面向超深亚微米CMOS电路应用的抗辐射注氧键合SOI材料制备及其抗辐射加固机理研究

Compared to bulk Si technology, SOI technology realizes full dielectric isolation of transistors, which substantially improves anti-single event upset and anti-dose rate radiation capacity of SOI devices and circuits. However, the anti-total dose radiation capacity of SOI circuits degrades due to the buried oxide (BOX) of SOI, which makes it difficult to meet the requirements of the next generation satellites on long-life and high reliability. Si nanocrystals are embedded in BOX by employing Si+ implantation modification process, which substantially improves the anti-total dose radiation capacity of SOI materials; however, ion implantation leads to a serious top Si lattice damage which has a negative impact on device performance. In response to these issues, on the basis of combining Simbond technique with Si+ implantation modification process, this project realizes direct modification of SiO2, and thus avoids the potential top Si lattice damage induced by the existing modification process, and fabricates 8 inch total dose radiation hardened Simbond SOI materials with high top Si crystal quality. Furthermore, this project mainly focuses on the embedded nanocrystals formation mechanism and interfacial characteristics and their relationship with the related process parameters, also investigates the charge trapping mechanism of the embedded nanocrystals and its impact on electrical characteristics and radiation performance of transistors, and finally lays a solid foundation for developing domestic high-performance, high reliable radiation hardened SOI ICs.

与体硅技术相比，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和抗剂量率辐射能力得到了极大幅度的提高。但是，SOI材料绝缘埋层的存在降低了电路抗总剂量辐射能力，使其难以满足下一代长寿命、高可靠卫星的要求。采用Si离子注入改性工艺，在绝缘埋层中嵌入Si纳米晶，极大地提升了SOI材料的抗总剂量辐射能力，但是离子注入导致了严重的顶层硅晶格损伤，进而对器件性能造成了负面影响。针对上述问题，本项目将注氧键合技术与Si离子注入改性工艺有机结合，实现对SiO2的直接改性，避免现有改性工艺可能导致的顶层硅晶格损伤，制备出具有高顶层硅晶格质量的8英寸抗总剂量辐射加固SOI材料，重点研究嵌入Si纳米晶的形成机理、界面特性及其与相关工艺参数的关系，以及Si纳米晶作为电荷陷阱的作用机制及其对器件电学特性和辐射性能的影响，最终为国产高性能、高可靠抗辐射SOI集成电路的研制打下坚实的材料基础。

与体硅电路相比，SOI电路在空间单粒子辐照效应和瞬态效应方面具有突出优势，但由于绝缘埋层的存在，SOI电路抗总剂量优势并不突出，难以满足下一代长寿命、高可靠卫星的要求。为了进一步提升SOI电路的抗总剂量能力，扩展SOI电路的应用领域，研制高可靠抗辐射加固SOI晶圆至关重要。.本项目创新性地采用键合加固方法，将改性加固离子注入步骤巧妙地整合到注氧键合制备SOI晶圆的工艺中，避免了改性离子通过顶层硅直接注入所导致的顶层硅晶格损伤问题；此外，攻克了一系列工程化关键技术难关，首次在国内实现了8英寸抗辐射加固SOI晶圆的研制和量产，产品质量达到了国际同类型商用SOI晶圆的标准。采用TEM、XPS等材料分析手段，对加固晶圆的顶层硅和绝缘埋层进行了表征分析，探讨了注入能量、剂量与硅纳米晶密度、尺寸的关系，确定了相关的工艺参数。Pseudo-MOS器件结果表明，绝缘埋层中嵌入的硅纳米晶能够有效地降低辐射感生正电荷的累积，从而减小阈值电压负漂和抑制关态漏电流增加；随着注入剂量的增加，纳米晶尺寸和密度增大，器件抗总剂量辐射的能力进一步增强，并且通过调整注入能量、剂量实现了对晶圆抗总剂量辐射能力的有效调控。NMOS器件结果表明，新方法生产的抗辐射加固SOI晶圆性能优越，抗总剂量能力超过750krad(Si)。.通过本项目的实施，成功研制出了高顶层硅质量的工程化8英寸抗总剂量辐射加固SOI晶圆，其抗辐射能力达到了宇航级SOI的应用需求，实现了抗辐射加固SOI材料供应的自主可控，有效地打破了国外技术封锁，有力地推动了国内抗辐射SOI CMOS集成电路的研制，为高可靠、长寿命卫星的研制奠定了坚实的基础。