總劑量輻照下SOI材料與器件界面態(tài)的精準表征與機制解析

總劑量輻照下SOI材料與器件界面態(tài)的精準表征與機制解析一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的背景下，半導(dǎo)體材料與器件在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。絕緣體上硅（SilicononInsulator，SOI）材料作為一種新型的硅基半導(dǎo)體材料，因其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在航空航天、軍事、汽車電子等輻照環(huán)境應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。與傳統(tǒng)體硅材料相比，SOI材料具有全介質(zhì)隔離、寄生電容小、速度快、靜態(tài)功耗低等顯著優(yōu)勢。在航空航天領(lǐng)域，衛(wèi)星、探測器等航天器需要在復(fù)雜的空間輻射環(huán)境中長時間穩(wěn)定運行，SOI器件的抗單粒子能力強等特性使其成為航天器電子系統(tǒng)的理想選擇，有助于提高航天器的可靠性和壽命。在軍事領(lǐng)域，武器裝備中的電子設(shè)備面臨著各種惡劣的輻射環(huán)境，SOI器件能夠滿足軍事裝備對電子器件高性能、高可靠性的要求。然而，在輻照環(huán)境中，總劑量輻照會對SOI材料與器件產(chǎn)生顯著影響，其中界面態(tài)的變化是關(guān)鍵問題之一。當(dāng)SOI材料與器件受到總劑量輻照時，會在其內(nèi)部產(chǎn)生一系列復(fù)雜的物理過程。例如，在氧化層中會產(chǎn)生輻射感生陷阱電荷，這些電荷會改變器件的電場分布。同時，在硅-二氧化硅界面會產(chǎn)生輻照感生界面態(tài)，這些界面態(tài)會捕獲電子或空穴，進而影響器件的電學(xué)性能。界面態(tài)的變化會導(dǎo)致器件閾值電壓漂移，使得器件的開啟和關(guān)閉電壓發(fā)生改變，影響電路的邏輯功能；還會引起載流子遷移率下降，降低器件的工作速度和效率；甚至可能導(dǎo)致漏電流增加，增加功耗并影響器件的穩(wěn)定性。在一些對性能要求極高的航天應(yīng)用中，這些變化可能會導(dǎo)致衛(wèi)星通信中斷、控制系統(tǒng)故障等嚴重后果。因此，深入研究總劑量輻照引起的SOI材料與器件界面態(tài)表征，對于理解SOI材料與器件在輻照環(huán)境下的性能退化機制，提高其抗輻照性能，拓展其在輻照環(huán)境中的應(yīng)用具有重要的理論和實際意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，對SOI材料與器件在總劑量輻照下的研究開展較早，積累了豐富的成果。例如，美國的一些研究機構(gòu)和高校長期致力于SOI器件抗輻照性能的研究。通過對不同類型的SOI器件進行總劑量輻照實驗，深入分析了輻照感生界面態(tài)對器件電學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，界面態(tài)密度的增加會導(dǎo)致器件閾值電壓發(fā)生漂移，且這種漂移與輻照劑量、溫度等因素密切相關(guān)。在對0.18μmSOINMOS器件的研究中，發(fā)現(xiàn)隨著總劑量輻照的增加，界面態(tài)密度顯著上升，閾值電壓正向漂移明顯，當(dāng)輻照劑量達到100krad(Si)時，閾值電壓漂移量達到了200mV左右。歐洲的研究團隊則在SOI材料的輻照損傷機理和模型建立方面取得了重要進展。他們利用先進的測試技術(shù)，如深能級瞬態(tài)譜（DLTS）、電子自旋共振（ESR）等，對輻照后SOI材料中的缺陷和界面態(tài)進行了詳細表征。通過這些研究，建立了較為準確的輻照損傷模型，能夠較好地預(yù)測SOI器件在不同輻照條件下的性能變化。德國的研究人員通過DLTS技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在總劑量輻照下，SOI材料中會產(chǎn)生多種類型的缺陷，這些缺陷與界面態(tài)的形成密切相關(guān)，基于此建立的模型在預(yù)測閾值電壓漂移方面具有較高的準確性。在國內(nèi)，隨著航天、軍事等領(lǐng)域?qū)OI器件需求的增加，相關(guān)研究也得到了快速發(fā)展。中國科學(xué)院微電子研究所等科研機構(gòu)在SOI工藝與器件技術(shù)方面開展了深入研究，開發(fā)了一系列抗輻照SOI工藝和器件。通過對SOI器件總劑量輻照效應(yīng)的研究，提出了一些有效的抗輻照加固措施，如變摻雜的斜角分層溝道注入技術(shù)，使SRAM抗總劑量能力提升至大于300krad(Si)，達到國際先進水平。在模型方面，引入寄生受控電流源，準確擬合了器件總劑量輻照后界面態(tài)對不同偏壓下器件漏電造成的影響。然而，目前國內(nèi)外的研究仍存在一些不足之處。一方面，對于一些新型的SOI材料和器件結(jié)構(gòu)，如采用新型絕緣層材料或特殊工藝制備的SOI器件，其在總劑量輻照下的界面態(tài)研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的實驗和理論分析。另一方面，在復(fù)雜輻照環(huán)境下，如同時存在多種輻射粒子或輻照與溫度、濕度等環(huán)境因素耦合時，SOI材料與器件界面態(tài)的變化規(guī)律及綜合效應(yīng)的研究還相對較少。此外，雖然已經(jīng)建立了一些輻照損傷模型，但這些模型在準確性和通用性方面仍有待提高，難以滿足實際工程應(yīng)用中對SOI器件性能精確預(yù)測的需求。1.3研究內(nèi)容與方法本研究將從實驗、理論和模擬三個方面展開，深入探究總劑量輻照下SOI材料與器件的界面態(tài)表征。在實驗方面，選擇多種不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的SOI材料與器件作為研究對象，包括不同硅層厚度、氧化層厚度以及摻雜濃度的SOI材料，還有不同柵長、溝道寬度的SOIMOSFET器件等。利用60Coγ射線源對這些樣品進行總劑量輻照實驗，設(shè)置多個輻照劑量點，如0krad(Si)、50krad(Si)、100krad(Si)、200krad(Si)等，以全面研究輻照劑量對界面態(tài)的影響。在輻照過程中，精確控制輻照條件，確保輻照的均勻性和穩(wěn)定性。輻照后，采用多種先進的測試技術(shù)對SOI材料與器件的界面態(tài)進行表征。運用電容-電壓（C-V）測試技術(shù)，通過測量不同偏壓下的電容值，分析界面態(tài)密度隨偏壓的變化情況，從而獲取界面態(tài)的能級分布信息。利用深能級瞬態(tài)譜（DLTS）技術(shù)，測量界面態(tài)的陷阱參數(shù)，包括陷阱能級、陷阱密度等，深入了解界面態(tài)的物理特性。借助電子自旋共振（ESR）技術(shù)，檢測輻照產(chǎn)生的缺陷和界面態(tài)相關(guān)的順磁中心，為界面態(tài)的研究提供微觀結(jié)構(gòu)信息。同時，對器件的電學(xué)性能進行全面測試，如測量閾值電壓、跨導(dǎo)、漏電流等參數(shù)的變化，分析界面態(tài)與器件電學(xué)性能之間的關(guān)系。在理論分析方面，深入研究總劑量輻照下SOI材料與器件中界面態(tài)的產(chǎn)生機制。從原子尺度和電子結(jié)構(gòu)層面出發(fā)，分析輻照過程中光子與材料原子相互作用，導(dǎo)致原子位移、化學(xué)鍵斷裂等微觀過程，進而形成輻射感生缺陷和界面態(tài)的原理。研究氧化層中輻射感生陷阱電荷的產(chǎn)生、遷移和捕獲過程，以及這些電荷對硅-二氧化硅界面電場的影響，從而建立起界面態(tài)產(chǎn)生的物理模型?；谏鲜鑫锢砟Ｐ停Y(jié)合半導(dǎo)體物理、量子力學(xué)等相關(guān)理論，推導(dǎo)界面態(tài)密度與輻照劑量、溫度、電場等因素之間的定量關(guān)系。通過理論計算，預(yù)測不同輻照條件下界面態(tài)的變化趨勢，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。