輕氣體離子注入Si基材料引起的損傷及其機制研究.pdf

1、高劑量的輕氣體離子(如He、H)注入單晶Si在隨后的熱退火過程中可以在材料內部產(chǎn)生氣泡還可以導致表面發(fā)泡、剝落等表面損傷。輕氣體離子注入在單晶Si中引入的這些損傷在半導體器件中具有非常廣泛的用途。由此,采用He或H離子注入半導體材料研究空腔生長及其應用引起了人們的日益關注。本論文采用輕氣體離子注入到三種不同Si基材料中,通過多種表面和微結構測試手段,詳細地研究了注入及退火后表面損傷和微觀缺陷的形成和熱演變,并借助于多種分析技術對氣體原子

2、和缺陷之間的相互作用過程進行了研究,對損傷產(chǎn)生的微觀機制進行了探討。具體研究內容及結果如下:
　　 (1)將40或160 keV,5×1016／cm2的He離子注入到單晶Si中,采用橫截面透射電子顯微鏡(XTEM)和熱解吸譜儀(TDS)對注入及退火后損傷帶的微結構和He氣體的熱解吸情況與注入能量之間的關系進行了研究。XTEM結果顯示He離子注入及退火后會在Si中產(chǎn)生一個明顯的缺陷帶,它主要由空腔和位錯環(huán)組成。空腔帶的形貌和分布與

3、注入He離子的能量密切相關。TDS結果表明,He氣體原子的熱釋放都分為兩個階段進行,即低溫弱釋放階段(峰值約位于800—900 K)和高溫強釋放階段(峰值約位于1250 K)。此外,還采用光致發(fā)光譜儀(PL)對部分注入及退火的Si樣品進行了發(fā)光性能的測試。在熱退火過程中,PL分析觀測到了明顯的紅光和紅外發(fā)光帶。
　　 (2)采用40或160 keV,5×1016／cm2的He離子注入到含有220 nm氧化層的SiO2／Si中,借

4、助于XTEM和TDS觀測技術不僅研究了表面氧化層對空腔熱演變以及He,氣體熱釋放的影響,同時還研究了這種影響與He離子注入能量之間的關系。XTEM結果顯示,表面氧化層能夠有效地抑制空腔的熱生長,并且這種效應強烈依賴于注入He離子的能量。TDS測量結果表明,表面氧化層的存在可以導致低溫弱釋放峰消失,而在中間退火溫度出現(xiàn)了一個新的釋放峰。
　　 (3)采用40或160 keV,5×1016／cm2的He離子注入到含有170 nm S

5、i3N4層的單晶Si中,借助于XTEM和TDS研究了經(jīng)過不同處理后樣品內部空腔的形貌和He氣體的熱釋放情況。XTEM結果顯示表面氮化層的存在能夠抑制Si中空腔的熱生長,并且這種效應依賴于He離子的注入能量。若注入后將氮化層腐蝕掉,則空腔的熱生長基本不受影響。TDS觀測表明,表面氮化層是He氣體向表面熱釋放的勢壘,導致低溫弱釋放峰消失同時在中間退火溫度出現(xiàn)了一個新的He釋放峰。
　　 (4)首先采用160 keV,5×1016／c

6、m2的He離子對單晶Si樣品進行預注入,隨后分別采用三種能量的H離子(40 keV、110 keV或160 keV)對He預注入的樣品進行附加的H離子注入,注入劑量固定為1×1016／cm2。借助于掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)和XTEM對He和H離子聯(lián)合注入后樣品的表面形貌和結構缺陷進行了觀測。當H注入層在He注入層前面時,He預注入可以促進H注入層空腔的熱生長,導致樣品表面出現(xiàn)發(fā)泡以及深度在H注入層的表面剝落現(xiàn)象。

7、當He、H的注入深度一致時,附加的H離子注入促進He空腔生長,并使得空腔帶變窄,注入層出現(xiàn)了單層大尺寸空腔,同時導致了大面積的表面剝落現(xiàn)象。然而當H注入層在He注入層下面時,附加的H離子注入只是在He和H注入層引入了大量的大尺寸位錯。此外,對于部分注入樣品,利用正電子湮沒譜儀(PAS)、彈性反沖探測分析(ERDA)研究了退火過程中空位型缺陷和H原子的分布及熱演變,并對He、H原子和空位型缺陷之間的相互作用以及損傷產(chǎn)生的微觀機制進行了探討