为进一步改善器件的性能,需要采用高κ介质材料替代SiO2作为栅介质,它可减小栅介质层的直接隧穿效应,从而减小栅介质层的漏电流,提高器件的可靠性。目前高1κ材料已在先进器件的制造工艺中得到了广泛应用。随着这些先进器件应用于空间环境,其高κ介质层容易受到辐射环境的影响,使器件的性能发生退化。因此为了使先进的纳米器件能够应用于辐射环境,对其内部高κ材料的抗辐射效应及其机理的研究成为了人们比较关注的方向。首先,利用γ射线对Al2O3栅介质层的金属-氧化物-半导体(MOS)电容器进行电离总剂量实验。研究发现,Al2O3栅介质层中含有大量的空穴俘获中心,俘获了辐照产生的空穴,引起MOS电容-电压(C-V)曲线的左漂。在γ射线照射后再使用30 MeV Si重离子进行协同辐照。结果表明,Si离子引起的新缺陷是电子俘获中心或负的固定电荷,而引起C-V曲线的右漂。通过电流密度-电压(J-V)测试实验和模拟数据证实,Al2O3层中漏电流的传输机制主要由Frenkel-Poole机制决定。其中,漏电流的变化主要是由于局部内置电场辅助电流泄漏和导电路径辅助电流泄漏,并且与辐照条件和Al2O3厚度有关。最后,解释了MOS电容器的栅氧化层电容的减小归因于MOS电容器中串联电阻和漏电流的增加。论文还对器件辐照后的物理机理进行了理论分析。选用α-Al2O3晶型作为初始结构,通过第一性原理计算分析发现,重离子辐照氧化铝介电层可能引入了电子俘获中心或负的固定电荷。辐照引起了2VO、20i这两种缺陷,它们在氧化铝中作为电子俘获中心还是空穴俘获中心与实际的费米能级位置有关。辐照导致的2VAl、2Ali、Hi、HO、AlO、OAl、Hi-Oi、Hi-VAl、H2-VAl及H3-VAl缺陷,它们只能作为辐照后的Al2O3栅介质中带负电的固定电荷、不带电固定电荷或带正电的固定电荷。H3-VAl、Hi-VAl、H2-VAl结构在键断裂丢失H以后也会成为更负的固定电荷,这些负的固定电荷可能引起了C-V右漂。结构内产生的Si+等悬挂键会引入界面态使C-V曲线拉伸或者成为电子俘获中心使C-V曲线右漂。另外,这些辐照引入的缺陷不仅作为一种俘获中心或者固定电荷中心,还成为了一种导电路径,增大了氧化铝栅介质的漏电流。