同時，對已有的輻照損傷模型進行深入分析和評估，針對現(xiàn)有模型的不足，結(jié)合本研究的實驗結(jié)果和理論分析，對模型進行改進和完善，提高模型對SOI材料與器件在總劑量輻照下界面態(tài)變化的預(yù)測準確性。在模擬仿真方面，運用先進的器件模擬軟件，如ISE-TCAD、Silvaco等，建立精確的SOI材料與器件模型。在模型中，充分考慮材料的物理參數(shù)、器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及輻照損傷相關(guān)的物理機制，如輻射感生缺陷的產(chǎn)生、復(fù)合和擴散，界面態(tài)的形成和演化等。通過模擬軟件，對SOI材料與器件在總劑量輻照下的電學(xué)性能進行仿真分析，包括計算不同輻照劑量下器件的閾值電壓、跨導(dǎo)、漏電流等電學(xué)參數(shù)的變化，與實驗結(jié)果進行對比驗證。利用模擬軟件的可視化功能，直觀地觀察輻照過程中SOI材料內(nèi)部的電場分布、電荷分布以及界面態(tài)的變化情況。通過改變模型中的參數(shù)，如輻照劑量、溫度、器件結(jié)構(gòu)等，系統(tǒng)地研究這些因素對界面態(tài)和器件電學(xué)性能的影響規(guī)律。開展參數(shù)敏感性分析，確定對界面態(tài)和器件性能影響較大的關(guān)鍵參數(shù)，為SOI材料與器件的抗輻照設(shè)計提供理論依據(jù)。通過模擬仿真，還可以探索一些在實驗中難以實現(xiàn)的極端條件下SOI材料與器件的性能變化，拓展研究的深度和廣度。二、SOI材料與器件基礎(chǔ)及總劑量輻照效應(yīng)2.1SOI材料與器件結(jié)構(gòu)、特性2.1.1SOI材料結(jié)構(gòu)與制備工藝SOI材料是一種具有獨特結(jié)構(gòu)的硅基半導(dǎo)體材料，其基本結(jié)構(gòu)由頂層硅單晶層、中間氧化層（埋氧層，BOX：BuriedOxide）和底層半導(dǎo)體襯底組成。頂層硅單晶層是實現(xiàn)集成電路器件制備的主要區(qū)域，其厚度通常在幾十納米到幾微米之間，在先進的工藝中，頂層硅厚度可達到50nm以下，為高性能器件的制備提供了基礎(chǔ)。中間氧化層將頂層硅單晶層與半導(dǎo)體襯底隔離，有效降低了器件之間的耦合和寄生效應(yīng)，其厚度一般在幾百納米左右，對于一些特殊應(yīng)用的SOI材料，氧化層厚度可能會有所調(diào)整。底層半導(dǎo)體襯底一般采用硅或者其它半導(dǎo)體材料，為整個結(jié)構(gòu)提供機械支撐。常見的SOI材料制備方法主要有注氧隔離（SIMOX：SeparationbyImplantedOxygen）工藝、智能剝離（SmartCut）工藝和鍵合減?。˙ESOI：BondingandEtchbackSOI）工藝等。注氧隔離（SIMOX）工藝是采用高純度硅單晶作為襯底，通過注入氧離子形成絕緣層。具體過程為，在注入過程中，氧離子被注入圓片里，與硅發(fā)生反應(yīng)形成二氧化硅沉淀物。然而注入對圓片造成相當(dāng)大的損壞，且二氧化硅沉淀物的均勻性也不好。隨后進行的高溫退火能幫助修復(fù)圓片損壞層并使二氧化硅沉淀物的均勻性保持一致，此時圓片的質(zhì)量得以恢復(fù)，而二氧化硅沉淀物所形成的埋層具有良好的絕緣性。該工藝制備的SOI芯片質(zhì)量較高，可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)制。但工藝復(fù)雜，成本較高，注入氧離子的劑量和分布控制要求嚴格，且容易形成重金屬污染，不易得到陡峭的界面。例如，在制備過程中，若注入能量過高，注入粒子分散程度增大，形成連續(xù)埋氧層所需劑量也會提高，同時可能導(dǎo)致頂層硅厚度不均勻，影響器件性能。智能剝離（SmartCut）工藝結(jié)合了離子注入和鍵合的雙重優(yōu)勢。第一步是在室溫的環(huán)境下使一圓片熱氧化，并注入一定劑量H+；第二步常溫下與另一非氧化圓片鍵合；第三步低溫退火使注入氫離子形成氣泡令硅片剝離，后高溫退火增強兩圓片的鍵合力度；第四步硅片表面平坦化。H+注入劑量為1016cm-2，比SIMOX低兩個數(shù)量級，可采用普通的離子注入機完成。埋氧層由熱氧化形成，具有良好的Si/SiO2界面，同時氧化層質(zhì)量較高。剝離后的硅片可以繼續(xù)作為鍵合襯底，大大降低成本。該工藝已成為SOI材料制備技術(shù)中最具競爭力、最具發(fā)展前途的一種技術(shù)。鍵合減?。˙ESOI）工藝的鍵合技術(shù)指將兩個平整表面的硅片互相靠近，硅片間的范德瓦爾斯力使兩個硅片緊密的結(jié)合在一起。其過程分三步來完成，第一步是在室溫的環(huán)境下使一熱氧化圓片在另一硅片上鍵合；第二步是經(jīng)過退火增強兩個圓片的鍵合力度；第三步通過研磨或腐蝕等方法減薄頂層硅片。通常采用兩種基本的減薄技術(shù)，即粗磨后化學(xué)機械拋光，或粗磨后背面選擇腐蝕。鍵合技術(shù)形成的SOI材料的頂層硅膜來自于襯底硅膜，未經(jīng)過SIMOX技術(shù)中的高溫氧離子注入，所以頂層硅膜中的缺陷較少，其器件性能可以達到體硅器件的程度。但該工藝在減薄過程中，缺乏有效的腐蝕終止控制技術(shù)時，只能獲得相當(dāng)厚的頂部硅膜。2.1.2SOI器件工作原理與特性SOI器件的核心結(jié)構(gòu)基于SOI材料，以SOIMOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）為例，其工作原理與傳統(tǒng)體硅MOSFET類似，但由于SOI材料的特殊結(jié)構(gòu)，具有一些獨特的工作特性。當(dāng)在SOIMOSFET的柵極施加電壓時，會在柵極下方的頂層硅中感應(yīng)出溝道。對于NMOS（N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體）器件，當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓時，在P型硅襯底表面形成N型反型層，即溝道，源極和漏極之間的電子可以通過溝道流動，從而實現(xiàn)電流的導(dǎo)通。由于SOI器件的源極、漏極和襯底之間通過中間的氧化層實現(xiàn)了全介質(zhì)隔離，與體硅器件相比，大大減小了寄生電容。以典型的0.18μm工藝節(jié)點的SOIMOSFET和體硅MOSFET對比，SOIMOSFET的源漏與襯底之間的寄生電容可降低約50%，這使得器件在開關(guān)過程中，電容充放電所需的時間減少，從而提高了器件的運行速度。在功耗方面，SOI器件具有更低的功耗。一方面，由于寄生電容的減小，動態(tài)功耗降低。在數(shù)字電路中，信號的翻轉(zhuǎn)會導(dǎo)致電容的充放電，寄生電容越小，充放電過程中消耗的能量就越少。另一方面，SOI器件的漏電流較小，靜態(tài)功耗也相應(yīng)降低。在深亞微米工藝下，體硅器件的短溝道效應(yīng)會導(dǎo)致漏電流增加，而SOI器件由于其特殊的結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制短溝道效應(yīng)，漏電流明顯小于體硅器件。實驗數(shù)據(jù)表明，與相同尺寸的體硅器件相比，SOI器件的功耗可減小35-70%。SOI器件還具有優(yōu)異的抗單粒子能力。在輻射環(huán)境中，高能粒子入射到器件中會產(chǎn)生電子-空穴對，這些電子-空穴對可能會導(dǎo)致器件的軟錯誤。由于SOI器件的全介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)，減少了襯底的脈沖電流干擾，使得單粒子入射產(chǎn)生的電子-空穴對難以在襯底中擴散并影響器件的正常工作，從而減少了軟錯誤的發(fā)生。在一些航天應(yīng)用中，采用SOI器件的電子系統(tǒng)，其單粒子翻轉(zhuǎn)率相較于體硅器件可降低一個數(shù)量級以上。此外，SOI器件能夠徹底消除體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)。