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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研究

作　者: 李梦凯
导　师: 刘昌龙
学　校: 天津大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: He和H离子注入 SiO2/Si和Si3N4/Si 表面发泡和剥离 Si纳米晶紫外发光
分类号: O482.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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5×1016/cm²,160 keVHe和1×1016/cm²,110 keVH离子双注入Si₃N₄/Si样品。借助于扫描电子显微镜（SEM）,光学显微镜（OM）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Si₃N₄/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Si₃N₄层的剥离。而退火温度增加到600oC及以上时,除了Si₃N₄层剥离之外,还观测到了表面发泡、注入硅层的剥离现象,即出现了两层剥离现象。气体离子注入Si₃N₄/Si样品诱发的两层剥离现象尚未见文献报导。XTEM结果表明,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Si₃N₄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SiO₂/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,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Si₃N₄/Si样品上观测到的结果明显不同。借助于XTEM分析,与Si₃N₄/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SiO₂与Si材料的密度相近、匹配性较好,致使SiO₂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,SiO₂材料韧度较强,也不易发生破裂,这可能是观测不到SiO₂/Si样品表面剥离的原因。（3）采用光致发光谱（PL）对5×1016/cm2,160 keVHe和1×1016/cm2,110 keVH以及5×1016/cm2,40 keVHe和1×1016/cm2,35 keVH联合注入SiO₂/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对氧化层内部进行了观测,发现在氧化硅区域内产生了大量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SiO₂/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Smart-cut技术。本实验低温退火情况下,发现了Si₃N₄层的剥离现象,基于Smart-cut技术,我们尝试性地提出一种新的转移Si₃N₄方法,并对制作过程进行了探讨。

全文目录

中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-26
  1.1 He和H离子注入单晶Si研究进展  11-14
    1.1.1 H 离子注入单晶Si 材料研究进展  11-12
    1.1.2 He 离子注入单晶Si 材料研究进展  12-14
    1.1.3 He 和H 离子联合注入单晶Si 材料研究进展  14
  1.2 SOI 结构和Smart-cut 技术及其应用  14-17
    1.2.1 SOI 结构在微电子技术中的应用  14-15
    1.2.2 SOI 器件的主要制作方法  15-16
    1.2.3 Smart-cut 技术的发展和应用  16-17
  1.3 绝缘层在集成电路材料中研究进展  17-21
    1.3.1 氧化硅薄膜(SiO_2)  18-19
    1.3.2 氧化铝薄膜(Al_2O_3)  19
    1.3.3 氮化硅薄膜(Si_3N_4)  19-21
  1.4 Si 基纳米晶发光的研究简介  21-25
    1.4.1 Si 基纳米晶的制备方法  21-22
    1.4.2 Si 基纳米晶的结构简介  22-23
    1.4.3 Si 基纳米晶的发光性质  23-25
  1.5 本论文的选题意义和主要工作  25-26
第二章实验过程及样品制备  26-37
  2.1 Si 单晶以及表面绝缘层的制备  26
  2.2 样品的离子注入及退火过程  26-32
    2.2.1 离子注入理论  26-27
    2.2.2 离子注入机  27-28
    2.2.3 TRIM 或SRIM 程序简介  28
    2.2.4 本实验离子注入条件  28-31
    2.2.5 退火过程  31-32
  2.3 测试手段及其基本原理简述  32-37
    2.3.1 光学显微镜(OM)  33
    2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)  33-34
    2.3.3 原子力显微镜(AFM)  34-35
    2.3.4 透射电子显微镜(TEM)  35
    2.3.5 荧光光谱仪(PL)  35-37
第三章 He和/或H离子注入Si_3N_4/Si损伤结果和分析  37-52
  3.1 扫描电子显微镜的测试结果及分析  37-38
  3.2 光学显微镜观测结果及分析  38-40
  3.3 原子力显微镜测试结果及分析  40-42
  3.4 透射电子显微镜的结果及讨论  42-46
  3.5 结果讨论及可能的应用前景展望  46-51
    3.5.1 He 和H 离子联合注入单晶Si 表面剥离的机制探  46-49
    3.5.2 He 和H 离子注入Si_3N_4/Si 两层剥离机理的讨论  49-50
    3.5.3 Si_3N_4/Si 两层剥离现象可能的应用讨论  50-51
  3.6 本章小结  51-52
第四章 He和H离子注入SiO_2/Si损伤结果和分析  52-59
  4.1 扫描电子显微镜测试结果和分析  52-53
  4.2 光学显微镜观测结果和分析  53-54
  4.3 原子力显微镜测试结果及分析  54-55
  4.4 透射电子显微镜的结果及讨论  55-57
  4.5 结果讨论及表面发泡机制探讨  57-58
  4.6 本章小节  58-59
第五章 He和H离子注入SiO_2/Si样品发光研究结果及分析  59-67
  5.1 光致发光谱的结果及分析  59-61
  5.2 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)的观测结果和分析  61-63
  5.3 原子力显微镜的测量结果和分析  63-64
  5.4 结果讨论及发光的可能机制探讨  64-66
  5.5 本章小节  66-67
第六章结论与展望  67-70
参考文献  70-79
发表论文和科研情况说明  79-80
致谢  80

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