氮和氢离子注入单晶硅引起的损伤研究

摘要

高剂量气体离子注入单晶Si会在材料内部产生各种损伤，如气泡、板状缺陷、空腔、非晶化，经退火处理后还可以导致表面发泡、剥离等表面损伤。气体离子注入单晶Si引入的这些损伤在半导体器件中具有非常广泛的用途。由此，采用气体离子注入半导体材料研究辐照损伤及其应用引起了人们的日益关注。本论文采用N和H两种离子注入单晶Si材料，通过多种表面和微结构测试手段，详细地研究了H离子单注入、N离子和H离子联合注入Si样品退火后表面损伤形貌和内部微观缺陷的形成和热演变，同时还研究了N离子单注入及N和H离子联合注入单晶Si两层损伤，此外，基于实验研究结果对表面损伤形成机制和第二层损伤的成因进行了解释。具体研究内容及结果如下：
　　（1）将190keV、剂量分别为5×1015cm-2和1×1016cm-2的N离子和80keV剂量为3×1016cm-2H2离子联合注入单晶Si中，单H注入的样品作为参考。注入后样品在氮气氛下进行300℃到600℃的1小时退火处理。采用光学显微镜(OM)、原子力显微镜(AFM)、横截面试样透射电子显微镜(XTEM)、微区拉曼散射(RSS)、正电子湮灭谱仪(PAS)详细地分析了表面损伤和内部缺陷的微观结构。结果表明：H单注入及N和H离子联合注入的两种样品表面发泡及剥离程度随退火温度升高而增强。与单H离子注入样品相比，低剂量N离子联合注入的样品表面损伤程度变化不大，而高剂量N离子联合注入导致了发泡和剥离增强。实验观测到剥离坑的深度和H离子的射程一致。微结构分析表明N注入区产生严重的损伤，局部出现非晶区，加H注入之后损伤减轻，出现大量板状缺陷，退火之后板状缺陷长大成微裂隙，最终导致表面发泡剥离。
　　（2）实验研究观测到了190keV N离子注入单晶Si产生两层损伤。采用XTEM对两层损伤的结构进行了详细的表征。研究结果表明，N离子注入产生的第一层损伤分布在其射程附近，主要由空位团簇等缺陷组成；而第二层损伤分布在二倍射程之后，主要由{311}缺陷构成。后续的H离子辐照在第一层损伤层中产生了平行于表面的板状缺陷，同时使得两层损伤中间的过渡区域的结构恢复。结合注入产生的损伤和应力对第二层损伤带形成机制进行了探讨。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2 SOI材料与Smart-cut技术及应用

1.3气体离子注入硅基材料的研究进展

1.4两层损伤现象与{311}缺陷研究进展

1.5本论文的主要内容

第二章 实验过程与基本原理

2.1离子注入基本物理过程简介

2.2样品的离子注入与退火

2.3测试手段及基本原理简介

第三章 氮氢离子联合注入单晶硅的表面损伤与分析

3.1 OM观测结果

3.2 AFM观测结果

3.3 TEM 观测结果与分析

3.4 PAS结果与分析

3.5 RSS结果与分析

3.6 N和H联合注入Si表面损伤机制分析

3.7本章结论

第四章 氮和氢离子注入硅的双层损伤现象与成因分析

4.1双层损伤TEM观测结果

4.2双层损伤的成因讨论

4.3本章结论

第五章 结论与展望

参考文献

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