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从应用领域来看,SOI技术的发展大致可分为两个阶段:特种应用阶段和大规模应用阶段。早期发展以特种应用为主,尤其在抗辐射芯片应用中,SOI技术凭借优异的抗辐射特性,起到了不可替代的作用。抗辐射应用则为早期SOI技术的发展提供了有效的支撑。随着IC技术特征尺寸持续微缩,SOI技术的诸多特点越来越受到关注,尤其是FDSOI CMOS技术,被视为15nm节点以下极具竞争力的候选技术。SOI技术已开始步入大规模应用的发展阶段,并有望通过FDSOI CMOS技术进入飞速发展的轨道。
综上所述,SOI抗辐射芯片和FDSOI CMOS技术是SOI两个发展阶段中极为重要的应用驱动力。本论文的研究工作即围绕这两大应用而开展。
在抗辐射方面,本文首先概述了SOI MOS器件的辐射效应,并介绍SOI技术的抗辐射特性和特有的BOX层总剂量效应。然后对PDSOI NMOS器件的总剂量效应与偏置状态的关系进行研究,找出总剂量效应最恶劣的偏置状态,并分析总剂量效应依赖于偏置状态的原因。在深入理解陷阱电荷的形成机制之后,建立辐射诱生陷阱电荷的数值模型,通过模拟合理地解释了偏置状态对总剂量效应的影响。最后提出一种PDSOI NMOS器件总剂量效应的加固方案,采用无边缘器件结构和硅离子注入/退火技术分别对场氧化层和BOX层进行加固,辐射实验证明该方案加固效果良好。
在FDSOI方面,首先概述了纳米级MOS器件所面临的挑战,以及通过新型衬底和材料来改善器件性能的途径,从而引出FDSOI技术,以及同样应用于先进节点的High-κ栅介质技术和高迁移率沟道材料技术,并分别加以简述。然后介绍了一种HKMG FDSOI MOS器件制备工艺,并对该工艺所制备的器件进行表征,证明该工艺流程的可行性和可靠性。随后利用该工艺流程在FD sSiGe/(s)SOI新型高空穴迁移率衬底上制备量子阱PMOS器件,并对其进行I-V特性、High-κ栅介质特性、C-V特性、空穴迁移率、GIDL电流和低温特性等一系列分析,分析结果显示器件电学特性良好,且成功集成了HfO2栅介质和新型超High-κ栅介质LaLuyO3,应变硅锗沟道与硅沟道相比空穴迁移率得到大幅提高。