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轻气体离子注入Si基材料引起的损伤及其机制研究

王卓  
【摘要】: 高剂量的轻气体离子(如He、H)注入单晶Si在随后的热退火过程中可以在材料内部产生气泡还可以导致表面发泡、剥落等表面损伤。轻气体离子注入在单晶Si中引入的这些损伤在半导体器件中具有非常广泛的用途。由此,采用He或H离子注入半导体材料研究空腔生长及其应用引起了人们的日益关注。本论文采用轻气体离子注入到三种不同Si基材料中,通过多种表面和微结构测试手段,详细地研究了注入及退火后表面损伤和微观缺陷的形成和热演变,并借助于多种分析技术对气体原子和缺陷之间的相互作用过程进行了研究,对损伤产生的微观机制进行了探讨。具体研究内容及结果如下: (1)将40或160 keV,5×1016/cm2的He离子注入到单晶Si中,采用横截面透射电子显微镜(XTEM)和热解吸谱仪(TDS)对注入及退火后损伤带的微结构和He气体的热解吸情况与注入能量之间的关系进行了研究。XTEM结果显示He离子注入及退火后会在Si中产生一个明显的缺陷带,它主要由空腔和位错环组成。空腔带的形貌和分布与注入He离子的能量密切相关。TDS结果表明,He气体原子的热释放都分为两个阶段进行,即低温弱释放阶段(峰值约位于800-900 K)和高温强释放阶段(峰值约位于1250 K)。此外,还采用光致发光谱仪(PL)对部分注入及退火的Si样品进行了发光性能的测试。在热退火过程中,PL分析观测到了明显的红光和红外发光带。 (2)采用40或160 keV,5×10 16/cm2的He离子注入到含有220 nm氧化层的SiO2/Si中,借助于XTEM和TDS观测技术不仅研究了表面氧化层对空腔热演变以及He气体热释放的影响,同时还研究了这种影响与He离子注入能量之间的关系。XTEM结果显示,表面氧化层能够有效地抑制空腔的热生长,并且这种效应强烈依赖于注入He离子的能量。TDS测量结果表明,表面氧化层的存在可以导致低温弱释放峰消失,而在中间退火温度出现了一个新的释放峰。 (3)采用40或160 keV,5×1016/cm2的He离子注入到含有170 nm Si3N4层的单晶Si中,借助于XTEM和TDS研究了经过不同处理后样品内部空腔的形貌和He气体的热释放情况。XTEM结果显示表面氮化层的存在能够抑制Si中空腔的热生长,并且这种效应依赖于He离子的注入能量。若注入后将氮化层腐蚀掉,则空腔的热生长基本不受影响。TDS观测表明,表面氮化层是He气体向表面热释放的势垒,导致低温弱释放峰消失同时在中间退火温度出现了一个新的He释放峰。(4)首先采用160 keV,5×1016/cm2的He离子对单晶Si样品进行预注入,随后分别采用三种能量的H离子(40 keV、110 keV或160 keV)对He预注入的样品进行附加的H离子注入,注入剂量固定为1×1016/cm2。借助于扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和XTEM对He和H离子联合注入后样品的表面形貌和结构缺陷进行了观测。当H注入层在He注入层前面时,He预注入可以促进H注入层空腔的热生长,导致样品表面出现发泡以及深度在H注入层的表面剥落现象。当He、H的注入深度一致时,附加的H离子注入促进He空腔生长,并使得空腔带变窄,注入层出现了单层大尺寸空腔,同时导致了大面积的表面剥落现象。然而当H注入层在He注入层下面时,附加的H离子注入只是在He和H注入层引入了大量的大尺寸位错。此外,对于部分注入样品,利用正电子湮没谱仪(PAS)、弹性反冲探测分析(ERDA)研究了退火过程中空位型缺陷和H原子的分布及热演变,并对He、H原子和空位型缺陷之间的相互作用以及损伤产生的微观机制进行了探讨。


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