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离子注入技术虽然经济简单，但带来的损伤较大，获得的材料氧化层内部和界面处的缺陷都比较多；热氧化方法获得的材料则比较致密，氧化层内部以及界面处的缺陷都相对较少。Simbond技术获得的SOI材料氧化层便是采用热氧化法，本文采用的样品就是此类材料。如前文所述，Si离子注入可有效提高SOI材料的抗辐射性能，本论文就是在前人研究的基础上进一步讨论Si离子注入工艺对Simbond SOI材料抗总剂量辐射能力的影响，以及如何优化工艺参数以提高SOI材料的抗辐射性能。
Si离子注入工艺的关键参数是离子注入剂量和注入能量，实验通过改变这两个参数分析它们对埋氧层纳米硅晶生长的情况以及SOI材料抗总剂量辐射性能的影响。本文主要分三个部分：
（1）分析Si离子注入对提高SOI材料抗总剂量辐射性能的机理；
（2）利用PL谱（光致发光谱）分析Si离子不同注入剂量和能量后，BOX层内纳米硅晶生长的情况；
（3）采用Pseudo—MOS技术对SOI材料进行电学性能表征，分析Si离子不同注入剂量和能量对材料抗辐射性能的影响。
2 Si离子注入法提高SOI材料抗总剂量辐射性能的机理
2.1 BOX层对抗辐射性能的影响
BOX层的存在使得SOI器件的总剂量辐射效应比体硅器件更为复杂[16]，也是决定SOI抗辐射材料的关键，所以我们主要讨论的是BOX层。BOX层的缺陷主要来自于SiO2内部以及Si/ SiO2界面处 ，一些缺陷如氧的悬挂键、界面陷阱、弱的硅-硅键等能够产生电荷陷阱俘获电子或空穴。当SOI材料遭受辐射时，BOX层会吸收能量产生电子跃迁形成电子—空穴对。在电场作用下电子的迁移率远比空穴大，未与空穴发生复合的电子会很快被电场扫出去，而剩下的未被复合的空穴则留在BOX层内缓慢迁移最终被空穴陷阱俘获，形成BOX层中的固定正电荷。而且BOX层的电子陷阱数量、俘获面积均小于空穴陷阱，又由于Si/ SiO2界面势垒的存在，一般电子不能从Si层进入到SiO2层来中和这些固定正电荷，所以在BOX层界面附近不断产生净正电荷累积，造成SOI器件阈值电压负向漂移和漏电流增大[17]。图2-1展示了BOX层在SOI器件总剂量辐射过程中累积的正电荷的示意图。
图2-1 SOI器件埋氧层在总剂量辐射中累积的正电荷
从上图可以看出，正电荷主要在埋氧层上半部分靠近界面处累积。这是因为埋氧层里的空穴陷阱大多集中于界面附近。正电荷离界面越近，其产生的电场在背沟道处的场强越大，背沟道就越容易耗尽和反型，导致器件阈值电压漂移和漏电。
因此减少BOX层在辐射过程中的正电荷累积成为增强SOI材料抗辐射性能的关键，经过大量研究发现，通过Si离子注入,在BOX层内引入了更多的深电子陷阱，而且该注入法与CMOS工艺有很好的兼容性，成为BOX层改性加固的一种有效方法。
2.2 Si离子注入在BOX层引入纳米硅晶
一般半导体纳米晶体是指尺寸小于100nm的超微粒。在纳米尺度范围内，半导体纳米晶粒会随着晶粒尺寸的减小发生量子化效应，呈现出与块体不一样的光学和电学性质[18]。块状半导体的能级呈现出连续性，其导帯和价带间的能级差是固定的，但是当半导体的颗粒减小到一定尺寸时，一个小尺寸的势阱就会把半导体的载流子限制在其中，使得价带和导带逐渐过渡成为分立的能级，能带间隙也随之增大，这就是尺寸量子效应。
Nicklaw等人曾对非晶SiO2中注入Si离子后形成的缺陷和纳米晶体做过研究，他们经过理论计算得出这种纳米晶体缺陷的基态和第一激发态能级都位于非晶SiO2的禁带内，所以BOX层中生成的硅纳米晶体缺陷起到了一种深电子陷阱能级的作用，电子陷阱能级的存在可有效俘获BOX层在辐照条件下产生的电子[19]。而且随着颗粒尺寸的减小，颗粒表面与体积的比值增加，其表面的原子数目与内部原子数目的比值也就增加，表面状态对颗粒的整体性质的影响就会越强。相比于块状半导体，纳米级半导体颗粒就会存在更多的电子陷阱。如前文所述，曾有研究者尝试向SOI材料中注入其他类型的离子，如F、Ar、Al等，它们在BOX层也产生了一定量的陷阱电荷，但是都没有像Si离子注入那样有效提高了材料的抗辐射性，那是因为它们在退火处理后未在BOX层形成半导体纳米晶。