纳米高k栅CMOS器件的总剂量效应及加固技术研究 材料学专业VIP专享

摘 要摘 要随着空间技术、核科学和微纳电子技术的不断发展，越来越多的电子器件被广泛应用于航空、航天及战略武器系统中，遭受着恶劣辐射环境的严重考验。辐射环境中的高能粒子和射线射入半导体器件的氧化区，造成电离损伤，产生氧化层陷阱电荷，从而诱发总剂量（Total Ionizing Dose，TID）效应。新工艺技术的出现，如绝缘体上硅（SOI）和高 k 介质层，使得 TID 成为引起微电子器件性能退化甚至功能失效最主要的辐射效应。本文以高 k 栅全耗尽 SOI（Fully Depleted SOI ， FD-SOI ） MOSFET 和 环 栅 纳 米 线 晶 体 管 （ Gate All-Around Nanowire Transistor，GAA-NWT）研究对象，对其总剂量效应以及相应的加固技术进行了深入系统的研究，主要工作及研究结果如下。一、提出了一种线性能量转移（Linear Energy Transfer，LET）的高斯—对数模型，推导了辐射场中材料吸收剂量的计算表达式，并基于此对高 k 材料的辐射敏感性进行了分析。基于对大量 LET 试验数据的分析，通过对对数变换后的 LET数据进行高斯函数拟合，得出了计算任意粒子在硅中 LET 的简化表达式，并在此基础上计算了粒子在硅中射程及 Bragg 峰值，其计算结果与实验数据吻合较好。提出一种利用 LET 表达式计算任意初始能量下粒子在硅中 Bragg 曲线的简化方法，通过使用粒子剩余能量建立起粒子入射深度与 LET 之间的数学关系，不仅极大地减少了计算耗时，而且与 TRIM 计算结果吻合度较高。推导了单向平行辐射场和一般辐射场中材料吸收剂量的计算表达式，建立起粒子通量与吸收剂量之间的数学关系，并在此基础上，计算了 HfO2与 SiO2在相同辐射环境中的吸收剂量之比，定量分析了 HfO2对总剂量辐射的敏感性。二、对浮体 FD-SOI 器件的总剂量（Total Ionizing Dose，TID）效应进行了TCAD 仿真，并详细分析了浮体 FD-SOI 器件 TID 效应的影响因素。利用Sentaurus TCAD 软件建立了 45nm 栅长 n 型 FD-SOI 器件的三维模型，利用 SiO2中的电荷俘获模型对 FD-SOI 器件氧化区在不同偏置条件下的电荷俘获过程进行了仿真。基于氧化层电荷俘获的结果，对浮体 FD-SOI 器件的 TID 效应进行了仿真，并详细分析了 TID 效应对 FD-SOI 器件阈值电压、关态漏电流、跨导和亚阈值摆幅的影响。对不同结构浮体 FD-SOI 器件的 TID 效应进行了仿真，分析了埋氧层（Buried Oxide，BOX）厚度对 TID 效应的增强作用...