氦和氫離子注入含表面絕緣層單晶硅引起的損傷及發(fā)光性質(zhì)研究.pdf

1、高劑量輕氣體離子注入Si基材料可以誘發(fā)一系列現(xiàn)象。如氣泡、表而發(fā)泡和表面剝離等。研究這些現(xiàn)象對(duì)于氣體離子與固體相互作用的基本過程以及氣體離子注入在現(xiàn)代微電子器件中的應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)踐意義。
　　 本論文運(yùn)用輕氣體離子注入含表面絕緣層單晶Si，借助于多種表面和微結(jié)構(gòu)測(cè)試手段，詳細(xì)研究了注入及隨后的高溫退火誘發(fā)的表面損傷及微觀缺陷形成和熱演變規(guī)律，并探討了表面損傷形成的可能機(jī)制。同時(shí)還研究了輕氣體注入這類材料的發(fā)光特性及可能的

2、發(fā)光機(jī)制。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　 (1)采用5×1016/cm2，160keVHe和1×1016/cm2，110keVH離子雙注入Si3N4/Si樣品。借助于掃描電子顯微鏡(SEM)，光學(xué)顯微鏡(OM)和原子力顯微鏡(AFM)研究了表面損傷及熱演變規(guī)律。通過橫截面試樣透射電子顯微鏡(XTEM)觀測(cè)了樣品內(nèi)部缺陷的分布。表面損傷研究結(jié)果表明，He和H雙離子聯(lián)合注入Si3N4/Si樣品會(huì)誘發(fā)一系列的表面現(xiàn)象且強(qiáng)烈依賴于退火溫

3、度。注入態(tài)樣品未觀測(cè)到任何表面效應(yīng)。經(jīng)過500℃退火，樣品表面會(huì)出現(xiàn)單層剝離，它對(duì)應(yīng)于表面Si3N4層的剝離。而退火溫度增加到600℃及以上時(shí)，除了Si3N4層剝離之外，還觀測(cè)到了表面發(fā)泡、注入硅層的剝離現(xiàn)象，即出現(xiàn)了兩層剝離現(xiàn)象。氣體離子注入Si3N4/Si樣品誘發(fā)的兩層剝離現(xiàn)象尚未見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。XTEM結(jié)果表明，H離子的附加注入促進(jìn)了氦泡在高溫退火下的有效生長(zhǎng)，導(dǎo)致氣泡間連通的發(fā)生。增加的氣壓導(dǎo)致連通區(qū)，連通區(qū)域的形變向表面?zhèn)鬟f是樣品

4、表面發(fā)生剝離的主要原因。另外，借助于形變產(chǎn)生的應(yīng)力，并考慮到Si3N4材料的機(jī)械力學(xué)性能對(duì)單層剝離現(xiàn)象可能的機(jī)制進(jìn)行了探討。
　　 (2)在相同的注入條件下，對(duì)SiO2/Si樣品進(jìn)行了相似的研究。表而損傷研究結(jié)果表明，He和H離子注入僅僅在600℃以上退火溫度使樣品表面產(chǎn)生了發(fā)泡。盡管隨著退火溫度的增加，表面發(fā)泡的高度和尺寸有所增加，但即使在1100℃的高溫退火下，也未觀測(cè)到明顯的表面剝離現(xiàn)象。該結(jié)果與Si3N4/Si樣品上觀測(cè)

5、到的結(jié)果明顯不同。借助于XTEM分析，與Si3N4/Si樣品相似，附加H離子的輻照同樣也促進(jìn)了氣泡的生長(zhǎng)。表面發(fā)泡形成跟該效應(yīng)密切相關(guān)。兩類樣品在相同的注入和退火條件下出現(xiàn)不同的表面損傷規(guī)律，我們推測(cè)可能跟兩類材料的力學(xué)性能不同有關(guān)，由于SiO2與Si材料的密度相近、匹配性較好，致使SiO2層和Si層結(jié)合緊密，即使在較大的應(yīng)力作用下，結(jié)合面也不會(huì)發(fā)生分裂。此外，SiO2材料韌度較強(qiáng)，也不易發(fā)生破裂，這可能是觀測(cè)不到SiO2/Si樣品表面

6、剝離的原因。
　　 (3)采用光致發(fā)光譜(PL)對(duì)5×1016/cm2，160keVHe和1×1016/cm2，110keVH以及5×1016/cm2，40keVHe和1×1016/cm2，35keVH聯(lián)合注入SiO2/Si樣品進(jìn)行了分析。在紫外范圍內(nèi)觀測(cè)到了較強(qiáng)的光致發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)光峰主要位于310nm和370nm處。發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)烈的依賴于注入和退火條件。注入能量越低，退火溫度越高，發(fā)光強(qiáng)度越強(qiáng)。在兩種注入條件下，均觀測(cè)到了在10

7、00℃退火溫度下，發(fā)光強(qiáng)度會(huì)普遍減小的規(guī)律。采用XTEM對(duì)氧化層內(nèi)部進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在氧化硅區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了大量Si納米晶結(jié)構(gòu)，納米晶的直徑約為3-4nm。同時(shí)采用AFM對(duì)表面觀測(cè)，也發(fā)現(xiàn)了類似的Si納米晶結(jié)構(gòu)。我們推測(cè)紫外發(fā)光很有可能與氧化層內(nèi)注入和退火產(chǎn)生的Si納米晶密切相關(guān)。而在輕氣體離子注入SiO2/Si產(chǎn)生的納米晶結(jié)構(gòu)，目前還未見到報(bào)道。借助于以上觀測(cè)到的樣品表面損傷以及熱演變規(guī)律，我們對(duì)Si納米晶產(chǎn)生的可能機(jī)理進(jìn)行了探討。