离子注入改性SOI材料总剂量辐射退火效应和机理研究

基于绝缘体上硅(SOI)的CMOS电路具有天然的抗单粒子优势,但绝缘埋层的存在使得其总剂量效应尤为突出和复杂。本文研究了利用离子注入改性SOI材料的总剂量辐射和退火效应、基于赝MOS技术的SOI材料辐射效应评估技术和离子注入改性提高SOI材料抗辐射性能的机理。实验结果表明,采用该技术制备的绝缘体上硅材料抗总剂量能力达到1Mrad(Si);离子注入改性SOI材料在经过室温和高温退火后,辐射导致的固定电荷和界面态可以完全恢复;离子注入和高温退火在二氧化硅薄膜中形成硅纳米团簇结构,从而引入深电子陷阱,补偿总剂量辐射引起的绝缘埋层中的空穴积累。     

Pseudo-MOS晶体管和nMOS晶体管评估SOI材料抗总剂量辐射能力的比较

本文用辐射加固和未加固的SIMOX(注氧隔离)SOI(绝缘体上硅)材料制作了Pseudo-MOS晶体管和nMOS晶体管,并进行了X射线总剂量辐射实验。结果表明加固工艺能有效提高SIMOXSOI材料的抗总剂量辐射能力,同时也表明Pseudo-MOS晶体管能有效的替代nMOS晶体管对SOI材料的抗总剂量辐射能力进行评估。     

部分耗尽环栅CMOS/SOI总剂量辐射效应研究

采用硅离子注入工艺对注氧隔离(SIMOX)材料进行改性,在改性材料和标准SIMOX材料上制作了部分耗尽环型栅CMOS/SOI反相器,并对其进行60Co γ射线总剂量辐照试验.结果表明,受到同样总剂量辐射后,改性材料制作的反相器与标准SIMOX材料制作的反相器相比,转换电压漂移小的多,亚阈漏电也得到明显改善,具有较高的抗总剂量辐射水平.     

注硅工艺对UNIBOND SOI材料抗辐照性能的影响

SOI材料天然具有抗瞬时辐射的能力，而通过特定的改性处理后，SOI的抗总剂量能力也可以得到大幅度的提高。SOI材料主流的制备方法包括SIMOX（注氧隔离方法）和UNIBOND SOI（智能剥离方法制备）。在SIMOX SOI的抗辐射加固领域，采用氮离子注入、氮氧共注入以及硅离子注入的方法都曾取得过很有效的结果。采用硅离子注入的方法对UNIBOND SOI进行了抗总剂量加固。采用P-MOS的表征方法对加固前后的样品进行了比较和分析，在HP-4155B半导体测试仪上得到的I-V曲线和提取的参数表明，注入的离子有效地减少了埋层中积累的正电荷得，圆片抗总剂量能力得到了大幅度提高。初步的理论分析表明是注入的硅离子形成的纳米团簇起到了俘获正电荷的作用。     

注氮、注氟SIMOX/NMOS器件辐射加固性能

本文对注N、注F的SIMOX/NMOSFET器件的抗辐射特性进行了研究,发现两者都能减少埋氧层及其界面的空穴陷阱,对辐射加固有所改善,特别是对大剂量辐射的加固更为明显.总体来说,在此能量下,离子注入剂量越大,加固越好.由于注入的剂量对片子本身的阈值电压有很大影响,所以选择对于器件初始特性影响较小的剂量及能量非常重要.     

Pseudo-MOS方法表征SIMOX SOI材料总剂量辐照效应

为了缩短SOI材料的改性研究周期,利用pseudo-MOS方法研究了SIMOX SOI材料的总剂量辐照效应.试验采用硅注入绝缘埋层后退火得到改性的SIMOX SOI材料,通过对比改性前后样品在辐照前后的pseudo-MOSFET ID-VG特性曲线,分析改性工艺的影响.研究结果表明,合适的改性工艺能有效提高材料抗总剂量辐照效应的能力,pseudo-MOS方法在大大缩短SOI材料改性周期的基础上,能准确、快捷地对材料的总剂量辐照效应进行表征.     

