附加O離子注入對單晶Si中H注入損傷的影響研究

王 卓，田 光，石少波

(天津職業技術師范大學理學院，天津 300222)

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附加O離子注入對單晶Si中H注入損傷的影響研究

王 卓，田 光，石少波

(天津職業技術師范大學理學院，天津 300222)

室溫下將40 keV 的H離子以不同劑量注入到單晶Si樣品中，部分H預注入的樣品又進行了190 keV O離子注入。采用光學顯微鏡和透射電子顯微鏡分析比較了注入及退火后單晶Si樣品的表面損傷以及注入層微觀缺陷的形貌。光學顯微鏡結果表明，只有高劑量H離子注入的單晶Si經過450 ℃退火后出現了表面發泡和剝離，而總劑量相同的H、O離子順次注入單晶Si的樣品沒有出現任何表面損傷。透射電子顯微鏡結果表明，低劑量H離子注入單晶Si經過高溫退火可以在樣品內部形成一個由空腔構成的損傷帶。附加O離子注入對損傷形貌產生了重要影響，空腔消失，損傷帶由大量板狀缺陷構成。

H離子注入； 空腔； 單晶Si

1 引 言

一定劑量的H離子注入單晶Si在隨后的熱處理過程中能夠在注入層產生板狀缺陷、空腔、微裂縫等[1,2]。當注入的H離子劑量足夠高時，還能夠導致單晶Si表面出現局域剝離甚至層離等表面損傷[2-4]。Bruel以H離子注入單晶Si導致的表面剝離原理為基礎，提出了一種制備SOI(Silicon-on-insulator)材料的新技術，即智能剝離(Smart-cut)技術[5]。智能剝離技術在制備SOI材料方面的優勢非常明顯，傳統的注氧隔離技術所需的O離子注入劑量較高(約1017～1018cm-2)，而智能剝離技術所需的H離子注入劑量約為1016cm-2，因此采用智能剝離技術能夠有效降低制備SOI材料的生產成本。

智能剝離技術的應用范圍很廣，不僅可以用來制備SOI材料，還可以用來制備其它具有特殊功能和應用前景的多層復合材料，例如在玻璃上構建單晶SiC薄膜[6]，在Si基體上InP薄膜[7]和GaAs薄膜[8]等。采用智能剝離技術制備制備多層復合功能材料成為了本方向的一個研究熱點。為了降低表面剝離所需的注入離子總劑量從而減少生產成本，降低表面剝離所需的熱處理溫度從而避免不同材料熱錯配的影響，促進該技術更好地應用于復合材料制備領域，還需要對注入離子與缺陷之間相互作用的機理進行深入研究。近年來，采用H離子和其它離子共同注入單晶Si研究損傷形成及其熱演變性能受到人們的極大關注。研究表明，由于He離子注入單晶Si能夠引入氣體原子He以及大量的空位型缺陷[9]，將H和He離子聯合注入單晶Si能夠促進氣泡的形成和熱生長，降低Si表面剝離所需要的熱處理溫度和注入離子的總劑量[10-12]。Tong等的研究表明[13]，一定劑量的B離子先注入單晶Si然后再進行H離子注入也能夠降低表面層離所需要的熱處理溫度。作為氣體離子，O注入在引入空位型缺陷[14]的同時也有助于增大缺陷中的壓強，于是本研究采用H、O離子聯合注入單晶Si，采用光學顯微鏡與同等注入總劑量下H離子單獨注入Si的表面損傷情況進行了比較。但是與Tong等的研究[13]不同的是，本研究先注入H離子然后進行O離子注入，借助透射電子顯微鏡詳細地比較研究了附加O離子注入對H注入損傷微觀形貌的影響。

2 實 驗

實驗中，采用p型(100)單晶Si片。在室溫下對單晶Si片首先進行40 keV H離子注入，H的注入劑量分別為4.5×1016cm-2和3.5×1016cm-2。隨后對部分低劑量H離子注入的單晶Si樣品又進行了O離子注入，為使O離子注入深度與H離子基本相同，通過TRIM程序[15]的模擬計算，固定O離子的注入能量為190 keV。O離子的注入劑量為1×1016cm-2，因此單晶Si中H、O離子的注入總劑量與高H樣品中H離子的注入劑量相同。注入后將樣品切割成小塊進行高溫退火處理，退火在真空中進行，退火時間均為1 h。

