基于DCIV界面态表征技术的抗辐照SOI MOS器件界面调控机理研究

The existence of cosmic radiation in complicated space environment could induce the performance of the device and circuit degradation, even drastically failure. Total ionizing dose effect is one of the important radiation effects on SOI MOSFET devices due to the multi-interface of Si/SiO2. The improvement of radiation characters and reliability of SOI MOSFET devices has significant importance on the application of SOI devices and circuits in complicated space environment. Meanwhile, the research on Si/SiO2 interface regulation mechanism has great science significance. .The DCIV interface state measurement method is applied to analyze the front- and back- gate interface traps in this project. It is indicated that radiation, annealing and electrical stress affect the situation of interface state, including its density and distribution etc. In addition, different interface states of SOI devices with multi-structures were studied by DCIV interface state measurement to obtain the mechanism of generation and effect of interface traps. It is expected that the effective interface control methods could propose novel means to improve radiation characters and reliability of SOI MOSFET devices, resulting more application of SOI technology to aerospace chips.

复杂的空间辐射环境中存在大量宇宙射线，使集成电路中半导体器件特性及可靠性恶化，是影响航天器在轨稳定运行的主要原因。SOI MOS器件由于含有多个硅-二氧化硅界面，总剂量效应对其影响较为严重。我们不仅要了解总剂量效应使器件特性发生怎样的变化，更需要深入影响机理，研究器件中的多个硅-二氧化硅界面如何变化。.本研究基于DCIV界面态表征技术，对SOI MOS器件的多个硅-二氧化硅界面的界面态浓度及分布情况进行表征分析，并研究辐照、退火及电学应力等条件对多种界面态的影响，在此基础上结合仿真技术，研究多种精细结构器件的界面态，期望得到SOI MOS器件的界面态建立与衍变机理，从而提出对SOI MOS器件的多个硅-二氧化硅界面有效的调控方法。本课题希望能从界面调控的角度出发，在结构设计和工艺加工层面提出有效提高SOI MOS器件抗辐照特性和可靠性的加固方法，促进国内SOI技术在宇航芯片中的广泛应用。

SOI技术由于其单粒子免疫优势在航空航天应用中具有很大潜力，但是由于埋氧层的存在导致其总剂量效应显著，成为人们的研究热点。长期以来对于SOI CMOS器件抗辐照加固和可靠性提高的研究仅停留在对其基本特性曲线的相关分析的基础上，因而，我们希望通过引入对器件Si/SiO2界面态的分析研究，从一个新的层面研究如何通过调控界面来完成抗辐照加固和可靠性提高。通过本项目的研究，完成了通过DCIV界面态测试技术对SOI器件前、背栅界面态提取表征的工作，不仅可以获得等效界面态浓度和等效界面能级位置，还可以得到界面态在禁带中的“U”型分布曲线；揭示了总剂量效应、退火条件以及电应力引起的累计损伤对SOI器件前背栅界面态影响，发现界面态的退火响应与辐照剂量有关，对于低剂量辐照的样品，退火主要导致界面陷阱的建立，而对于高剂量辐照的样品，退火主要引起界面态的钝化。辐照后的退火过程同时伴随着界面态的建立和钝化，并且界面陷阱的钝化随着辐照剂量的增加而增强。最后，开展了不同工艺条件及结构参数的SOI MOS器件的界面态特性研究，探究了优化器件精细器件结构可以对器件损伤引入的界面态的进行一定程度的抑制或补偿，从而为扩展思路提出新的提高器件抗辐照特性和可靠性的加固方法奠定理论基础。