用于半导体加工的电子帘技术

本文描述了一种对离子注入半导体进行均匀大面积退火用的矩形截面电子束——电子帘。用此电子帘对注入能量为100keV,注入剂量为10~(15)cm~(-2)的注P~+硅样品,以及能量为40keV的注B~+硅样品进行连续电子束退火。经椭圆偏振参数测量、范得堡霍耳测量以及微分薄层电阻测量,表明退火过程中无杂质再分布,注入杂质的激活率比热退火样品的高,但霍耳迁移率略低些。     

离子注入在1.3μm面发射激光器结构中的应用

研究了H 离子注入对InP材料和1.3μm面发射激光器结构的电学、光学性能的影响.当离子注入后InP表面电学特性退化,在300℃以上退火后,材料表面回复较好,H 离子注入区电阻率约为InP体材料的104倍.接着,将离子注入工艺应用于1.3μm面发射激光器结构电流限制孔径的制作,通过比较电学特性得出450℃的最佳退火温度,并发现高温退火后电致发光强度增强.     

硅纳米晶微观结构缺陷的高分辨电子显微学研究

利用离子注入结合后续高温退火的方法成功地制备出包埋在二氧化硅(SiO_2)基质中的硅纳米晶.利用透射电子显微学对所制备的硅纳米晶(离子注入浓度为3×10~(17)cm~(-2))的微观结构缺陷进行了详细的研究.通过高分辨像分析发现:较大的纳米晶(直径＞6nm)中存在很多面缺陷,主要为孪晶与层错.孪晶包括一次孪晶、二重孪晶、三重孪晶及五重孪晶.层错分为内禀和外禀两种类型,并讨论了内禀层错占多数的原因.除了面缺陷以外,还有一部分纳米晶中存在位错.     

氧化增强注氧隔离工艺制备绝缘体上的硅锗

提出一种氧化增强注氧隔离工艺,在退火前氧化得到SiO2层,再进行高温退火得到绝缘体上的硅锗材料.经X射线摇摆曲线和拉曼测试发现所制备的绝缘体上的SiGe材料锗含量没有发生损失,且应变弛豫完全.透射电镜和二次离子质谱分析结果显示样品多层结构清晰,埋氧层质量完好、平整度高、无不连续、无硅岛.研究表明,氧化增加工艺的引入是绝缘体上的硅锗材料锗质量提高的关键.     

氢氧复合注入对SOI-SIMOX埋层结构影响的研究

实验研究了氢、氧复合注入对注氧隔离技术制备SOI（Silicon On Insulator)材料埋层结构的影响。用截面透射电子显微镜和二次离子质谱技术分析了退火前后材料的微结构变化。研究表明，氢离子的注入有利于注氧隔离制备的SOI材料埋层的增宽。进一步的结果表明，室温氢离子注入导致的增宽效应比高温注入明显。     

低剂量 SIMOX圆片线缺陷和针孔的研究

用Secco法、Cu-plating法分别表征了低剂量SIMOX圆片顶层硅线缺陷、埋层的针孔密度。结果显示,低剂量SIMOX圆片的顶层硅缺陷密度低,但埋层质量稍差。通过注入工艺和退火过程的进一步优化,低剂量SIMOX将是一种有前途的SOI材料制备工艺。     

Low-dose SIMOX wafers for LSIs fabricated with internal-thermal-oxidation (ITOX) process: electrical characterization

Electrical performance of separation by implanted oxygen (SIMOX) wafers manufactured by internal-thermal-oxidation (ITOX) process was evaluated. Breakdown behaviour of the buried oxide (BOX) layer was confirmed quantitatively to be dominated by Si islands therein, which were found to be reduced in size or eliminated by the ITOX process. By optimizing the oxygen dose and ITOX amount, a BOX breakdown field of about 8 MV/cm, comparable to those of thermally-grown oxide, was attained. The gate oxide integrity on an ITOX-SIMOX wafer was found to be superior to that of bulk Si wafers, indicating the wafer surface was improved by the high temperature annealing.     

