOX衬底与体材料硅相比有许多潜在的优点,如有较高的开关速度、较强的抗辐照能力和避免闭锁效应等,正受到人们越来越多的关注。SIMOX衬底上分子束外延生长GaAs或Si/Ge_(0.5)Si_(0.5)应变层超晶格薄膜,具有异质外延材料和SIMOX的全部优点。可把GaAs光电器件和硅集成电路集成在一块芯片上。SIMOX中氧化物埋层由氧离子注入单晶硅形成,注入能量为200kev,剂量为1.8×10~_(18)/cm~2。注入后试样在1300C干氮气氛中退火6小时,然后在SIMOX     

氮离子注入形成SOI结构的外延研究

用大束流(50μA/cm~2)、高剂量(1.8×10~(18)/cm~2)的190keV N~+注入Si〈100〉中,然后在SiO_2覆盖保护下于1220℃退火二小时形成SOI结构.为了增加SOI材料上层单晶Si的厚度以应用于器件制作,将退火得到的SOI样品经化学处理后作外延生长.外延后获得的SOI材料,上层单晶Si厚度为0.8-1.0μm;Si_3N_4埋层的厚度为2800A;上、下Si-Si_3N_4界面陡峭.测试分析结果表明,利用N~+注入与气相外延生长能获得质量好的SOI材料.     

Si-SiGe-Si异质结双极晶体管的数字模拟

报道了Si-SiGe-Si异质结双极晶体管的数字模拟结果。采用有限差分法解半导体器件的载流子输运方程,求出各点上的载流子浓度及其电位,由此可确定器件的直流特性。器件的发射区掺杂浓度为1.4×10~(17)cm~(-3),基区掺杂浓度为7×10~(18)cm~(-3),SiGe基区中Ge摩尔含量为0.31,模拟得到的最高电流增益为390。数字模拟得到的晶体管特性曲线与实验结果符合良好。     

硅中离子注入层的红外瞬态退火及其浅结的制备

本文研究了硅中离子注入层的红外瞬态退火.对于注As~+和注B~+样品的测试表明,红外瞬态退火具有电激活率高、缺陷消除彻底和注入杂质再分布小等优点.对于注入剂量为1×10~(15)As~+cm~(-2)的样品和3.6×10~(14)B~+cm~(-2)的样品,经红外瞬态退火后电激活率分别达到了90%和95%.用红外瞬态退火样品制作的台面管的反向漏电流,在相同的测试条件下,只是常规热退火样品的一半左右.对于通过650(?)SiO_2膜,25keV、5×10~(14)cm~(-2)剂量的硼离子注入样品,经红外瞬态退火后得到了结深分0.20μm的浅结.     

为SIMOX SOI结构的硅膜和二氧化硅埋层厚度模型

本文提出了一个为SIMOX SOI结构的硅膜和二氧化硅埋层厚度解析模型,适用于0.7—2.0 ×10~(18)cm~(-2)剂量范围和50—300keV能量范围,模型与实验测量在大剂量和低能量情况下仍附合较好。本模型对SIMOX工艺优化设计和发展VLSI TCAD具有参考价值,同时给出了在常规氧注入能量(如150keV)下用增大剂量方法制备TF SOI结构的理论依据。     

GaAs快速退火:激活率的均匀性及其与温度的关系

在2in和3in的SI-GaAs衬底上进行Si、Be、Mg等离子注入,用商用炉进行快速热退火,并用扫描微波光电导、C-V曲线及Hall测试等方法研究了注入层激活率的均匀性。结果表明:快速退火的衬底,其低剂量(3～4×10~(12)cm~(-2))的载流子寿命和迁移率以及高剂量(1×10~(-5)cm~(-2))的载流子浓度可以与热退火的相比或优于热退火的结果。用两种退火方法所得到的这些参数的均匀性没有明显的差别。还研究了两种退火方式对注入层中的损伤消除及载流子激活与温度的关系。对于施主注入,微波光电导技术给出的结果分别与背散射和电学测试所得的结果密切相关。     

半绝缘InP注硅的无包封退火

掺Fe半绝缘 InP材料室温下注入Si~+,在 650℃无包封退火15 min,辐射损伤已可消除;但是Si的充分电激活则需要较高的退火温度.无包封下即使在 750℃退火 30 min,样品表面貌相也未被破坏.用能量E=150keV注入Si~+、剂量φ为1× 10~(13)、5 × 10~(13)和1×10~(14)cm~(-2)的样品.在750℃无包封退火15min,最高载流子浓度n_s分别是8×10~(13)、3.9×10~(13)和 6.3 ×10~(13)cm~(-2),其中φ为 1×10~(13)cm~(-2)的样品,霍耳迁移率μ_n为 2100 cm~2/V·scc.     