采用光學顯微鏡(OM)對注入及退火后單晶Si樣品的表面損傷進行了觀測。此外，對經過800 ℃退火的低H以及H、O順次注入的樣品又進行了截面透射電子顯微鏡(XTEM)觀測。XTEM樣品的制備是按照傳統方法通過機械減薄和離子束減薄來完成的。電鏡分析使用了Tecnai G2 F20 S-Twin型電子顯微鏡，加速電壓為200 kV。借助于XTEM觀測，可以直觀的看出注入層缺陷的微觀形貌以及深度分布等特征。

3 結果與討論

注入及退火后單晶Si表面損傷的光學顯微鏡結果

圖1 注入及退火后單晶Si表面損傷的光學顯微鏡照片 (a)H、O順次注入樣品,800 ℃退火;(b)高H樣品,450 ℃ 退火Fig.1 OM images of the surface damage on implanted and annealed crystalline Si(a) H and O sequentially implanted sample,800 ℃ annealing; (b) high dose H implanted sample, 450 ℃ annealing

如圖1所示。需要指出的是，低H以及H、O離子順次注入的單晶Si樣品即使退火溫度達到800 ℃也沒有觀測到發泡、剝落等表面損傷。作為例子，圖1a給出了H、O離子順次注入單晶Si經800 ℃退火后樣品的表面形貌。從圖中可以看出，樣品表面平整，沒有任何損傷出現。而對于高H樣品，當退火溫度為400 ℃時，樣品表面沒有觀測到損傷產生。進一步升高退火溫度到450 ℃，樣品表面出現了劇烈的損傷。

如圖1b所示，樣品表面出現了大量的發泡(黑色箭頭所示)和剝離(白色箭頭所示)。表面發泡基本為圓形，而表面剝離的形狀不規則。我們對表面剝離的尺寸進行了統計，發現表面剝離的尺寸分布在3.2～12.1 μm之間，平均尺寸約為6.6 μm。其中尺寸為5～8 μm的表面剝離數量較多，約占總數的71.1%。從光學顯微鏡的結果可以看出，H離子以劑量4.5×1016cm-2注入單晶Si并經過450 ℃退火，能夠引起表面出現大量的發泡和剝離，但是總劑量相同的H和O離子順次注入的單晶Si樣品，即使經過高溫800 ℃退火，表面依然沒有出現損傷。這表明，后注入的1×1016cm-2的O離子，并沒有發揮同等劑量H離子的物理和化學作用，后注入的O離子不利于表面損傷的形成。

表面損傷的形成來源于注入層缺陷的熱演變。為了揭示注入層缺陷的微觀形貌，研究附加注入的O離子對缺陷形成及熱演變的影響，我們又進行了XTEM觀測。需要說明的是，高H樣品表面出現了嚴重的發泡和剝離現象，不利于透射電鏡觀測，因此電鏡分析只測試了低H以及H、O順次注入的單晶Si樣品。圖2給出了低H樣品經800 ℃退火1 h后的XTEM照片。從圖2a中可以看出，樣品內部產生了一個比較狹窄的損傷帶，深度位于表面下480 nm左右。圖2b給出了損傷帶的放大照片，可見損傷帶主要由空腔和大尺寸的位錯構成。大空腔一般位于缺陷帶中央，周圍環繞著一些尺寸約為幾個納米的小空腔。仔細觀察空腔的形貌，發現尺寸較大的空腔(60～100 nm左右)近似呈現出橢圓形，并且沿著損傷帶的方向伸長。而尺寸較小的空腔并不是規則的圓形，如白色箭頭所示，該空腔的尺寸約為33.0 nm，空腔帶有明顯的刻面。圖2c給出了一個尺寸約為44.7 nm空腔的放大照片，空腔近似為圓形，但仍可以清楚的看出其中的刻面。空腔周圍晶格完好，沒有出現非晶區域。

圖2 低H樣品經800 ℃退火1 h后損傷形貌的電鏡照片 (a)整體形貌；(b)損傷帶形貌；(c)空腔Fig.2 XTEM micrographs showing defects created in Si implanted with low dose H ions and followed by 800 ℃ annealing for 1 h (a) the overall defect morphology; (b) the morphology of defect band; (c) the cavity

