氦氫離子聯(lián)合注入硅基材料引起的表面剝離及機理研究.pdf

1、“智能剝離”技術最早是由Bruel提出來的,由于該技術能夠制備高質量的SOI材料,所以高劑量的輕氣體離子注入硅材料研究表面剝離及其注入層轉移引起了人們的廣泛關注。本論文采用輕氣體離子He和H聯(lián)合注入到兩種不同硅基材料中,通過掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM),詳細地研究了注入及退火后樣品表面損傷產生及熱演變規(guī)律,借助于橫截面試樣的透射電子顯微鏡(XTEM)對微觀缺陷的形成進行了研究,并對損傷產生的微觀機理進行了探討。具體研

2、究內容及結果如下:
　　 (1)將能量為40 keV、劑量為5×1016cm-2的He離子和能量為35 keV、劑量為1×1016cm-2的H離子依次注入表面生長一層約220 nm厚氧化層的單晶硅。隨后對注入樣品進行一系列溫度的退火處理,范圍是400℃到1000℃。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)以及橫截面試樣的透射電子顯微鏡(XTEM)對退火后的樣品進行表面形貌及結構缺陷進行觀測分析。實驗結果表明,在500

3、℃及其以上溫度退火后樣品的表面產生了發(fā)泡和局部剝離現(xiàn)象。經過測量,剝離發(fā)生在距樣品表面約420 nm的區(qū)域。通過XTEM,觀測到在高溫退火后氫氦離子聯(lián)合作用下產生的各種微觀結構缺陷,如空腔、板狀缺陷、納米級和微米級的裂隙以及各種位錯。結果顯示,板狀缺陷和裂隙主要分布在距樣品表面約420 nm處,這些缺陷是樣品表面損傷現(xiàn)象產生的因為。
　　 (2)將能量為40 keV、劑量為5×1016cm-2的He離子和能量為35 keV、劑量

4、分別為1×1015cm-2、5×1015cm-2和1×1016cm-2的H離子依次注入表面生長一層約170nm厚氮化層的單晶硅。隨后對注入樣品進行一系列溫度的退火處理,范圍是400℃到800℃。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)以及橫截面試樣的透射電子顯微鏡(XTEM),對退火后樣品表面損傷和微觀缺陷的形成及熱演變進行了觀測分析。實驗結果表明,樣品的表面損傷依賴于附加注入的氫離子劑量。注入氫離子劑量為1×1016cm-

5、2時,退火后觀測到了明顯的表面發(fā)泡和局部剝離現(xiàn)象,并且發(fā)現(xiàn)剝離區(qū)域有明顯的分層現(xiàn)象,分別對應于表面氮化硅層和界面下注入硅層的剝離。然而,注入氫離子劑量為5×1015cm-2時,退火800℃后只觀測到表面氮化硅層的剝離。對于注入氫離子劑量為1×1015cm-2的樣品,直到退火800℃后仍沒有產生表面損傷現(xiàn)象。對于高劑量的氫離子注入,樣品表面剝離程度隨著退火溫度的升高而逐漸增大,到600℃時達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過XTEM,觀測到硅基底內部以及界