在體硅CMOS電路中，由于N阱和P阱之間以及阱與襯底之間存在寄生的PNP和NPN晶體管，當(dāng)外界條件（如輻射、電源電壓波動等）觸發(fā)時，可能會形成寄生晶閘管結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致閂鎖效應(yīng)，使器件無法正常工作甚至損壞。而SOI器件的介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)避免了這種寄生晶閘管結(jié)構(gòu)的形成，從根本上消除了閂鎖效應(yīng)。在復(fù)雜的工作環(huán)境下，SOI器件的穩(wěn)定性和可靠性得到了顯著提高。2.2總劑量輻照效應(yīng)概述2.2.1總劑量輻照來源與環(huán)境總劑量輻照的來源廣泛，其中空間輻射是重要的來源之一。在地球軌道上，航天器會受到來自太陽的電磁輻射、高能粒子輻射以及銀河系宇宙射線的影響。太陽電磁輻射包含了從紫外線到X射線等不同波長的光子，這些光子具有不同的能量，能夠與航天器上的SOI材料與器件相互作用。當(dāng)能量較高的X射線光子入射到SOI材料中時，可能會導(dǎo)致原子內(nèi)層電子的激發(fā)和電離，產(chǎn)生電子-空穴對，進而引發(fā)一系列輻射效應(yīng)。高能粒子輻射主要包括質(zhì)子和電子，這些粒子的能量范圍很廣，從幾十keV到數(shù)GeV不等。在太陽活動劇烈時期，如太陽耀斑爆發(fā)時，會釋放出大量的高能質(zhì)子，其通量會急劇增加。這些高能質(zhì)子具有足夠的能量穿透航天器的防護層，與SOI材料中的原子核發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生位移損傷，破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)，對SOI器件的性能產(chǎn)生嚴重影響。銀河系宇宙射線則主要由高能重離子組成，這些重離子的電荷數(shù)高、能量大，在與SOI材料相互作用時，會產(chǎn)生高密度的電離，導(dǎo)致器件的單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)同時發(fā)生。在核輻射環(huán)境中，如核電站、核反應(yīng)堆以及核武器試驗場等區(qū)域，存在著高強度的電離輻射。核電站在正常運行過程中，會產(chǎn)生大量的γ射線和中子。γ射線是一種高能電磁波，具有很強的穿透能力，能夠深入到SOI材料內(nèi)部，與原子相互作用產(chǎn)生電離。中子則是不帶電的粒子，通過與原子核的彈性散射和非彈性散射，將能量傳遞給原子核，使原子核發(fā)生位移，產(chǎn)生晶格缺陷，這些缺陷會影響SOI材料的電學(xué)性能。在核反應(yīng)堆的堆芯區(qū)域，輻射劑量率極高，對位于該區(qū)域的電子設(shè)備中的SOI器件構(gòu)成巨大威脅。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，一些放射治療設(shè)備，如直線加速器產(chǎn)生的高能X射線和電子束，在用于癌癥治療時，也會產(chǎn)生一定程度的總劑量輻照。雖然這些設(shè)備主要用于醫(yī)療目的，但在設(shè)備的維護、調(diào)試以及周邊環(huán)境中，電子設(shè)備中的SOI器件可能會受到輻照影響。例如，在直線加速器的機房內(nèi)，工作人員攜帶的電子設(shè)備中的SOI器件可能會因為偶然的輻射泄漏而受到一定劑量的輻照，導(dǎo)致其性能發(fā)生變化。2.2.2對SOI材料與器件性能的影響總劑量輻照會對SOI材料與器件的性能產(chǎn)生多方面的顯著影響。在漏電流方面，當(dāng)SOI器件受到總劑量輻照時，氧化層中會產(chǎn)生輻射感生陷阱電荷。這些陷阱電荷會改變器件的電場分布，使得載流子在溝道中的傳輸特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致漏電流增加。在對0.13μmSOIMOSFET器件的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著總劑量輻照劑量從0krad(Si)增加到100krad(Si)，漏電流從10-8A增加到了10-6A左右，增加了兩個數(shù)量級。漏電流的增加不僅會導(dǎo)致器件功耗上升，還可能影響器件的正常工作，如在數(shù)字電路中，過大的漏電流可能導(dǎo)致邏輯錯誤，影響電路的可靠性。閾值電壓漂移也是總劑量輻照對SOI器件的重要影響之一。輻照產(chǎn)生的界面態(tài)會捕獲電子或空穴，改變硅-二氧化硅界面的電荷分布，進而導(dǎo)致閾值電壓發(fā)生漂移。對于NMOS器件，在正常的正向偏置條件下，氧化層陷阱電荷主要分布在二氧化硅-硅界面的附近，大部分空穴會被陷阱俘獲，形成氧化層陷阱電荷，使NMOS器件的閾值電壓負向漂移。當(dāng)輻照總劑量足夠大時，氧化層陷阱電荷趨于飽和，而界面陷阱電荷繼續(xù)增加，可能會導(dǎo)致閾值電壓出現(xiàn)“反彈效應(yīng)”。在對某種SOIPMOS器件的實驗中，當(dāng)輻照劑量達到50krad(Si)時，閾值電壓正向漂移了150mV左右，這會導(dǎo)致器件的開啟和關(guān)閉特性發(fā)生改變，影響電路的邏輯功能和性能?？倓┝枯椪者€會導(dǎo)致SOI器件的跨導(dǎo)降低。跨導(dǎo)是衡量器件柵極對漏極電流控制能力的重要參數(shù)，輻照產(chǎn)生的界面態(tài)和陷阱電荷會影響載流子的遷移率和溝道中的電子濃度，從而降低器件的跨導(dǎo)。實驗表明，在總劑量輻照下，SOIMOSFET器件的跨導(dǎo)會隨著輻照劑量的增加而逐漸減小，當(dāng)輻照劑量達到一定程度時，跨導(dǎo)的降低會導(dǎo)致器件的放大能力下降，影響其在模擬電路中的應(yīng)用。總劑量輻照對SOI材料與器件的性能影響是多方面的，這些影響會相互作用，共同導(dǎo)致器件性能的退化，嚴重威脅到SOI材料與器件在輻照環(huán)境下的正常工作和可靠性。三、總劑量輻照引起的SOI材料界面態(tài)變化3.1輻照誘導(dǎo)的晶格缺陷與界面態(tài)產(chǎn)生3.1.1離子輻照引入的晶格缺陷類型與機制在總劑量輻照過程中，離子輻照是導(dǎo)致SOI材料產(chǎn)生晶格缺陷的重要因素之一。當(dāng)高能離子入射到SOI材料中時，會與材料中的原子發(fā)生一系列復(fù)雜的相互作用，從而引入多種類型的晶格缺陷。空位是離子輻照產(chǎn)生的常見晶格缺陷之一。其形成機制主要基于離子與原子的碰撞過程。當(dāng)高能離子進入SOI材料后，會與晶格中的硅原子發(fā)生彈性碰撞。在碰撞瞬間，離子會將部分能量傳遞給硅原子。若傳遞的能量足夠大，硅原子獲得的能量超過其在晶格中的結(jié)合能，就會被撞離原來的晶格位置，從而在晶格中留下一個空位。以能量為1MeV的質(zhì)子輻照SOI材料為例，質(zhì)子與硅原子碰撞時，可能會將硅原子撞離晶格，形成空位。在這個過程中，質(zhì)子的能量和動量會發(fā)生轉(zhuǎn)移，硅原子在獲得足夠能量后，克服晶格的束縛力，脫離原晶格位置，在晶格中形成一個原子尺度的空洞，即空位。間隙原子的產(chǎn)生與空位密切相關(guān)。當(dāng)硅原子被離子撞離晶格位置后，它并不會停留在原位置附近，而是會在晶格中移動。最終，這個原子會占據(jù)晶格中的間隙位置，成為間隙原子。由于間隙原子的存在，會使周圍晶格發(fā)生畸變，破壞晶格的周期性和對稱性。在上述1MeV質(zhì)子輻照的例子中，被撞離的硅原子在晶格中移動，最終進入晶格間隙，成為間隙原子，它會對周圍的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓和變形作用。位錯也是離子輻照引入的重要晶格缺陷。當(dāng)大量的空位和間隙原子在晶格中產(chǎn)生并聚集時，就可能形成位錯。例如，在離子輻照劑量較高的情況下，大量的硅原子被撞離晶格位置，形成眾多的空位和間隙原子。這些空位和間隙原子在晶格中擴散和聚集，當(dāng)聚集到一定程度時，會導(dǎo)致晶格的局部區(qū)域出現(xiàn)嚴重的畸變。這種畸變無法通過簡單的原子調(diào)整來恢復(fù)，從而形成位錯。