中文摘要：

超深亚微米MOSFET的源漏间距在100nm左右，栅绝缘层更薄，辐射产生的电离通道和缺陷跨接两个区域或穿透绝缘层的几率很大，导致器件失效的可能性很高。这些电离通道和缺陷到底如何影响器件的性能，是一个尚未解决的问题。本课题拟研究重离子产生的电离通道和缺陷及缺陷簇与离子能量、线性能量转移值等参数的关系；重点研究辐射产生的晶格移位缺陷及缺陷簇的空间分布表征方法，以及缺陷大小与陷阱能级和密度之间的关系，结合重离子的电离模型，考虑超深亚微米半导体器件的陷阱效应、短沟效应、热载流子效应、栅氧击穿和寄生效应等，建立超深亚微米半导体器件的单粒子效应模型，明确重离子微观辐射损伤与半导体器件宏观参数之间的关系。以超深亚微米SOI器件为对象，应用计算机模拟和重离子辐照实验，探索超深亚微米SOI 器件的重离子单粒子效应新现象，揭示其机理，分析单粒子效应与重离子LET和器件特征尺寸等参数的关系，探讨加固措施。

结论摘要：

随着半导体器件特征尺寸的减小，单粒子效应越来越严重，特别是单个粒子的位移损伤是不可恢复的，严重影响航天电子系统的安全，成为国内外研究的热点。本项目计算了α粒子和Fe离子在半导体材料Si、SiO2、Si3N4等中的径迹分布以及沿径迹产生的等离子体的密度和长度，以及产生的缺陷及缺陷簇的数目和缺陷大小随入射离子能量变化的规律。重点研究了辐射产生的晶格移位缺陷的表征，建立了辐射产生的晶格移位缺陷与半导体器件宏观性能参数之间的联系。给出了不同离子入射产生Si级联碰撞的缺陷空间分布、缺陷数目和形态。统计结果表明PKA能量90%以上都集中于10keV能量以下。10keV以下的PKA产生的缺陷数目与PKA能量呈线性关系。研究了入射方向、辐照温度对缺陷形成和演化过程的影响。通过提取MD的计算结果，引入缺陷参数到KMC模拟器中，实现了MD和KMC计算的“无缝对接”，模拟了单粒子位移损伤缺陷的长时间退火过程；经过长达几百秒至数万秒的退火，90%以上的缺陷发生了复合。推导得到了位移损伤产生的泄漏电流及其退火因子的表达式，给出了泄漏电流随时间的变化。发现单粒子位移损伤（SPDD）电流受电场影响较大。当电场大于104 V/cm，SPDD电流呈量级增大。这是由于载流子发射的强电场增强效应导致的。考虑了电场增强效应，把电场分层近似后，计算了Nd和Cd离子入射二极管产生的SPDD电流台阶值。单个粒子产生的SPDD电流台阶范围为1 fA-1 pA；极少数情况下SPDD电流可达2pA水平，这些高电流值来源于位于PN结附近较高能量的PKA的贡献。模拟计算得到的80 MeV Nd离子和106 MeV Cd离子在二极管中产生的最小电流值与实验测量到的SPDD电流台阶值一致，能够很好地预测重离子入射半导体器件引起的SPDD电流。上述成果未见国内外文献报道，为单粒子位移损伤效应研究提供了新思路和新手段。建立了单粒子效应计算机仿真模型，研究了单粒子电离和位移损伤效应，分析了离子电离径迹宽度对不同特征尺寸器件单粒子效应的影响及单粒子位移损伤缺陷对器件性能的影响。开展了加速器重离子和α粒子单粒子效应实验，验证模拟计算结果。探索减小单粒子效应的加固措施，提出采用大的宽长比可成倍地提高SRAM器件的单粒子翻转LET阈值，从而提高器件的抗单粒子翻转能力。项目研究成果具有重要的学术意义和应用价值。