注氫、注鍺硅片的微結構及其退火行為研究.pdf

1、迅猛發(fā)展的集成電路技術不斷對硅單晶材料提出了更趨嚴格的要求，包括材料表面質量和內部完整性的改善、載流子遷移率的提升以及實現(xiàn)光電集成的可能性等。離子注入可以不受固溶度和熱平衡的限制，引入異質物質到硅材料中，引起材料成分乃至結構的變化，并導致材料性能的變化。過飽和的氫可以通過這種手段引入至硅中，與硅晶格反應產生特殊的微結構。這樣的微結構已經成功用于SOI材料和多孔硅的制備以及吸除硅片中的金屬雜質。大量Ge的注入則可以引起硅晶格常數(shù)的變化，可

2、在硅中引入彈性應變和形成量子結構，并能導致能帶結構的調整。而且Ge離子半徑大，注入時極可能破壞硅中的原生缺陷。氫或鍺注入到硅中產生的微結構為改善硅材料性能和制備新的硅基材料提供了有利途徑。為了更好地利用這些微結構，深入了解它們的特征和退火行為是必要的。 本文通過離子注入手段向硅中分別引入1H+(5×1016～2×1017ions/cm2)或74Ge+(2×1014～7×1016ions/cm2)。注氫硅片和注鍺硅片中的微結構及其

3、退火后的變化通過透射電鏡顯微術(TEM)、光學顯微術、紅外干涉反射譜、盧瑟福背散射譜(RBS)、拉曼譜(Raman)和激光散射技術等手段進行了研究。注鍺硅片中的Ge分布和退火后的再分布也通過RBS和二次離子質譜(SIMS)技術進行了分析。 本文通過TEM發(fā)現(xiàn)氫離子注入可以在硅片中引入特殊的微結構：{100}片狀缺陷、{111｝片狀缺陷和{311｝面狀缺陷等。{111｝和{100｝片狀缺陷系H占據(jù)同一{111｝或{100｝面上緊鄰

4、Si-Si鍵中心位置的H和Si的復合體，并引起約0.084nm的晶格膨脹。{311｝面狀缺陷系Si間隙原子的堆積體，表現(xiàn)為{100)面和(111)面交替的臺階狀延伸。本文首次揭示了襯底面向和離子注入方向對注氫硅片中微結構的影響。在〈100〉硅片中，平行于襯底表面的(100)片狀缺陷占據(jù)主導，而在〈111〉硅片中，平行于襯底表面的(111)片狀缺陷占據(jù)主導。另外，{311｝缺陷只出現(xiàn)于〈100〉硅片中，而不出現(xiàn)于〈111〉硅片中。離子注入

5、方向則影響到片狀缺陷尺寸和間距隨深度的變化。 光學顯微鏡下觀察到注氫硅片退火后正表面產生凹坑和突起的泡。離子注入能量和劑量的增大以及選擇〈111〉取向的襯底均有利于表面坑的尺寸增大，即有利于實現(xiàn)硅片的完整剝離。表面起泡所需的最低溫度和相應溫度下所需的最短時間被確定。體內氣泡形成所需的溫度和時間也通過紅外干涉反射譜得到。退火時，體內氣泡不儀橫向尺寸增大，而且存在從淺處合并到深處的現(xiàn)象。退火溫度和劑量的增大均有利于氣泡在更淺處成核。

6、 本文通過TEM發(fā)現(xiàn)，注氫硅片中片狀缺陷最終演化成二維的裂紋或三維的空腔，并直接觀察到裂紋優(yōu)先在尺寸相對大的片狀缺陷處成核。片狀缺陷向裂紋演化的初期要經歷一個非晶化的階段。裂紋表現(xiàn)為波狀起伏的條帶，而空腔則是內表面由{100｝和{111｝圍成的截角八面體，并可帶有非晶內壁。襯底面向和離子注入方向對裂紋和空腔特征有顯著的影響。無論是〈100〉或〈111〉取向的襯底，裂紋的橫向延伸和空腔的排列都平行于襯底的正表面。襯底面向還影響到高

7、溫退火時空腔之間的連接方式。離子注入方向則影響到低溫退火產生的裂紋的位置、高溫退火產生的裂紋的形態(tài)和空腔串的數(shù)量。因此襯底面向和離子注入方向可以成為控制注氫硅片退火后的微結構的兩個重要因素。 RBS和SIMS分析表明，低溫(77k)注入可以得到比室溫注入更窄的Ge分布和更深的Ge峰位，能有效抑制Ge分布的展寬。而且，紅外反射譜和TEM觀察證實低溫注入可以比室溫注入產生更嚴重的損傷，更厚的非晶層，更小的殘留微晶團和起伏更小的非晶層

8、/晶體襯底(a/c)界面。本文通過RBS和SIMS發(fā)現(xiàn)，注入溫度會影響到退火后的Ge再分布。特征的平臺式分布形態(tài)出現(xiàn)在退火后的低溫注鍺樣品中。RBS研究表明，注鍺硅片表面的非晶層在退火過程中由a/c界面朝表面方向固相外延生長。 本文首次利用大劑量(7×1016Ge+/cm2)室溫注入并結合固相外延生長技術成功制得應變硅。Raman測試揭示應變性質為張應變，應變值為0.67％。TEM觀察表明，SiGe合金層中出現(xiàn)Ge有序占位的量子

9、點，其下面出現(xiàn)失配位錯和深入襯底的位錯環(huán)。這些微結構均有利于SiGe合金層的馳豫。位錯向頂部應變層的穿通得到有效抑制。等劑量的低溫注鍺硅片在固相外延生長后生成大量位錯和孿晶，表層基本沒有應變。低劑量(≤6×1014Ge+/cm2)注鍺硅片固相外延生長后能恢復到很好的單晶性質，但也未能引入明顯的彈性應變。 本文首次通過離子注入及固相外延技術獲得嵌在Si單晶基體中的Ge有序占位的量子點。通過TEM觀察發(fā)現(xiàn)量子點內呈現(xiàn)調制結構特征。量

10、子點密度和位置均和離子注入工藝有關，量子點主要分布于平均離子射程Rp附近，而其密度要受到注入劑量的影響。因此離子注入技術在有效控制和利用這種量子點方面應有很好的應用前景。另外，注Ge硅片的表面氧化也導致Ge在Si晶體中富集并形成這種量子點。而在低溫大劑量注鍺硅片中未見到量子點出現(xiàn)。 本文首次提出結合Ge離子注入和固相外延生長消除硅片中晶體原生坑(COPs)缺陷的方法，并成功獲得結晶完好的且COPs很少的薄硅層。通過Raman和T