SOI (Silicon On Insulator)即绝缘体上的硅,是一种新型的硅基材料。用SOI材料制作的器件与电路相对于传统的体硅器件及电路而言,具有功耗低、速度快、集成度高、抗瞬时辐照能力强、无闩锁效应等优点,并可有效地降低体硅器件因尺寸缩小而引起的短沟道效应。因此,SOI技术被称为是21世纪的硅集成电路技术。目前,制备SOI材料的主流技术之一为注氧隔离(SIMOX),即通过离子注入工艺,向硅片中注氧,然后退火,以形成SOI材料结构中所需的绝缘埋层,即SiO2埋层。SOI技术之所以具有超越传统体硅技术的诸多优势,就在于其绝缘埋层将顶层的器件和电路与衬底完全隔离开来。然而,埋层的存在增加了对SIMOX SOI器件和电路进行抗总剂量辐照加固的复杂性。这是因为SIMOX材料的埋层内存在大量的空穴陷阱。当遭受电离辐照时,这些空穴陷阱将俘获因辐照感生的空穴,导致埋层内的正电荷积累,引起器件及电路的性能退化,甚至失效。因而降低了SOI器件及电路抗总剂量辐照的总体水平。为了提高SOI器件及电路的抗辐照能力,本研究工作采用离子注入掺杂方式,对SIMOX SOI材料的埋层进行注氮掺杂改性,以通过对材料进行改性加固的途径,达到对器件及电路加固的目的。实验采用商业化的SIMOX SOI圆片,其埋层与顶层硅的厚度分别为150nm与190nm。研究中,将1016cm-2剂量的氮离子在90keV的能量下注入到了一组SIMOX SOI材料的埋层中。注氮后的退火温度为1100℃,退火时间分别为0.0、0.5、1.0、1.5、2.5h。研究了不同的退火时间对注氮埋层抗辐照能力的影响。辐照采用Co-60γ射线源,剂量率为100rad(Si)/s,样品每次辐照总剂量分别为1×105、3×105、5×105和7×105rad(Si)。为对材料埋层的抗辐照能力进行表征,用反应离子刻蚀将SIMOX样品顶硅层去掉,然后将其制作成多晶硅-埋层-半导体(PBS)结构电容。使用高频电容-电压(C-V)技术对其辐照响应进行表征。结果发现,注氮后较短的退火时间可有效提高材料的抗辐照能力。实验中,与最短退火时间0.5h相对应的样品埋层展现出了最好的抗总剂量辐照性能。为解释这一现象,对注氮SIMOX样品采用二次离子质谱(SIMS)进行了分析。结果显示,在埋层与硅界面处存在氮的积累。因此,可以认为,氮离子在界面处堆积,与界面附近硅的结合,释放了界面应力,减少了应变Si-Si键,因而抑制了辐照过程中带正电的E’中心的产生,提高了抗辐照能力。另一方面,氮离子注入埋层后,可在埋层内引入电子陷阱以俘获辐照感生电子,用以补偿空穴陷阱对空穴的俘获。另外,实验还发现,对于分别经过1.0h和1.5h退火的样品来说,其对总剂量辐照显示出了不同寻常的响应行为。在经300 krad(Si)辐照后,其C-V曲线的负向漂移即达最大值。然后,随辐照剂量的增加,其C-V曲线开始向正向漂移。据此,分析认为,该两个样品埋层内的空穴陷阱具有较大的俘获截面,当这些空穴陷阱被空穴占据而发生弛豫后,由于库仑力的相互作用,这些带正电的空穴陷阱转而俘获电子,从而导致C-V曲线的正向漂移。实验还发现,与未注氮埋层相比,所有注氮埋层内的正电荷密度显著增加。为探讨注氮埋层内正电荷产生的机理,对注氮在埋层中导致的注入损伤进行了模拟。模拟与计算结果表明,尽管氮离子注入在埋层内引入了大量的空位缺陷,但它们不是埋层内正电荷密度增加的主要原因。通过对比注氮与退火前后样品的傅立叶红外光谱也可发现,注入损伤在经0.5h的短时高温退火后即可基本予以消除。为此,近界面埋层内富硅区的Si-Si弱键因高剂量注氮而断裂,被解释为是其正电荷密度增加的主要原因。上述辐照实验用的PBS电容样品,在经长达半年的室温自然退火后,再次对其进行C-V表征的结果表明,凡注氮后经高温退火处理的材料,不论时间的长短,其电容样品的C-V曲线在经长时间的室温自然退火后,其负向漂移均有不同程度的降低,显示出正常的辐照后退火行为特征。然而,对于注氮后未经高温退火处理的材料所对应的电容,其C-V曲线在经长时间的室温自然退火后,却表现出反常的负向漂移。分析认为,这是由于辐照感生空穴在埋层内长期扩散,引起埋层内电荷分布发生变化的结果。对自然退火后的PBS电容样品再次进行总剂量辐照实验,以研究自然退火后,样品的总剂量辐照响应特性。实验发现,不同剂量辐照后,对应不同高温退火时间的电容样品间,其辐照响应特性出现了较大的差别。即便是同一样品,随辐照剂量的增加,其C-V曲线的漂移也不再单调变化。所以,不能再简单的根据电容样品的C-V曲线在不同剂量下的漂移方向与程度,来判断一个样品的抗辐射能力的强弱。其中牵涉到埋层俘获电荷电场、俘获电荷在埋层中的分布,以及辐照感生界面陷阱等多种因素对辐照响应特性的影响。对此结果产生机制的深入理解,尚需进一步的研究。