位錯的存在會對材料的電學(xué)性能和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，它會改變材料中電子的散射特性，進而影響載流子的遷移率。3.1.2晶格缺陷對界面態(tài)形成的影響晶格缺陷的存在對SOI材料中界面態(tài)的形成有著至關(guān)重要的影響。從電子結(jié)構(gòu)的角度來看，晶格缺陷會顯著改變界面的電子結(jié)構(gòu)。以空位缺陷為例，空位的存在會導(dǎo)致周圍原子的電子云分布發(fā)生畸變。由于空位處缺少原子，周圍原子的電子云會向空位方向偏移，使得原本均勻的電子云分布被打破。這種電子云分布的改變會在禁帶中引入新的能級，這些能級就是界面態(tài)。在硅-二氧化硅界面，若存在空位缺陷，會使界面處的電子云分布發(fā)生變化，產(chǎn)生一些局域化的電子態(tài)，這些電子態(tài)具有特定的能量，位于硅的禁帶之中，成為界面態(tài)。這些界面態(tài)能夠捕獲電子或空穴，從而影響器件的電學(xué)性能。晶格缺陷還會增強雜質(zhì)的擴散。在SOI材料中，不可避免地存在著一些雜質(zhì)原子。晶格缺陷的存在為雜質(zhì)原子的擴散提供了通道。間隙原子周圍的晶格畸變區(qū)域，其原子間的結(jié)合力相對較弱，雜質(zhì)原子更容易在這些區(qū)域擴散。當(dāng)雜質(zhì)原子擴散到硅-二氧化硅界面時，會與界面處的原子發(fā)生相互作用，進一步改變界面的電子結(jié)構(gòu)，促進界面態(tài)的形成。在一些含有硼雜質(zhì)的SOI材料中，經(jīng)過離子輻照產(chǎn)生晶格缺陷后，硼雜質(zhì)原子會沿著晶格缺陷擴散到界面處，與界面處的硅原子和氧原子發(fā)生反應(yīng)，形成新的化學(xué)鍵和電子態(tài)，導(dǎo)致界面態(tài)密度增加。晶格缺陷還可能通過改變界面的應(yīng)力狀態(tài)來影響界面態(tài)的形成。位錯等晶格缺陷會在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力場。在硅-二氧化硅界面附近，這種應(yīng)力場會導(dǎo)致界面原子的排列發(fā)生變化，使界面的化學(xué)鍵發(fā)生拉伸或壓縮。這種化學(xué)鍵的變化會改變界面的電子云分布，進而影響界面態(tài)的產(chǎn)生。當(dāng)位錯在硅-二氧化硅界面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中時，會使界面處的硅-氧鍵發(fā)生拉伸或彎曲，導(dǎo)致界面態(tài)的能級和密度發(fā)生改變。三、總劑量輻照引起的SOI材料界面態(tài)變化3.2界面態(tài)變化對SOI材料電學(xué)性能的影響3.2.1界面態(tài)與載流子遷移率的關(guān)系在SOI材料中，界面態(tài)對載流子遷移率有著顯著的影響，其作用機制主要基于散射理論。當(dāng)載流子在硅-二氧化硅界面附近運動時，會與界面態(tài)發(fā)生相互作用，這種相互作用表現(xiàn)為散射過程。界面態(tài)會對載流子產(chǎn)生庫侖散射。界面態(tài)上可能帶有電荷，這些電荷會在界面附近形成局部的電場。當(dāng)載流子進入這個電場區(qū)域時，會受到庫侖力的作用。以電子為例，若界面態(tài)帶有正電荷，電子會受到吸引力，其運動軌跡會發(fā)生彎曲；若界面態(tài)帶有負電荷，電子則會受到排斥力。這種庫侖力的作用使得載流子的運動方向發(fā)生改變，增加了載流子散射的概率。在實際的SOIMOSFET器件中，當(dāng)界面態(tài)密度較高時，電子在溝道中運動時受到的庫侖散射明顯增強，導(dǎo)致電子的遷移率下降。研究表明，在一定的偏壓條件下，界面態(tài)密度每增加1012cm-2，電子遷移率可能會下降10-20%。界面態(tài)還會導(dǎo)致載流子的表面粗糙度散射。由于界面態(tài)的存在，硅-二氧化硅界面的原子排列不再是理想的平整狀態(tài)，而是存在一定的粗糙度。這種粗糙度會使界面的勢能分布不均勻。載流子在這樣的界面上運動時，會受到勢能起伏的影響，從而發(fā)生散射。在一些采用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制備的SOI材料中，由于工藝過程的原因，界面態(tài)密度較高，界面粗糙度較大，載流子的表面粗糙度散射較為嚴重，導(dǎo)致遷移率降低。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，在這些材料的界面上存在著納米級的起伏，這些起伏與界面態(tài)的分布密切相關(guān)，嚴重影響了載流子的遷移率。此外，界面態(tài)與載流子之間的相互作用還會導(dǎo)致多聲子散射的增強。當(dāng)載流子與界面態(tài)發(fā)生散射時，會激發(fā)晶格振動，產(chǎn)生聲子。這些聲子又會與載流子相互作用，進一步散射載流子。在高電場下，這種多聲子散射的影響更為明顯。在高頻工作的SOI器件中，由于載流子的運動速度較快，與界面態(tài)的相互作用更頻繁，多聲子散射導(dǎo)致的遷移率下降更為顯著。實驗測量表明，在高頻信號作用下，界面態(tài)引起的多聲子散射會使載流子遷移率降低30%以上。3.2.2對材料電阻率和電容特性的影響界面態(tài)變化對SOI材料的電阻率有著直接的影響。當(dāng)界面態(tài)密度發(fā)生改變時，會導(dǎo)致載流子濃度和遷移率的變化，進而影響材料的電阻率。根據(jù)電導(dǎo)率的定義，電導(dǎo)率σ=qnμ，其中q為電子電荷量，n為載流子濃度，μ為載流子遷移率。而電阻率ρ=1/σ。在總劑量輻照下，界面態(tài)密度增加，會使載流子遷移率下降，如前文所述。同時，界面態(tài)還可能捕獲或釋放載流子，改變載流子濃度。在一些情況下，界面態(tài)會捕獲電子，導(dǎo)致有效載流子濃度降低。在P型SOI材料中，輻照產(chǎn)生的界面態(tài)會捕獲電子，使空穴成為主要載流子，且空穴濃度相對降低，根據(jù)上述公式，電導(dǎo)率下降，電阻率增大。實驗數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)界面態(tài)密度從1011cm-2增加到1013cm-2時，P型SOI材料的電阻率可能會增大5-10倍。界面態(tài)的變化對SOI材料的電容特性也有重要影響，其中界面態(tài)電容是一個關(guān)鍵因素。界面態(tài)電容Cit與界面態(tài)密度Dit之間存在密切關(guān)系，可表示為Cit=q2Dit，其中q為電子電荷量。當(dāng)界面態(tài)密度發(fā)生變化時，界面態(tài)電容也會相應(yīng)改變。在C-V測試中，界面態(tài)電容的變化會對測試結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。在理想情況下，沒有界面態(tài)時，C-V曲線呈現(xiàn)出典型的MOS電容特性。但當(dāng)存在界面態(tài)時，由于界面態(tài)電容的存在，C-V曲線會發(fā)生畸變。在高頻C-V測試中，由于界面態(tài)上的電荷來不及響應(yīng)高頻信號的變化，界面態(tài)電容對總電容的貢獻較小，C-V曲線相對接近理想情況。而在低頻C-V測試中，界面態(tài)上的電荷能夠跟隨信號變化，界面態(tài)電容對總電容的貢獻增大，C-V曲線會出現(xiàn)明顯的偏移和展寬。在對某SOIMOS電容的測試中，當(dāng)界面態(tài)密度增加后，低頻C-V曲線在平帶電壓附近的電容值明顯增大，且曲線的斜率發(fā)生變化，這是界面態(tài)電容變化導(dǎo)致的結(jié)果。四、總劑量輻照引起的SOI器件界面態(tài)變化4.1不同溝道長度SOI器件的界面態(tài)變化差異4.1.1實驗研究不同溝長器件輻照后的特性為深入探究不同溝道長度SOI器件在總劑量輻照后的特性，研究人員開展了一系列嚴謹?shù)膶嶒?。實驗選取了多種具有代表性的SOIMOSFET器件，其溝道長度覆蓋了從長溝道到短溝道的不同范圍，如1μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm等。選用這些不同溝道長度的器件，是因為它們在總劑量輻照下的響應(yīng)特性可能存在顯著差異，能夠全面反映溝道長度對器件性能的影響。