氦氫離子聯(lián)合注入硅基材料引起的表面剝離及機(jī)理研究.pdf

1、“智能剝離”技術(shù)最早是由Bruel提出來(lái)的,由于該技術(shù)能夠制備高質(zhì)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(zhuǎn)移引起了人們的廣泛關(guān)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(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM),詳細(xì)地研究了注入及退火后樣品表面損傷產(chǎn)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(duì)微觀缺陷的形成進(jìn)行了研究,并對(duì)損傷產(chǎn)生的微觀機(jī)理進(jìn)行了探討。具體研

2、究?jī)?nèi)容及結(jié)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(zhǎng)一層約220 nm厚氧化層的單晶硅。隨后對(duì)注入樣品進(jìn)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(duì)退火后的樣品進(jìn)行表面形貌及結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行觀測(cè)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在500

3、℃及其以上溫度退火后樣品的表面產(chǎn)生了發(fā)泡和局部剝離現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)測(cè)量,剝離發(fā)生在距樣品表面約420 nm的區(qū)域。通過(guò)XTEM,觀測(cè)到在高溫退火后氫氦離子聯(lián)合作用下產(chǎn)生的各種微觀結(jié)構(gòu)缺陷,如空腔、板狀缺陷、納米級(jí)和微米級(jí)的裂隙以及各種位錯(cuò)。結(jié)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(chǎn)生的因?yàn)椤?br>　　 (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(zhǎng)一層約170nm厚氮化層的單晶硅。隨后對(duì)注入樣品進(jìn)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(duì)退火后樣品表面損傷和微觀缺陷的形成及熱演變進(jìn)行了觀測(cè)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,樣品的表面損傷依賴(lài)于附加注入的氫離子劑量。注入氫離子劑量為1×1016cm-

5、2時(shí),退火后觀測(cè)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(duì)應(yīng)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(shí),退火800℃后只觀測(cè)到表面氮化硅層的剝離。對(duì)于注入氫離子劑量為1×1015cm-2的樣品,直到退火800℃后仍沒(méi)有產(chǎn)生表面損傷現(xiàn)象。對(duì)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(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)XTEM,觀測(cè)到硅基底內(nèi)部以及界