He离子注入单晶硅空腔生长及He热释放研究

【摘要】： 随着半导体技术的飞速发展,迫切需要高性能的半导体材料和器件。离子注入作为一种重要的技术已经广泛地应用于半导体材料及其器件制作工艺中。早期的离子注入主要用于材料改性、产生p-n结等。近年来人们发现高剂量的轻气体离子注入半导体材料中经过退火以后可以形成空腔,这些空腔具有捕获金属杂质,控制少数带电载流子寿命等一系列对半导体材料有益的性质。由此,关于He或H离子注入半导体材料中研究空腔生长及其应用逐渐受到人们的关注。 在本工作中,我们采用了能量为40 keV、剂量为5×1016 ions/cm2的He离子来注入两类Si样品,一是CZ n型单晶Si,二是相同的Si上面生长了一层厚度约为220 nm的SiO2层。分别采用了透射电子显微镜(TEM)、热解析谱仪(THDS)、光致发光谱仪(PL)详细研究了热处理过程中He注入空腔的形成、He气体原子的热释放以及注入引起的光致发光特性,同时还研究了表面氧化层对空腔生长和He原子热释放引起的效应。XTEM结果表明,He离子注入及随后的800℃退火会在单晶Si中产生宽度为220 nm的空腔带,同时伴随着He气体原子从注入产生的缺陷中释放出来。空腔带中的空腔尺寸主要分布在4-25 nm,其平均尺寸约为11 nm。然而,表面氧化层的存在会明显的抑制Si中空腔的生长,导致了空腔带宽度收缩,这种抑制作用主要发生在靠近SiO2/Si界面区域中。 THDS结果显示,注入Si中He气体原子的热释放明显分为两个阶段,一是低温弱释放,峰温约为900K,二是高温强释放,峰温约为1250K。它们分别对应于He原子从小的空位型缺陷和大的气泡中的热释放。表面SiO2层可以在低温退火阶段充当He原子向表面扩散逃逸的势垒,使得在中等退火温度产生大量的过压气泡,从而导致了低温弱释放峰消失,并在中等退火温度出现了新的释放峰。PL测量结果显示He离子注入单晶Si并经退火会产生两个波长分别为680 nm和930 nm的发光带,并且其发光强度随温度升高而增强。我们认为该发光带可能与单晶Si内部的空腔和纳米Si团簇有关。