氮和氫離子注入單晶硅引起的損傷研究.pdf

1、高劑量氣體離子注入單晶Si會在材料內(nèi)部產(chǎn)生各種損傷，如氣泡、板狀缺陷、空腔、非晶化，經(jīng)退火處理后還可以導(dǎo)致表面發(fā)泡、剝離等表面損傷。氣體離子注入單晶Si引入的這些損傷在半導(dǎo)體器件中具有非常廣泛的用途。由此，采用氣體離子注入半導(dǎo)體材料研究輻照損傷及其應(yīng)用引起了人們的日益關(guān)注。本論文采用N和H兩種離子注入單晶Si材料，通過多種表面和微結(jié)構(gòu)測試手段，詳細(xì)地研究了H離子單注入、N離子和H離子聯(lián)合注入Si樣品退火后表面損傷形貌和內(nèi)部微觀缺陷的形成

2、和熱演變，同時(shí)還研究了N離子單注入及N和H離子聯(lián)合注入單晶Si兩層損傷，此外，基于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對表面損傷形成機(jī)制和第二層損傷的成因進(jìn)行了解釋。具體研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　?。?）將190keV、劑量分別為5×1015cm-2和1×1016cm-2的N離子和80keV劑量為3×1016cm-2H2離子聯(lián)合注入單晶Si中，單H注入的樣品作為參考。注入后樣品在氮?dú)夥障逻M(jìn)行300℃到600℃的1小時(shí)退火處理。采用光學(xué)顯微鏡(OM)、原子力

3、顯微鏡(AFM)、橫截面試樣透射電子顯微鏡(XTEM)、微區(qū)拉曼散射(RSS)、正電子湮滅譜儀(PAS)詳細(xì)地分析了表面損傷和內(nèi)部缺陷的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：H單注入及N和H離子聯(lián)合注入的兩種樣品表面發(fā)泡及剝離程度隨退火溫度升高而增強(qiáng)。與單H離子注入樣品相比，低劑量N離子聯(lián)合注入的樣品表面損傷程度變化不大，而高劑量N離子聯(lián)合注入導(dǎo)致了發(fā)泡和剝離增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)觀測到剝離坑的深度和H離子的射程一致。微結(jié)構(gòu)分析表明N注入?yún)^(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷，局部出現(xiàn)非

4、晶區(qū)，加H注入之后損傷減輕，出現(xiàn)大量板狀缺陷，退火之后板狀缺陷長大成微裂隙，最終導(dǎo)致表面發(fā)泡剝離。
　?。?）實(shí)驗(yàn)研究觀測到了190keV N離子注入單晶Si產(chǎn)生兩層損傷。采用XTEM對兩層損傷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征。研究結(jié)果表明，N離子注入產(chǎn)生的第一層損傷分布在其射程附近，主要由空位團(tuán)簇等缺陷組成；而第二層損傷分布在二倍射程之后，主要由{311}缺陷構(gòu)成。后續(xù)的H離子輻照在第一層損傷層中產(chǎn)生了平行于表面的板狀缺陷，同時(shí)使得兩層損