采用60Coγ射線源對這些器件進行總劑量輻照，設(shè)置多個輻照劑量點，如0krad(Si)、50krad(Si)、100krad(Si)、200krad(Si)等。在輻照過程中，嚴格控制輻照條件，確保輻照的均勻性和穩(wěn)定性，以排除其他因素對實驗結(jié)果的干擾。輻照前后，運用高精度的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對器件的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線進行了精確測量。在轉(zhuǎn)移特性測量中，固定漏極電壓，通過改變柵極電壓，測量對應(yīng)的漏極電流，從而得到轉(zhuǎn)移特性曲線。在輸出特性測量中，固定柵極電壓，改變漏極電壓，記錄漏極電流的變化，獲得輸出特性曲線。這些測量數(shù)據(jù)為后續(xù)分析界面態(tài)變化對器件性能的影響提供了關(guān)鍵依據(jù)。研究結(jié)果表明，隨著輻照劑量的增加，不同溝道長度器件的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性均發(fā)生了明顯變化。在轉(zhuǎn)移特性方面，閾值電壓出現(xiàn)了漂移，且短溝道器件的閾值電壓漂移量相對更大。對于溝道長度為0.25μm的器件，在100krad(Si)輻照劑量下，閾值電壓正向漂移了約150mV，而溝道長度為1μm的器件，閾值電壓正向漂移僅約50mV。這表明短溝道器件對輻照更為敏感，界面態(tài)變化對其閾值電壓的影響更為顯著。在輸出特性方面，漏電流明顯增加，且短溝道器件的漏電流增加幅度更大。當(dāng)輻照劑量達到200krad(Si)時，0.35μm溝道長度器件的漏電流相比輻照前增加了約兩個數(shù)量級，而1μm溝道長度器件的漏電流增加幅度相對較小。這說明短溝道器件在輻照后，其輸出特性受到的影響更為嚴重，界面態(tài)變化導(dǎo)致的漏電流增加對器件性能產(chǎn)生了較大的負面影響。4.1.2短溝道器件界面態(tài)變化的特殊性短溝道SOI器件在總劑量輻照后，其界面態(tài)變化呈現(xiàn)出諸多特殊性，這些特殊性對器件的性能產(chǎn)生了深遠影響。短溝道效應(yīng)加劇是短溝道SOI器件界面態(tài)變化的重要特征之一。在總劑量輻照下，短溝道器件的閾值電壓穩(wěn)定性受到嚴重挑戰(zhàn)。由于輻照產(chǎn)生的界面態(tài)會捕獲電子或空穴，改變硅-二氧化硅界面的電荷分布，使得閾值電壓發(fā)生漂移。而且，短溝道器件的電場分布更為復(fù)雜，對界面態(tài)變化更為敏感，導(dǎo)致閾值電壓的漂移量更大且不穩(wěn)定。在一些極端情況下，閾值電壓的漂移可能會導(dǎo)致器件的開啟和關(guān)閉特性發(fā)生嚴重改變，使器件無法正常工作。寄生雙極效應(yīng)增強也是短溝道SOI器件的顯著問題。在正常工作狀態(tài)下，SOI器件的寄生雙極晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。但在總劑量輻照后，短溝道器件的界面態(tài)變化會導(dǎo)致寄生雙極晶體管更容易被觸發(fā)。這是因為界面態(tài)的變化會改變器件內(nèi)部的電場分布，使得寄生雙極晶體管的基極-發(fā)射極之間的電壓更容易滿足導(dǎo)通條件。當(dāng)寄生雙極晶體管被觸發(fā)后，會形成額外的電流通路，導(dǎo)致漏電流急劇增加，器件的擊穿電壓降低。實驗數(shù)據(jù)顯示，在輻照后，短溝道SOI器件的擊穿電壓相比長溝道器件降低了約30%，嚴重影響了器件的可靠性和穩(wěn)定性。短溝道SOI器件的局部浮體效應(yīng)也會因界面態(tài)變化而受到影響。在SOI器件中，由于埋氧層的存在，頂層硅形成了一個浮體。在正常情況下，浮體效應(yīng)會對器件的性能產(chǎn)生一定的影響。而在總劑量輻照后，界面態(tài)的變化會改變浮體與周圍區(qū)域的電荷交換和電場分布，進一步加劇浮體效應(yīng)。這種加劇的浮體效應(yīng)會導(dǎo)致器件的閾值電壓、漏電流等性能參數(shù)發(fā)生更大的波動，使得器件的性能更加不穩(wěn)定。在高頻工作條件下，短溝道SOI器件的浮體效應(yīng)會導(dǎo)致信號失真和噪聲增加，嚴重影響器件在高頻電路中的應(yīng)用。4.2偏置狀態(tài)對SOI器件界面態(tài)變化的影響4.2.1不同偏置條件下的輻照實驗為了深入探究偏置狀態(tài)對SOI器件界面態(tài)變化的影響，研究人員精心設(shè)計并開展了一系列不同偏置條件下的輻照實驗。實驗選用了典型的SOIMOSFET器件，涵蓋了不同的工藝節(jié)點和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以確保實驗結(jié)果的普遍性和可靠性。在實驗過程中，設(shè)置了多種不同的偏置狀態(tài)，包括關(guān)態(tài)偏置（柵極電壓低于閾值電壓，Vg<Vth）、開態(tài)偏置（柵極電壓高于閾值電壓，Vg>Vth）以及不同的漏極偏置電壓（如Vd=1V、Vd=3V等）。這些偏置狀態(tài)的設(shè)置模擬了SOI器件在實際工作中的不同運行狀態(tài)，能夠全面地研究偏置狀態(tài)對界面態(tài)變化的影響。利用60Coγ射線源對處于不同偏置狀態(tài)的SOI器件進行總劑量輻照，輻照劑量范圍從0krad(Si)逐步增加到200krad(Si)，并在每個劑量點進行詳細的電學(xué)性能測試。在輻照過程中，通過高精度的電源和測量設(shè)備，嚴格控制偏置電壓的穩(wěn)定性，確保偏置條件在輻照過程中保持不變。同時，采用先進的溫度控制系統(tǒng)，維持實驗環(huán)境溫度在25℃，以排除溫度對實驗結(jié)果的干擾。輻照后，運用電容-電壓（C-V）測試技術(shù)對器件的界面態(tài)進行表征。通過測量不同偏置電壓下的電容值，繪制C-V曲線，分析曲線的變化情況，從而獲取界面態(tài)密度隨偏置電壓的變化信息。在不同偏置條件下的輻照實驗中，C-V曲線的變化趨勢明顯不同。在關(guān)態(tài)偏置下，隨著輻照劑量的增加，C-V曲線的平帶電壓發(fā)生了較大的漂移，表明界面態(tài)密度增加，導(dǎo)致了電荷分布的改變。而在開態(tài)偏置下，C-V曲線的變化相對較為復(fù)雜，不僅平帶電壓發(fā)生漂移，曲線的斜率也有所改變，這意味著界面態(tài)的能級分布和捕獲特性在開態(tài)偏置下受到了不同因素的影響。4.2.2關(guān)態(tài)與開態(tài)偏置下的界面態(tài)演變機制在關(guān)態(tài)偏置下，SOI器件的背柵晶體管受到電場的顯著影響，導(dǎo)致界面態(tài)變化引發(fā)的輻射效應(yīng)加劇。當(dāng)器件處于關(guān)態(tài)時，柵極電壓低于閾值電壓，溝道未形成，此時背柵晶體管的電場分布較為復(fù)雜。在總劑量輻照下，氧化層中產(chǎn)生的輻射感生陷阱電荷會改變背柵晶體管的電場分布。由于背柵晶體管的電場與界面態(tài)的形成和演化密切相關(guān)，電場分布的改變會促進界面態(tài)的產(chǎn)生和增加。具體來說，輻射感生陷阱電荷會在背柵晶體管的柵氧化層中積累，形成局部的電場畸變。這種電場畸變會導(dǎo)致硅-二氧化硅界面的電子云分布發(fā)生變化，使得原本穩(wěn)定的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂或重組，從而產(chǎn)生新的界面態(tài)。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，關(guān)態(tài)偏置下，背柵晶體管的界面態(tài)密度隨輻照劑量的增加呈現(xiàn)出指數(shù)增長的趨勢。這種界面態(tài)的增加會進一步影響背柵晶體管的電學(xué)性能，如閾值電壓漂移、漏電流增加等。由于背柵晶體管與主晶體管之間存在一定的耦合效應(yīng)，背柵晶體管的性能變化會對整個器件的性能產(chǎn)生負面影響。在開態(tài)偏置下，SOI器件的浮體效應(yīng)和碰撞電離等因素對界面態(tài)變化有著重要影響。