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水等离子体离子注入形成SOI结构材料的研究

陈静  
【摘要】: 绝缘体上的硅(SOI)技术以其独特的结构在低压、低功耗电路,高温、抗辐照器件以及集成光电子器件方面有着广泛的应用。1998年IBM公司首次使用SOI技术成功制造出微处理器等高性能芯片标志着SOI材料从军用向大规模商业应用的转折。目前制约SOI技术商业应用的重要因素之一是SOI圆片过低的产量和过高的价格,主要原因是使用传统线扫描式离子注入机需要很长时间才能达到所需的注入剂量(10~(17)~10~(18)cm~(-2))。等离子体离子注入(PⅢ)技术由于其强束流和大面积注入方式而有希望在SOI材料制备方面获得突破。本论文创造性地采用水等离子体离子注入方式代替传统的氧离子注入方式来制备SOI结构材料,由于水等离子体中的三种离子H_2O~+、HO~+和O~+质量数相差很小,克服了氧等离子体中因O_2~+和O~+质量数相差大而引起的氧在硅中的分布弥散,使注入硅后的氧射程分布相对集中,比较容易退火后形成SOI结构材料。我们使用无质量分析器的离子注入机,模拟等离子体离子注入过程,成功地在该注入机上用水等离子体离子注入制备出了界面陡峭、平整,表层硅单晶质量好,埋层厚度均匀的薄型SOI材料。 本论文还系统地研究了不同注入剂量、注入能量、注入时基底温度以及退火温度对所形成SOI结构性能的影响,借助XTEM、SIMS、SRP、RBS、IE、Raman、AES、XPS等测试分析手段,我们发现,与传统注氧隔离(SIMOX)技术类似,存在着“剂量窗口”形成优质的SOI材料,但在水等离子体离子注入方式中SOI材料结构质量对剂量变化更为敏感,随着注入剂量的增大,SOI材料的埋层厚度增大而表层硅厚度减小。通过调节注入能量可获得所需要的不同表层硅厚度的SOI结构材料,但为获得高质量的SOI材料,注入能量需要和注入剂量有合适的匹配。通过调节注入能量与剂量,可获得氧化埋层厚度约70~180nm,表层硅厚度约50~150nm范围的薄型甚或超薄型SOI结构材料。 本论文一个重要发现是以水等离子体离子注入方式所形成埋层SiO_2厚度得到了大幅度的展宽,相比传统SIMOX法,其展宽幅度高达50%,这一重要发现为降低注入时间和SOI制备成本提供了有效的途径。SIMS结果表明水离子原注入样品中的氢分布出现了明显的双峰分布状态,这两个峰的峰位分别位于注入氧分布浓度峰值Rp的两侧,并且与退火样品的氧矩形分布的两边位置基本重合。结合XTEM结果可知这两个氢浓度峰分别对应氧注入引起的缺陷浓度峰值Dp处和尾部缺陷 摘 要 层的最高密度缺陷区域。独特设计的氮气氛退火及分步退火实验证明了原注入样 品的缺陷层中氢及氢致缺陷的存在使得在退火过程中加速外界气氛中的氧扩散进 来,并成为强捕获中心使扩散进来的氧滞留于缺陷层从而促使氧缺陷层中的氧沉 淀生长,加速了高温退火中的内部热氧化过程,从而形成了比传统相同剂量 SIMOXSOI厚得多的氧化埋层。 改变注入时基底温度我们发现过低的基底温度将造成表层硅单晶质量差。另 外,形成的SOI结构埋层厚度也随基底温度变化而不同,这可能是氢扩散随温度 变化造成浓度区位置不同从而对氧沉淀作用也不同所致。通过对硅中氧沉淀成核 和生长的热动力学原理分析,我们认为硅中氧沉淀的生长需要过饱和的间隙氧存 在以及一定温度下氧沉淀比临界晶核大的两个必要条件。结合不同退火温度下样 品的微结构变化情况,我们发现在水等离子体离子注入方式形成SOI结构过程中, 存在着与传统 SIMOX有所差别的 Oswald ipening过程,其相应的退火过程中氧化 埋层形成机制为:退火过程中的氧沉淀成核及生长由于氢的存在而被加速,尤其 是在氧离子缺陷浓度峰值Dp附近区域,在大量缺陷及氢致缺陷的相关作用下,氧 扩散速度加快很多,氧沉淀的成核数目及生长速率远大于传统SIMOX法,因此更 多的氧沉淀会大子当时温度下的临界晶核,长大并与众多的相邻氧沉淀合并从而 形成连续埋层,小于临界晶核的氧沉淀则溶解重新成为间隙氧扩散。


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