硼氧离子共注入金刚石薄膜的微结构特性和电学性能研究

摘要

高质量低电阻率n型金刚石薄膜的制备是世界性难题，是制约金刚石在电子工业中应用的重要因素。本文采用硼氧离子共注入掺杂金刚石薄膜，系统地研究硼氧离子共注入的束流密度、剂量比、能量比及退火温度对金刚石薄膜微结构和电学性能的影响，对制备高质量低电阻率的n型金刚石薄膜有重要的科学意义。
　　 不同离子注入束流密度的金刚石薄膜样品的微结构和电学性能研究结果表明，离子注入束流密度为0.5 C/s的样品中金刚石含量较高，晶粒取向度较高，晶格畸变较小，薄膜质量较高。薄膜电阻率随着束流密度的增大呈下降趋势。束流密度0.5 C/s和1 C/s的金刚石薄膜样品呈现n型电导，其中1 C/s的样品Hall迁移率达到97.6cm2V-1S-1。各个样品都具有相同的电阻-温度变化趋势，而且都表现为两个不同激活能温度区域，其中0.5 C/s的样品转折温度最低，表明该样品中缺陷较少，薄膜质量较高。
　　 不同B+/O+注入剂量比试样的微结构和电学性能研究结果表明，氧离子注入剂量增大至1016cm-2后，经过900℃退火，薄膜维持良好的金刚石晶格结构；金刚石薄膜的电阻率随着O+离子注入剂量的增大而降低，薄膜激活能也逐渐变小；在硼氧离子注入剂量比为1011/1015时，得到n型导电的金刚石薄膜。
　　 在金刚石薄膜中注入不同能量比的B+/O+，并在不同温度下退火，系统研究了各样品的微结构和电学性能。Raman谱和XPS分析结果表明，1000℃退火最有利于恢复金刚石的晶格损伤。硼氧离子注入能量为60/60时(E2系列)，离子注入对薄膜的损伤较硼氧离子注入能量为30/60(E1系列)时大；在700-1100℃退火后，薄膜的损伤有所恢复，E1系列样品的损伤恢复相对较好。XPS深度剖析结果表明，随刻蚀深度的增加，sp3 C-C键和O-C键含量降低，并且sp3 C-C键和O-C键的FWHM值也降低，表明键型质量提高。电学测试结果表明，B+/O+注入能量比从30keV/60keV改变为60keV/60keV时，金刚石薄膜的载流子迁移率从6.3 cm2V-1S-1增大到10.5 cm2V-1S-1，面载流子浓度下降了一个数量级；退火后金刚石薄膜的载流子迁移率比未退火前大大降低，而载流子浓度有所升高。1000℃退火的两个样品的电阻率都较小，说明薄膜中非金刚石相含量越少及金刚石晶格的完整性越好，越有利于提高硼、氧离子在薄膜中的导电作用。高温退火后，金刚石薄膜的激活能减小，其中1000℃退火的样品激活能最小。