當(dāng)器件處于開態(tài)時，柵極電壓高于閾值電壓，溝道形成，此時器件內(nèi)部存在著載流子的流動。在總劑量輻照下，浮體效應(yīng)會導(dǎo)致頂層硅中的電荷積累和分布發(fā)生變化。由于頂層硅與埋氧層之間的界面存在一定的電荷交換和相互作用，浮體效應(yīng)引起的電荷分布變化會影響界面態(tài)的形成和演化。當(dāng)載流子在溝道中流動時，高電場區(qū)域可能會發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象。碰撞電離會產(chǎn)生額外的電子-空穴對，這些電子-空穴對可能會被界面態(tài)捕獲，從而改變界面態(tài)的電荷狀態(tài)和密度。在一些高速運行的SOI器件中，開態(tài)偏置下的碰撞電離現(xiàn)象較為明顯，導(dǎo)致界面態(tài)密度在輻照后迅速增加。這種界面態(tài)的變化會影響器件的跨導(dǎo)、閾值電壓等性能參數(shù)，使得器件在開態(tài)下的性能穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。五、SOI材料與器件界面態(tài)表征方法5.1電學(xué)特性檢測方法5.1.1基于偽MOS特性的界面態(tài)密度檢測基于偽MOS結(jié)構(gòu)檢測SOI晶圓界面態(tài)密度的方法，為研究SOI材料與器件的界面特性提供了關(guān)鍵途徑。在實際操作中，搭建基于SOI工藝的用于偽MOS表征的結(jié)構(gòu)是首要步驟。在SOI晶圓的頂層硅膜上，選取兩個合適的位置，分別接入電極作為源極（Source）和漏極（Drain），而將襯底作為柵極（Gate），以此構(gòu)建起類似于MOS器件的電極接觸結(jié)構(gòu)，因其具有類似MOS器件的特性，故而被稱為偽MOS。在測量過程中，需精確測量不同偏壓下的電容值。通過在柵極（襯底）上施加直流偏壓，并在該偏壓上疊加一個固定頻率（如1MHz）的小信號電壓，利用高精度的電容測量儀器，如吉時利4200-SCS和590CV分析儀，測量出相應(yīng)偏壓下的電容值。通過這些測量數(shù)據(jù)，可計算得到界面態(tài)密度。以某一特定偏壓下的測量數(shù)據(jù)為例，首先獲取埋氧層和硅膜層之間的界面態(tài)電容值（C_{it}）、埋氧層的電容值（C_{ox}）以及硅膜層在柵電流峰值下對應(yīng)的電容值（C_{s}）。根據(jù)電容計算模型，總電容值的變化量（\DeltaC）可通過公式\DeltaC=\frac{C_{ox}\cdotC_{it}\cdotC_{s}}{C_{ox}\cdotC_{it}+C_{it}\cdotC_{s}+C_{s}\cdotC_{ox}}計算得出。然后，根據(jù)公式D_{it}=q\cdot\DeltaC（其中q為真空中電子的電荷量），即可確定埋氧層和硅膜層之間的界面態(tài)密度大?。―_{it}）。為了驗證計算結(jié)果的準確性，可進行進一步的驗證實驗。將SOI晶圓的漏極接0A的電流源，源極接地，在襯底接入設(shè)定電壓范圍（如-10～10V）、設(shè)定掃描速度（如25V/s）的瞬態(tài)掃描電壓。獲取在接入瞬態(tài)掃描電壓前后，SOI晶圓的柵電流峰值的變化量（\DeltaI_{g}）。根據(jù)公式\DeltaI_{g}=A\times\DeltaC'\timesv（其中A表示硅膜層的表面積，\DeltaC'表示SOI晶圓的總電容值的參考變化量，v表示設(shè)定掃描速度），確定SOI晶圓的總電容值的參考變化量。當(dāng)確定的總電容值的變化量與參考變化量的差值在設(shè)定范圍內(nèi)時，可驗證計算得到的界面態(tài)密度的準確性合格。5.1.2其他電學(xué)檢測手段及原理電容-電壓（C-V）測試是研究SOI材料與器件界面態(tài)的重要電學(xué)檢測手段之一。其原理基于MOS結(jié)構(gòu)的電容特性，在MOS結(jié)構(gòu)中，當(dāng)在柵極施加電壓時，會在半導(dǎo)體表面形成空間電荷區(qū)，隨著柵極電壓的變化，空間電荷區(qū)的寬度和電荷分布也會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電容的變化。在高頻C-V測試中，由于界面態(tài)上的電荷來不及響應(yīng)高頻信號的變化，此時主要測量的是氧化層電容（C_{ox}）和半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容（C_{sc}）的串聯(lián)電容。通過測量不同偏壓下的電容值，繪制C-V曲線，可得到平帶電壓、氧化層厚度、摻雜濃度等信息。在P型硅的MOS結(jié)構(gòu)中，高頻C-V曲線呈現(xiàn)出特定的形狀，在積累區(qū)，電容主要由氧化層電容決定；在耗盡區(qū)，電容隨著柵極電壓的增加而逐漸減?。辉诜葱蛥^(qū)，電容趨于穩(wěn)定。而在低頻C-V測試中，界面態(tài)上的電荷能夠跟隨信號變化，界面態(tài)電容（C_{it}）對總電容的貢獻增大。通過分析低頻C-V曲線的變化，可獲取界面態(tài)密度及其在禁帶中的分布信息。利用低頻C-V測試，結(jié)合相關(guān)公式計算，可得到界面態(tài)密度與電壓的關(guān)系，進而通過表面勢與能量的關(guān)系，求出界面態(tài)密度在禁帶中按能量的分布。電流-電壓（I-V）測試也是常用的電學(xué)檢測方法。在SOI器件中，通過測量不同偏壓下的電流，可得到I-V曲線。在正向偏置下，隨著柵極電壓的增加，溝道電流逐漸增大，當(dāng)柵極電壓達到閾值電壓時，溝道導(dǎo)通，電流迅速增加。在反向偏置下，理想情況下電流應(yīng)該很小，但由于界面態(tài)的存在，可能會導(dǎo)致漏電流增加。通過分析I-V曲線的斜率、閾值電壓等參數(shù)的變化，可推斷出界面態(tài)對器件電學(xué)性能的影響。當(dāng)界面態(tài)密度增加時，可能會導(dǎo)致閾值電壓漂移，I-V曲線的斜率發(fā)生改變，從而影響器件的開關(guān)特性和導(dǎo)通電阻。5.2微觀結(jié)構(gòu)分析方法5.2.1透射電子顯微鏡（TEM）觀察界面微觀結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscopy，TEM）是研究SOI材料與器件界面微觀結(jié)構(gòu)的重要工具，其工作原理基于電子與物質(zhì)的相互作用。在高真空環(huán)境下，由電子槍發(fā)射出的高能電子束，經(jīng)過聚光鏡聚焦后照射到樣品上。電子束與樣品中的原子相互作用，部分電子會發(fā)生散射，散射的角度和強度與樣品的原子結(jié)構(gòu)、晶體缺陷等因素密切相關(guān)。未被散射的電子和散射后的電子通過物鏡、中間鏡和投影鏡等一系列電磁透鏡的放大作用，最終在熒光屏或探測器上形成樣品的圖像。利用TEM可以直接觀察SOI材料與器件中硅-二氧化硅界面的晶格缺陷。在總劑量輻照下，SOI材料的界面可能會產(chǎn)生多種晶格缺陷，如位錯、層錯等。位錯是晶體中一種重要的線缺陷，通過TEM的明場像和暗場像技術(shù)，可以清晰地觀察到位錯的形態(tài)和分布。在明場像中，位錯表現(xiàn)為黑色的線條，其襯度與位錯的類型、柏氏矢量以及成像條件有關(guān)。通過暗場像技術(shù)，選擇與位錯相關(guān)的衍射斑點成像，可以更清晰地顯示位錯的細節(jié)，如位錯的走向、密度等。在一些輻照后的SOI材料中，觀察到了高密度的位錯網(wǎng)絡(luò)，這些位錯的存在會影響界面態(tài)的形成和分布，進而影響器件的電學(xué)性能。TEM還能夠?qū)OI材料與器件的界面過渡層進行分析。在硅-二氧化硅界面，由于原子的相互擴散和化學(xué)鍵的形成，存在一個過渡層。過渡層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對界面態(tài)的形成和演化有著重要影響。通過高分辨率TEM（HRTEM）技術(shù)，可以觀察到界面過渡層的原子排列情況。在一些SOI材料中，發(fā)現(xiàn)界面過渡層存在著一定的粗糙度和原子的無序排列，這些微觀結(jié)構(gòu)特征會導(dǎo)致界面態(tài)密度的增加。