氦氢离子联合注入硅基材料引起的表面剥离及机理研究

摘要

“智能剥离”技术最早是由Bruel提出来的,由于该技术能够制备高质量的SOI材料,所以高剂量的轻气体离子注入硅材料研究表面剥离及其注入层转移引起了人们的广泛关注。本论文采用轻气体离子He和H联合注入到两种不同硅基材料中,通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM),详细地研究了注入及退火后样品表面损伤产生及热演变规律,借助于横截面试样的透射电子显微镜(XTEM)对微观缺陷的形成进行了研究,并对损伤产生的微观机理进行了探讨。具体研究内容及结果如下:
　　 (1)将能量为40 keV、剂量为5×1016cm-2的He离子和能量为35 keV、剂量为1×1016cm-2的H离子依次注入表面生长一层约220 nm厚氧化层的单晶硅。随后对注入样品进行一系列温度的退火处理,范围是400℃到1000℃。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及横截面试样的透射电子显微镜(XTEM)对退火后的样品进行表面形貌及结构缺陷进行观测分析。实验结果表明,在500℃及其以上温度退火后样品的表面产生了发泡和局部剥离现象。经过测量,剥离发生在距样品表面约420 nm的区域。通过XTEM,观测到在高温退火后氢氦离子联合作用下产生的各种微观结构缺陷,如空腔、板状缺陷、纳米级和微米级的裂隙以及各种位错。结果显示,板状缺陷和裂隙主要分布在距样品表面约420 nm处,这些缺陷是样品表面损伤现象产生的因为。
　　 (2)将能量为40 keV、剂量为5×1016cm-2的He离子和能量为35 keV、剂量分别为1×1015cm-2、5×1015cm-2和1×1016cm-2的H离子依次注入表面生长一层约170nm厚氮化层的单晶硅。随后对注入样品进行一系列温度的退火处理,范围是400℃到800℃。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及横截面试样的透射电子显微镜(XTEM),对退火后样品表面损伤和微观缺陷的形成及热演变进行了观测分析。实验结果表明,样品的表面损伤依赖于附加注入的氢离子剂量。注入氢离子剂量为1×1016cm-2时,退火后观测到了明显的表面发泡和局部剥离现象,并且发现剥离区域有明显的分层现象,分别对应于表面氮化硅层和界面下注入硅层的剥离。然而,注入氢离子剂量为5×1015cm-2时,退火800℃后只观测到表面氮化硅层的剥离。对于注入氢离子剂量为1×1015cm-2的样品,直到退火800℃后仍没有产生表面损伤现象。对于高剂量的氢离子注入,样品表面剥离程度随着退火温度的升高而逐渐增大,到600℃时达到稳定状态。通过XTEM,观测到硅基底内部以及界面处形成的裂隙,它们是导致样品表面形貌产生的因为。基于XTEM的结果,探讨了微裂隙的形成机制,并对样品表面形貌对注入氢剂量的依赖性进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 离子注入技术

1.2 SOI材料技术

1.2.1 SOI材料的特点

1.2.2 SOI材料的制备

1.3 Smart-cut技术

1.3.1 Smart-cut技术的工艺流程

1.3.2 轻气体离子注入硅基材料的发展

1.4 本论文的主要工作

第二章 实验过程及其原理

2.1 实验材料

2.2 样品的离子注入

2.2.1 离子注入条件的选择

2.2.2 离子注入的物理原理

2.2.3 射程分布和浓度分布

2.3 离子注入后样品的退火处理

2.4 注入及退火样品的观测手段及其基本原理

2.4.1 扫描电子显微镜(SEM)

2.4.2 原子力显微镜(AFM)

2.4.3 透射电子显微镜(TEM)

第三章 氦氢离子联合注入SiO2/Si的实验结果及分析

3.1 SEM观测结果

3.2 AFM观测结果

3.3 XTEM观测结果

3.4 实验结果讨论及机制分析

3.5 本章小结

第四章 氦氢离子联合注入Si3N4/Si的实验结果及分析

4.1 SEM观测结果

4.1.1 高剂量H离子附加注入

4.1.2 中剂量H离子附加注入

4.1.3 低剂量H离子附加注入

4.2 AFM观测结果

4.3 XTEM观测结果

4.4 实验结果讨论及机制分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