氦和氢离子注入含表面绝缘层单晶硅引起的损伤及发光性质

1、氦和氢离子注入含表面绝缘层单晶硅引起的损伤及发光性质高剂量轻气体离子注入 Si 基材料可以诱发一系列现象。如气泡、表面 发泡和表面剥离等。研究这些现象对于气体离子与固体相互作用的基本过程以 及气体离子注入在现代微电子器件中的应用具有重要的理论和实践意义。本论 文运用轻气体离子注入含表面绝缘层单晶 Si, 借助于多种表面和微结构测试手 段, 详细研究了注入及随后的高温退火诱发的表面损伤及微观缺陷形成和热演变 规律, 并探讨了表面损伤形成的可能机制。同时还研究了轻气体注入这类材料的 发光特性及可能的发光机制。具体研究内容及结果如下 :(1) 采用5X 1016/cm2,160 keVHe 和 1

2、x 1016/cm2,110 keVH 离子双注入 Si_3N_4/Si 样品。借助于扫描电子显微镜(SEM),光学显微镜(0M和原子力显微镜(AFM)研究 了表面损伤及热演变规律。通过横截面试样透射电子显微镜(XTEM观测了样品内部缺陷的分布。表面损伤研究结果表明,He和H双离子联合注入Si_3N_4/Si 样品会诱发一系列的表面现象且强烈依赖于退火温度。注入态样品未观测到任 何表面效应。经过500oC退火，样品表面会出现单层剥离，它对应于表面 Si_3N_4层的剥离。而退火温度增加到 600oC及以上时,除了 Si_3N_4层剥离之 外, 还观测到了表面发泡、注入硅层的剥离现象 , 即出现

3、了两层剥离现象。气体 离子注入Si_3N_4/Si样品诱发的两层剥离现象尚未见文献报导。XTEM吉果表 明,H离子的附加注入促进了氦泡在高温退火下的有效生长，导致气泡间连通的发生。增加的气压导致连通区 , 连通区域的形变向表面传递是样品表面发生剥离 的主要原因。另外 , 借助于形变产生的应力 , 并考虑到 Si_3N_4 材料的机械力学 性能对单层剥离现象可能的机制进行了探讨。 (2) 在相同的注入条件下 , 对 SiO_2/Si样品进行了相似的研究。表面损伤研究结果表明，He和H离子注入仅 仅在600oC以上退火温度使样品表面产生了发泡。尽管随着退火温度的增加，表面发泡的高度和尺寸有所增加，

4、但即使在1100oC的高温退火下，也未观测到明显 的表面剥离现象。该结果与 Si_3N_4/Si 样品上观测到的结果明显不同。借助于 XTEM分析,与Si_3N_4/Si样品相似，附加H离子的辐照同样也促进了气泡的生 长。表面发泡形成跟该效应密切相关。两类样品在相同的注入和退火条件下出 现不同的表面损伤规律 , 我们推测可能跟两类材料的力学性能不同有关 , 由于 SiO_2与Si材料的密度相近、匹配性较好,致使SiO_2层和Si层结合紧密,即 使在较大的应力作用下 , 结合面也不会发生分裂。此外 ,SiO_2 材料韧度较强 , 也 不易发生破裂 , 这可能是观测不到 SiO_2/Si 样品表面

5、剥离的原因。 (3) 采用光致 发光谱(PL)对 5X 1016/cm2,160 keVHe 和 1X 1016/cm2,110 keVH 以及5X 1016/cm2,40 keVHe 和 1X 1016/cm2,35 keVH 联合注入 SiO_2/Si 样品进行 了分析。在紫外范围内观测到了较强的光致发光现象 , 发光峰主要位于 310 nm 和 370 nm 处。发光强度强烈的依赖于注入和退火条件。注入能量越低 , 退火温 度越高,发光强度越强。在两种注入条件下,均观测到了在1000oC退火温度下, 发光强度会普遍减小的规律。采用 XTEM寸氧化层内部进行了观测，发现在氧化 硅区域内产生

6、了大量Si纳米晶结构,纳米晶的直径约为3-4 nm。同时采用AFM 对表面观测 , 也发现了类似的 Si 纳米晶结构。我们推测紫外发光很有可能与氧 化层内注入和退火产生的 Si 纳米晶密切相关。而在轻气体离子注入 SiO_2/Si 产生的纳米晶结构 , 目前还未见到报道。借助于以上观测到的样品表面损伤以及热演变规律,我们对Si纳米晶产生的可能机理进行了探讨。M.Bruel借助于轻离子注入单晶Si表面产生的表面剥离现象，提出了旨在转移薄硅层的Smartcut 技术。本实验低温退火情况下,发现了 Si_3N_4层的剥离现象,基于Smartcut 技术，我们尝试性地提出一种新的转移Si_3N_4方法

7、，并对制作过程进行了探讨。同主题文章国1 .邓龙江，周佩珩.磁性纳米晶颗粒磁化机制探索J.电子科技大学学报.2OO6.(S1)2 .许小荣,李建芬,肖波,张开诚,孙涛.La_2O_3纳米晶的制备及表征J. 人工晶体学报.2009.(03)3 .王震遐,潘强岩,胡建刚,勇振中,吴永庆,朱志远.双离子(40)Ar+,C_2H_6+)辐照合成金刚石纳米晶颗粒J. 物理学报.2007.(08)4 .高愈尊,大贯惣明，高桥平七郎，佐藤義一,竹山太郎.氢离子注入对硅 单晶电子辐照缺陷和氢泡形成的影响J. 物理学报.1988.(01).赵志明,蒋百灵,郭伟.基于磁控溅射技术沉积光伏电池用硅基薄膜材料的研究J

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