通過對界面過渡層的成分分析，利用能譜分析（EDS）技術(shù)，可以確定過渡層中元素的種類和含量，進一步了解界面過渡層的化學(xué)組成對界面態(tài)的影響。界面態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)。晶格缺陷的存在會導(dǎo)致界面處的電子云分布發(fā)生畸變，從而在禁帶中引入新的能級，形成界面態(tài)。位錯周圍的應(yīng)力場會改變原子的電子云分布，使得界面態(tài)的能級和密度發(fā)生變化。界面過渡層的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成也會影響界面態(tài)的形成。過渡層中原子的無序排列和化學(xué)鍵的不完整性，會增加界面態(tài)的密度。通過TEM觀察到的微觀結(jié)構(gòu)信息，可以為理解界面態(tài)的形成機制和調(diào)控界面態(tài)提供重要的依據(jù)。5.2.2其他微觀分析技術(shù)在界面態(tài)研究中的應(yīng)用掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscopy，STM）在研究SOI材料與器件界面態(tài)的原子尺度結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性方面具有獨特的優(yōu)勢。STM的工作原理基于量子隧道效應(yīng)。當(dāng)一個極細的針尖與樣品表面之間的距離小于1納米時，在針尖和樣品之間施加一個偏壓，電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘，形成納安級（10-9A）的隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距的恒定，并使針尖沿表面進行精確的三維移動，就可將表面形貌和表面電子態(tài)等有關(guān)表面信息記錄下來。利用STM可以實現(xiàn)對SOI材料與器件界面原子尺度結(jié)構(gòu)的直接觀察。通過掃描隧道顯微鏡的原子分辨成像技術(shù)，可以清晰地觀察到硅-二氧化硅界面處原子的排列狀態(tài)。在原子尺度上，能夠發(fā)現(xiàn)界面處原子的排列并非完全整齊有序，存在著一些原子的缺失、錯位等現(xiàn)象。這些微觀結(jié)構(gòu)的細節(jié)會對界面態(tài)的形成產(chǎn)生影響。界面處原子的缺失會導(dǎo)致化學(xué)鍵的斷裂，從而在禁帶中引入新的能級，形成界面態(tài)。STM還可以用于研究界面態(tài)的電學(xué)特性。通過掃描隧道譜（STS）技術(shù)，可以測量界面態(tài)的電子態(tài)密度和能級分布。在測量過程中，在針尖與樣品之間施加一個可變的偏壓，同時測量隧道電流隨偏壓的變化。根據(jù)隧道電流與偏壓的關(guān)系，可以得到界面態(tài)的電子態(tài)密度分布。通過分析電子態(tài)密度分布，可以了解界面態(tài)的能級位置和密度大小，進而研究界面態(tài)對器件電學(xué)性能的影響。在一些研究中，利用STM-STS技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在SOI材料的界面態(tài)中，存在著一些特定能級的界面態(tài)，這些界面態(tài)與器件的閾值電壓漂移等電學(xué)性能變化密切相關(guān)。原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscopy，AFM）也是研究SOI材料與器件界面態(tài)的重要微觀分析技術(shù)之一。AFM的工作原理是通過檢測一個微小探針與樣品表面之間的相互作用力來獲取樣品的表面形貌和力學(xué)性質(zhì)等信息。在接觸模式下，探針與樣品表面直接接觸，通過測量探針與樣品之間的摩擦力和法向力，可以得到樣品表面的形貌信息。在非接觸模式下，探針與樣品表面保持一定的距離，通過檢測探針與樣品之間的范德華力等微弱相互作用力來獲取樣品的表面信息。利用AFM可以研究SOI材料與器件界面的表面粗糙度和力學(xué)性質(zhì)。界面的表面粗糙度對界面態(tài)的形成和載流子的散射有著重要影響。通過AFM的高分辨率成像，可以精確測量界面的表面粗糙度參數(shù)，如均方根粗糙度（RMS）等。在一些SOI材料中，經(jīng)過總劑量輻照后，發(fā)現(xiàn)界面的表面粗糙度增加，這會導(dǎo)致界面態(tài)密度的增加，同時也會增強載流子的散射，降低載流子遷移率。AFM還可以用于測量界面的力學(xué)性質(zhì)，如彈性模量等。界面的力學(xué)性質(zhì)與界面態(tài)的穩(wěn)定性和界面原子的結(jié)合能等因素有關(guān)。通過測量界面的力學(xué)性質(zhì)，可以進一步了解界面態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。六、案例分析：典型SOI器件在總劑量輻照下的界面態(tài)表征6.1PDSOINMOS器件的界面態(tài)表征實例6.1.1實驗過程與數(shù)據(jù)采集在對PDSOINMOS器件進行總劑量輻照實驗時，選用了某公司生產(chǎn)的0.35μm工藝節(jié)點的PDSOINMOS器件，該器件具有典型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，能夠代表該工藝下的PDSOINMOS器件特性。其柵長為0.35μm，柵寬為10μm，埋氧層厚度為200nm，頂層硅厚度為100nm。輻照源采用60Coγ射線源，該射線源具有能量穩(wěn)定、穿透能力強等優(yōu)點，能夠確保輻照劑量的準確性和均勻性。實驗設(shè)置了多個輻照劑量點，分別為0krad(Si)、50krad(Si)、100krad(Si)、150krad(Si)和200krad(Si)。在輻照過程中，將PDSOINMOS器件放置在特制的樣品架上，確保器件能夠均勻地接受輻照。同時，通過高精度的劑量監(jiān)測儀實時監(jiān)測輻照劑量，保證每個劑量點的誤差控制在±5%以內(nèi)。測試條件方面，采用了半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進行電學(xué)性能測試。在測試轉(zhuǎn)移特性時，將漏極電壓固定為0.8V，柵極電壓從-1V掃描到3V，掃描步長為0.01V，測量不同柵極電壓下的漏極電流，從而得到轉(zhuǎn)移特性曲線。在測試輸出特性時，將柵極電壓分別固定為0V、0.5V、1V、1.5V和2V，漏極電壓從0V掃描到2V，掃描步長為0.05V，記錄不同柵極電壓和漏極電壓組合下的漏極電流，獲取輸出特性曲線。通過上述實驗過程，成功采集到了不同輻照劑量下PDSOINMOS器件的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)移特性數(shù)據(jù)中，隨著輻照劑量的增加，漏極電流-柵極電壓曲線呈現(xiàn)出明顯的變化。當(dāng)輻照劑量為0krad(Si)時，轉(zhuǎn)移特性曲線具有典型的MOSFET特性，閾值電壓約為0.3V，在柵極電壓大于閾值電壓后，漏極電流迅速增加。而當(dāng)輻照劑量增加到100krad(Si)時，閾值電壓正向漂移至約0.45V，且在相同柵極電壓下，漏極電流明顯減小。在輸出特性數(shù)據(jù)中，也觀察到了顯著的變化。當(dāng)輻照劑量增加時，不同柵極電壓下的漏極電流-漏極電壓曲線的斜率發(fā)生改變，飽和區(qū)的漏電流減小，且擊穿電壓降低。在柵極電壓為1V時，未輻照時的擊穿電壓約為1.8V，而當(dāng)輻照劑量達到200krad(Si)時，擊穿電壓降低至約1.2V。這些實驗數(shù)據(jù)為后續(xù)分析界面態(tài)變化對器件性能的影響提供了重要的依據(jù)。6.1.2界面態(tài)變化對器件性能的具體影響分析根據(jù)實驗采集到的數(shù)據(jù)，深入分析界面態(tài)變化對PDSOINMOS器件性能的具體影響。最大跨導(dǎo)退化是界面態(tài)變化導(dǎo)致的重要性能變化之一?？鐚?dǎo)是衡量器件柵極對漏極電流控制能力的關(guān)鍵參數(shù)，其定義為漏極電流對柵極電壓的導(dǎo)數(shù)。