氧离子和氮离子共注入硅形成SOI结构的俄歇能谱研究

本文中研究了O~+(200keV,1.8 ×10~(18)cm~(-2))和 N~+(180keV,4 ×10~(17)cm~(-2))共注入Si形成 SOI(Silicon on Insulator)结构的界面及埋层的微观结构.俄歇能谱(AES)和光电子能谱(XPS)的测量和研究结果表明:O~+和N~+共注入的SOI结构在经1200℃,2h退火后,O~+和N~+共注入所形成的绝缘埋层是由SiO_2相和不饱和氧化硅态组成;在氧化硅埋层的两侧形成氮氧化硅薄层;表面硅-埋层的界面和埋层-体硅的界面的化学结构无明显差异.这些结果与红外吸收和离子背散射谱的分析结果相一致.对这种SOI结构界面与埋层的形成特征进行了分析讨论。     

注氮硅的光学性质

用红外吸收光谱、拉曼光谱、反射光谱、椭偏光法等研究了注氮硅的光学性质.注入条件为(1×10~(14)-1×10~(17))N·cm~(-2),70keV.研究结果表明:氮的电激活率很低,这与氮-硅原子间的络合以及残留的注入损伤有关.当注氮剂量≥1×10~(16)N·cm~(-2)时,实验结果表明,形成了无定形 Si_3N_4或硅氮络合物颗粒团.与此相联系,氮经热处理后不易产生外扩散.800℃,1小时退火,损伤也不易消除.注氮剂量约为1×10~6 N·cm~(-12)时,注入层的损伤纵向分布具有如下特征:表面层有一层很薄的紊乱区,之后有一轻损伤区,最后为饱和损伤区.在饱和损伤区与衬底之间存在较陡的边界.     

B~+、P~+离子注入p-Si中产生的缺陷及其退火特性的DLTS研究

本文利用沟道背散射分析技术、剖面透射电子显微镜(XTEM)等对150keV As~+沿〈100〉沟道方向注入硅的基本特征和临界条件进行了分析测试.剂量达到1×10~(14)/cm~2时,浅注入区(0-0.2μm)晶格损伤严重,导致沟道注入效应基本消失.沟道深注入区(0.2-0.6μm)形成均匀的轻度损伤.常规退火后,沟道深注入区内的载流子浓度一般不超过2×10~(17)/cm~3,本文称之为沟道注入饱和浓度.还发现沟道注入造成的非晶层比相同剂量下随机注入造成的非晶层略厚一些.退火后残留的二次缺陷仍在原重损伤层与衬底之间的过渡区.     

半绝缘InP中Si~++P~+双注入的电学特性

研究了在200℃热靶条件下经Si~+单注入和S~++P~+双注入的半绝缘InP常规热退火和快速热退火后的电学特性。热退火后,双注入样品中的电学性能优于单注入样品。采用快速热退火后,双注入的效果更加显著。Si~+150keV,5×10~(14)cm~(-2)+P~+160keV,5×10~(14)cm~(-2)双注入样品经850℃、5秒快速效退火后,最高载流子浓度达2.6×10~(19)cm~(-3),平均迁移率为890cm~2/V·s。     

Si~+注入GaAs红外快速退火实验研究

本文研究了GaAs MESFET有源层和n~+层Si~+注入的红外快速退火行为。用该技术获得的有源层和n~+层的载流子浓度与迁移率分别为1～2×10~(17)cm~3和3000～3500cm~2/V·s以及1～2×10~(18)cm~(-3)和1500cm~2/V·s,制成的单栅FET每毫米栅宽跨导为120mS,在4GHz下,NF=1.1dBGa=12.5dB。实验证实了快速退火比常规炉子热退火具有注入杂质再分布效应弱和对衬底材料热稳定性要求低的优点。对两种退火的差别在文中也作了讨论。     

形成SOI结构的ELO技术研究

本文研究了在常压外延系统中,利用 SiCl_4/H_2/Br_2体系在SiO_2上外延横向生长(ELO)单晶硅技术.比较了Br_2和HCl对硅的腐蚀速率,发现前者对娃的腐蚀速率约比后者慢一个数量级,指出Br_2的引入有着重要意义.给出了Br_2和H_2对Si和SiO_2的腐蚀速率曲线,讨论了外延横向生长速率对SOI结构的材料表面形貌的影响.在该 SOI膜上制造了 MOS/SOI器件,其N沟最大电子迁移率为360cm~2/V.s(沟道掺杂浓度为 1×10~(16)/cm~3),源-漏截止电流为 9.4×10~(-10)A/μm.     

