无背栅 SOI MOS 器件研制及其抗总剂量辐射效应机理研究

Aiming at the urgent demand on aviation application for radiation hardened IC and focusing on bottleneck of radiation hardened SOI devices and circuits, we originally propose the back-gate free SOI device. Novel SOI substrates were fabricated by ion-cut layer transfer technology. Cavities were embeded in BOX layer to remove SiO2 under the channel regions of SOI NMOSFETs so that the sensitive area of total dose radiation was completely removed. Compared to the conventional hardening mothods, back-gate free SOI devices provide a more direct way to cut off the source of total dose effect and achieve complete immunity to total dose effect. The goal of this work is to make back-gate free SOI devices which has no response to total dose radiation effect under common dose (100Krad(Si)-1Mrad(Si)), to study on the mechanism of its total dose radiation hardness, and to provide a brand new method for radiation hardened SOI devices and circuits.

本项目面向我国航空航天抗辐射集成电路应用的迫切需求，针对抗辐射加固SOI器件与电路的短板问题，提出原创性的“无背栅（back-gate free）”SOI器件结构，采用离子注入/剥离层转移技术制备SOI衬底材料，并在埋氧化层（BOX）层中嵌入空腔，使SOI NMOS器件沟道下方无二氧化硅，彻底消除SOI NMOS器件总剂量辐射效应敏感区。传统的加固方法犹如“打针吃药”，以起到“预防免疫”的作用，而无背栅SOI器件则通过“微创手术”，实现“根除病灶”，使SOI器件对BOX层总剂量效应彻底“免疫”。本项目目标为研制出常用总剂量范围下（100Krad（Si）-1Mrad（Si））对总剂量辐射 “零响应”的无背栅SOI器件，并研究其抗辐射机理，为我国抗辐射加固SOI器件与电路提供全新技术路径。

在航空航天环境、核工业环境和部分医疗环境中存在着大量高能射线，它们可以使集成电路因电离辐射效应而失效，导致关键电子系统的运行失常甚至损坏。绝缘体上硅（SOI）技术是最重要的抗辐射集成电路技术，其埋氧层可以隔绝单粒子辐射和瞬态辐射效应产生的瞬态电流。但埋氧层会引入额外的总剂量效应，使MOSFET器件性能逐渐恶化并失效。目前常用的SOI加固技术有：提高埋氧层质量，减少埋氧层中缺陷密度；在埋氧层中注入硅离子，形成正电荷陷阱，来抵消总剂量辐射造成的影响。上述方法都只能在一定程度上缓解SOI器件的总剂量效应，无法从根本上解决这个问题。 . 本项目提出的无背栅SOI器件可以将对总剂量辐射效应敏感的埋氧层定点去除，从根本上解决总剂量诱生电荷的问题，从而大幅度提高现有SOI MOSFET对总剂量辐照的免疫能力。通过本项目的研究工作，本研究团队攻克了无背栅SOI衬底制备技术，首次制备出高质量4~8英寸晶圆级无背栅SOI衬底，并成功开发了基于该衬底的CMOS流片工艺。通过与普通SOI器件进行对比辐照实验，验证了本项目提出的无背栅SOI器件具有优良的抗辐射能力。在辐照测试中，该器件在ON偏置和TG偏置（最恶劣偏置）中，对高达2Mrad（Si）的辐照剂量表现出了较好免疫能力，为目前报道同类器件中的最高水平。该项目的研究工作展示了一种全新的SOI抗辐射加固技术，为先进抗辐射器件技术开辟了新的研究方向，具有重要的引领作用。