在理想情況下，器件的跨導(dǎo)在一定的柵極電壓范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定。然而，在總劑量輻照下，由于界面態(tài)的增加，載流子遷移率下降，導(dǎo)致跨導(dǎo)降低。從實驗數(shù)據(jù)來看，未輻照時，PDSOINMOS器件的最大跨導(dǎo)約為200μS/mm。當(dāng)輻照劑量達到100krad(Si)時，最大跨導(dǎo)降低至約150μS/mm，退化了約25%。這表明界面態(tài)的變化對器件的柵極控制能力產(chǎn)生了顯著的負面影響，使得器件在信號放大等應(yīng)用中的性能下降。寄生雙極晶體管觸發(fā)也是界面態(tài)變化引發(fā)的重要問題。在PDSOINMOS器件中，由于存在局部浮體效應(yīng)，在一定條件下會觸發(fā)寄生雙極晶體管。在總劑量輻照下，界面態(tài)的增加會改變器件內(nèi)部的電場分布，使得寄生雙極晶體管更容易被觸發(fā)。當(dāng)寄生雙極晶體管被觸發(fā)后，會形成額外的電流通路，導(dǎo)致漏電流急劇增加。在實驗中，當(dāng)輻照劑量增加到150krad(Si)時，觀察到在較高的漏極電壓下，漏電流出現(xiàn)了異常增大的現(xiàn)象，這是寄生雙極晶體管被觸發(fā)的典型表現(xiàn)。寄生雙極晶體管的觸發(fā)不僅會增加器件的功耗，還可能導(dǎo)致器件的擊穿電壓降低，嚴重影響器件的可靠性和穩(wěn)定性。擊穿電壓降低是界面態(tài)變化對器件性能的另一個重要影響。隨著輻照劑量的增加，界面態(tài)密度增大，使得器件的電場分布發(fā)生畸變，導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?。如前文所述，在未輻照時，器件的擊穿電壓約為1.8V，而當(dāng)輻照劑量達到200krad(Si)時，擊穿電壓降低至約1.2V。擊穿電壓的降低使得器件在高電壓應(yīng)用中的安全性和可靠性受到威脅，可能導(dǎo)致器件在正常工作電壓下發(fā)生擊穿，從而損壞器件。界面態(tài)變化對PDSOINMOS器件的性能產(chǎn)生了多方面的負面影響，包括最大跨導(dǎo)退化、寄生雙極晶體管觸發(fā)和擊穿電壓降低等，這些影響嚴重制約了器件在輻照環(huán)境下的應(yīng)用。6.2基于特定應(yīng)用場景的SOI器件界面態(tài)研究6.2.1航天應(yīng)用中SOI器件面臨的輻照環(huán)境與挑戰(zhàn)在航天應(yīng)用中，SOI器件面臨著極為復(fù)雜的輻照環(huán)境，其輻射源主要包括太陽輻射、銀河宇宙射線以及地球輻射帶等。太陽輻射包含了多種成分，其中太陽質(zhì)子事件是重要的輻射來源之一。在太陽活動劇烈時期，如太陽耀斑爆發(fā)時，會釋放出大量的高能質(zhì)子，這些質(zhì)子的能量范圍廣泛，從幾十keV到數(shù)GeV不等。當(dāng)這些高能質(zhì)子入射到SOI器件中時，會與器件中的原子發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生大量的電子-空穴對。這些電子-空穴對可能會被界面態(tài)捕獲，導(dǎo)致界面態(tài)密度增加，從而改變器件的電學(xué)性能。在一次強烈的太陽耀斑爆發(fā)后，對某航天器上的SOI器件進行檢測，發(fā)現(xiàn)其界面態(tài)密度相比之前增加了約50%，導(dǎo)致器件的閾值電壓漂移了100mV左右。銀河宇宙射線主要由高能質(zhì)子和重離子組成。這些粒子的能量極高，重離子的電荷數(shù)也較大。當(dāng)銀河宇宙射線中的粒子入射到SOI器件中時，會產(chǎn)生高密度的電離，導(dǎo)致器件內(nèi)部的電場分布發(fā)生劇烈變化。這種電場變化會促進界面態(tài)的產(chǎn)生和演化，使得界面態(tài)的能級分布和密度發(fā)生改變。高能重離子在穿過SOI器件時，會在其路徑上產(chǎn)生大量的電子-空穴對，形成離子徑跡。這些離子徑跡周圍的電場畸變會導(dǎo)致界面態(tài)的形成，增加界面態(tài)密度。地球輻射帶分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。內(nèi)輻射帶主要由高能質(zhì)子和電子組成，質(zhì)子能量可達幾百MeV，電子能量一般小于10MeV。外輻射帶則主要是高能電子，能量在MeV量級。航天器在穿越地球輻射帶時，SOI器件會受到這些高能粒子的輻照。高能電子在入射到SOI器件中時，會與器件中的原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生二次電子和空穴。這些二次電子和空穴會與界面態(tài)相互作用，影響界面態(tài)的穩(wěn)定性和電學(xué)特性。由于地球輻射帶的存在，航天器在低軌道運行時，SOI器件受到的輻照劑量會顯著增加，對器件的可靠性和壽命提出了嚴峻挑戰(zhàn)。6.2.2針對該場景的界面態(tài)表征與應(yīng)對策略在航天應(yīng)用中，對SOI器件界面態(tài)的表征需要采用多種先進的方法。利用深能級瞬態(tài)譜（DLTS）技術(shù)可以精確測量界面態(tài)的陷阱參數(shù)，包括陷阱能級、陷阱密度等。通過測量不同溫度下的DLTS譜，可以獲取界面態(tài)的熱激活特性，深入了解界面態(tài)的物理性質(zhì)。在對某航天用SOI器件進行DLTS測試時，發(fā)現(xiàn)輻照后器件的界面態(tài)陷阱能級發(fā)生了明顯變化，這與輻照導(dǎo)致的界面結(jié)構(gòu)改變密切相關(guān)。電子自旋共振（ESR）技術(shù)也是表征界面態(tài)的重要手段。它能夠檢測輻照產(chǎn)生的缺陷和界面態(tài)相關(guān)的順磁中心，為界面態(tài)的研究提供微觀結(jié)構(gòu)信息。通過分析ESR譜線的特征，可以確定界面態(tài)的類型和濃度。在一些研究中，利用ESR技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在航天輻照環(huán)境下，SOI器件的界面態(tài)中存在著特定的順磁中心，這些順磁中心與輻射感生的缺陷密切相關(guān)，對器件的電學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。為提高SOI器件在航天應(yīng)用中的抗輻照性能，采取了一系列加固措施和設(shè)計優(yōu)化方案。在材料選擇方面，采用高質(zhì)量的SOI材料，減少材料中的雜質(zhì)和缺陷，降低輻照感生界面態(tài)的產(chǎn)生。通過優(yōu)化SOI材料的制備工藝，如改進SIMOX工藝中的氧離子注入?yún)?shù)，減少注入過程中產(chǎn)生的晶格損傷，從而降低界面態(tài)密度。在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用特殊的結(jié)構(gòu)來抑制界面態(tài)的影響。設(shè)計具有多層結(jié)構(gòu)的柵氧化層，通過在不同層中引入不同的元素或雜質(zhì)，改變界面的電子結(jié)構(gòu)，減少界面態(tài)的形成。在一些研究中，通過在柵氧化層中引入氮元素，形成Si-N-O界面，有效地降低了界面態(tài)密度，提高了器件的抗輻照性能。還可以通過電路設(shè)計來提高SOI器件的抗輻照能力。采用冗余設(shè)計，增加備份電路，當(dāng)主電路中的SOI器件因輻照而性能下降或失效時，備份電路能夠及時接替工作，保證系統(tǒng)的正常運行。在一些航天電子系統(tǒng)中，對關(guān)鍵的SOI器件采用了冗余設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。采用糾錯編碼技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行編碼和解碼，能夠糾正由于輻照導(dǎo)致的錯誤，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通過采用糾錯編碼技術(shù)，有效地降低了輻照對通信數(shù)據(jù)的影響，提高了通信的可靠性。