用光声谱法研究硅单晶中~(31)P~+离子注入

本文报道用光声谱法在近红外波段研究硅单晶中~(31)P~+离子注入效应,得到了注入剂量为10~(12)cm~(-2)-10~(15)cm~(-2)范围内的光声信号幅值随注入剂量变化的关系.对于先经退火后进行离子注入的样品,其剂量低到 5×10~(11)cm~(-2)的离子注入效应也能被检测到.在1×10~(12)-5 × 10~(13)cm~(-2)低剂量范围内,光声信号明显地随注入剂量而增加.因此,光声谱法是研究离子注入造成的晶格损伤的有效手段,有希望发展成为硅中离子注入剂量的无接触、快速、非破坏性的测量方法.     

快速热退火离子注入硅时的磷扩散

研究了快速热退火时离子注入硅中磷的扩散。我们依靠注入的剂量发现了两种截然不同的扩散行为。低剂量(1×10~(14)cm~(-2))P~+注入硅发现有一个剖面再分布,该再分布在900℃温度下退火10秒钟即可观察到,但在800～1150℃温度范围与温度无关。这个初给再分布比起通常的扩散系数数质所预计的要快得多。高剂量(2×10~(15)cm~(-2))P~+注入硅经短时(10秒)退火后掺杂剂分布的变宽现象与温度有密切关系,其实验分布与浓度增强扩散分布是一致的。     

砷化镓中的硒注入

研究了400千电子伏的硒离子以3×10~(12)～2×10~(15)/厘米~2的剂量注入掺铬的半绝缘GaAs衬底中,并在800～1000℃的温度之间退火时,注入层的载流子浓度和迁移率的分布与剂量和退火温度的关系。退火中用溅射的氮氧化铝和氮化硅薄膜作为保护注入表面的密封剂。当沿随机方向或沿{110}面方向注入时,其载流子分布均呈现出“深尾”。业已发现,当注入剂量超过1×10~(14)/厘米~2时,为得到较高的载流子浓度和迁移率,退火温度不得低于900℃。用氮氧化铝膜密封的样品与用Si_3N_4膜密封的相比,载流子浓度要高2到3倍,且迁移率也略微高一些。用氮氧化铝薄膜作密封剂时,得到的最大载流子浓度大约是4×10~(18)/厘米~2。     

采用P^＋共同注入改进SI—GaAs Si^＋注入层的电特性

在SI—GaAs Si~+注入层中共同注入P~+可以改进注入层的电特性。P~+的共同注入提高了注入层的激活率和平均霍耳迁移率。对于Si~+注入的剂量和能量分别为4×10~(12)cm~(-2)/30keV+5×10~(12)cm~(-2)/130keV的样品,得到了激活率为75～85％,平均霍耳迁移率为4600～4700cm~2/Vs的结果。另一方面,P~+注入改进了有源层与衬底的界面特性。肖特基势垒技术测量表明,P~+共同注入的样品表现出更好的迁移率分布。深能级瞬态谱(DLTS)测量表明,P~+共同注入降低了激活层中的深能级密度。     

一种注入增强型快速SOI-LIGBT新结构研究

薄顶层硅SOI(Silicon on Insulator)横向绝缘栅双极型晶体管(Lateral Insulated-Gate Bipolar Transistor,LIGBT)的正向饱和电压较高,引入旨在减小关断态拖尾电流的集电极短路结构后,正向饱和电压进一步增大。提出了一种注入增强型(Injection Enhancement,IE)快速LIGBT新结构器件(F-IE-LIGBT),并对其工作机理进行了理论分析和模拟仿真验证。该新结构F-IE-LIGBT器件整体构建在薄顶层硅SOI衬底材料上,其集电极采用注入增强结构和电势控制结构设计。器件及电路联合模拟仿真说明:新结构F-IE-LIGBT器件在获得较小正向饱和电压的同时,减小了关断拖尾电流,实现了快速关断特性。新结构F-IE-LIGBT器件非常适用于SOI基高压功率集成电路。     

超深亚微米SOI总剂量效应泄漏电流模型

总剂量辐射效应会导致绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SOI MOSFET)器件的阈值电压漂移、泄漏电流增大等退化特性。浅沟槽隔离(STI)漏电是器件退化的主要因素,会形成漏极到源极的寄生晶体管。针对130 nm部分耗尽(PD) SOI NMOSFET器件的总剂量辐射退化特性,建立了一个包含总剂量辐射效应的通用模拟电路仿真器(SPICE)模型。在BSIM SOI标准工艺集约模型的基础上,增加了STI寄生晶体管泄漏电流模型,并考虑了辐射陷阱电荷引起寄生晶体管的等效栅宽和栅氧厚度的变化。通过与不同漏压下、不同宽长比的器件退化特性的实验结果对比,该模型能够准确反映器件辐射前后的漏电流特性变化,为器件的抗辐射设计提供参考依据。