超薄SIMOX材料的Pseudo-MOSFET电学表征

介绍了一种表征SOI材料电学性质的手段,并对三种不同顶层硅厚度的SIMOX材料进行测试、提取参数,分析材料制备工艺对性能产生的影响。研究结果表明,标准SIMOX材料通过顶层硅膜氧化、腐蚀等减薄工艺制得的顶层硅厚度小于100nm的超薄SIMOX材料,其顶层硅与BOX层界面有更多的缺陷,会影响到在顶层硅膜上制得的器件的性能,引起NMOSFET的阈值电压升高、载流子迁移率降低。Pseudo-MOSFET方法能够在晶圆水平上快捷有效地表征超薄SIMOX材料的电学性质。     

Comparison of ordered structure in buried oxide layers in high-dose, low-dose, and internal-thermal-oxidation separation-by-implanted-oxygen wafers

The ordered SiO₂ in the buried oxide (BOX) layer of high-dose, low-dose, and internal-thermal-oxidation (ITOX) separation-by-implanted-oxygen (SIMOX) wafers was investigated by X-ray diffraction. From the results, it was found that the SiO₂ molecules in the low-dose and ITOX SIMOX wafers are better ordered than those in the high-dose SIMOX wafer and that the ordered structure of the ITOX layer is different from that of the originally formed BOX layer, suggesting that the ITOX layer has a structure similar to that of the ordered SiO₂ in the thermal oxide layer.     

低能低剂量注水形成SOI结构材料的研究

采用无质量分析器的离子注入机，以低能量低剂量注水的方式替代常规SIMOX注氧制备SOI材料，测试结果表明，此技术成功地制备了界面陡峭，平整，表层硅单晶质量好的SOI结构材料，在剂量一定的条件下，研究不同注入能量对SOI结构形成的影响，使用剖面透射电镜技术（XTEM）和二次离子质谱技术（SIMS）等测试方法对注入样品和退火后样品进行分析，结果表明，表层硅厚度随注入能量增大不断增大；埋层二氧化硅厚度相对独立，仅在超低能（50keV)低剂量情况下厚度出现明显降低；埋层质量（包括界面平整度，硅岛密度等）与注入能量变化相关。     

抗辐照 H型栅 PD SOI NMOSFETs

在商用SIMOX衬底上制备了部分耗尽抗辐照H型栅NMOSFETs,使用的主要技术手段有：氮化H2-O2合成栅介质加固正栅;增加体区掺杂,以提高背栅阈值电压;采用H型栅结构,消除边缘寄生晶体管。结果表明,在经受1E6rad(Si)的辐照后,器件特性没有明显恶化。     

Effect of annealing conditions on the formation of low-dose SIMOX structures implanted at 190 keV

The structure of low-dose SIMOX wafers as a function of annealing conditions has been studied using TEM. A set of samples were implanted at 190 keV with doses of 0.5, 0.83 and 1.8 × 10¹⁸cm^-2} oxygen followed by annealing treatment at different ramp rates (1^~ Cmin^-1 or 5^~ Cmin^-1), temperatures (1310 °C or 1350 °C), and holding times (0 or 5 h). The results show that a higher annealing temperature (1350 °C) with a longer holding time improves the quality of the top Si layers and the smoothness of the interfaces in low-dose SIMOX wafers. A slow thermal ramp rate results in sharp interfaces but leads to a high density of Si islands in the buried oxide (BOX) layer. Chemical etching experiment performed on the top Si layer of a low-dose SIMOX shows pipeline structure indicating the inhomogeneous chemical reactivity of the top Si layer. © 2001 Kluwer Academic Publishers     

SOI技术的新进展

通过对最近两次SOI国际会议的分析,综述了SOI技术取得的新进展。三种SOI技术SIMOX,Smart-cut和BESOI已走向商业化,在高温与辐射环境下工作的SOI电路也走向了市场。近来人们更加重视SOI技术,是因为SOI在实现低压、低功耗电路上的突出优越性。