圖3 H、O順次注入單晶Si經800 ℃退火1 h后損傷形貌的電鏡照片 (a)整體形貌；(b)損傷帶放大照；(c)板狀缺陷Fig.3 XTEM micrographs showing defects created in Si sequentially implanted with H and O ions and followed by 800 ℃ annealing for 1 h(a) the overall defect morphology; (b) the close view of defect band; (c) the platelet

如圖3所示，H、O順次注入的單晶Si樣品經800 ℃退火1 h后缺陷的微觀形貌發生了劇烈的變化。從圖3a中可以看出，樣品內部出現了一個寬度約為270 nm的損傷帶，損傷帶的中心深度約為530 nm。通過損傷帶的放大照片圖3b可以看出，損傷帶主要由大量的板狀缺陷構成，并沒有發現空腔存在。板狀缺陷位于(100)面，與樣品的表面平行，尺寸多為十幾納米。作為例子，圖3c給出了一個板狀缺陷的放大照，該板狀缺陷的尺寸約為14.2 nm。板狀缺陷周圍的晶格也非常完整，沒有觀測到非晶區域存在。

通過XTEM結果可以看出，附加的O離子注入會對H注入單晶Si的損傷形貌產生重要的影響。劑量為3.5×1016cm-2的H離子注入單晶Si經800 ℃退火后，樣品內部的損傷帶主要由空腔構成。而附加注入1×1016cm-2的O離子后，空腔消失，損傷帶由大量板狀缺陷構成。因此，O離子后注入會抑制甚至阻礙H空腔的形成與熱生長。

H的化學性質非常活潑，在H注入單晶Si的過程中，一些Si-Si斷鍵與H相互作用結合成Si-H-H-Si鍵。由于H鍵較弱，在隨后的退火過程中H鍵會發生斷裂促使板狀缺陷形成。此外，H注入單晶Si能夠產生大量的空位型缺陷，H原子和空位型缺陷相結合能夠形成H與空位的復合體。當退火溫度達到400 ℃左右，一部分小尺寸的單H缺陷不穩定，會分解釋放出H原子，H原子彼此結合形成H2分子。在進一步的退火過程中，板狀缺陷能夠通過吸收H2而成長為微裂縫，H空位的復合體也會不斷的吸收空位和H2分子，最終形成了電鏡下能觀測到的空腔。由于損傷帶的位置較深，空腔在內部H2壓強的作用下沿縱向增大相對較難而沿橫向增大比較容易，因此如圖2b所示，大尺寸的空腔通常沿缺陷帶的方向伸長。然而在低劑量H離子注入單晶Si的情況下，空腔的最大尺寸約100 nm，空腔之間沒有相互連通，所以觀測不到任何表面損傷。然而，可以看到大空腔周圍有大尺寸的位錯存在，表明大空腔周圍有一個很大的應力場，大空腔有沿著損傷帶方向進一步擴張的趨勢。空腔的生長與注入產生的H原子以及引入的大量空位型缺陷有關，增大H離子的注入劑量，會同時增大H2分子以及空位型缺陷的數量。在不斷增長的H2壓強的作用下，空腔沿著橫向和縱向兩個方向發展，與其它的空腔或者微裂縫之間相連通，最終導致了表面發泡和剝離現象的產生，如圖1b所示。

對于H、O離子順次注入的單晶Si樣品，H離子注入首先引入了H原子和大量H的復合體。但是O原子比H原子重，在隨后O注入的過程中，O原子會和H的復合體發生碰撞損壞這些缺陷的結構，產生了大量的懸掛鍵。Moutanabbir等的研究結果也表明，較高能量的He離子后續注入能夠破壞較低能量H預先注入產生的缺陷結構[16]。在退火過程中，活潑的H原子將和懸掛鍵相結合，促進了板狀缺陷的形成。因此，如圖3b所示，H、O離子順次注入單晶Si經800 ℃退火后出現的大量板狀缺陷是由于較重的O離子后續注入對H復合體結構的損傷造成的。與空腔相比，板狀缺陷的尺寸較小，雖然密度很大但是彼此之間沒有連通，因此采用光學顯微鏡觀測不到任何表面損傷。值得注意的是，由板狀缺陷構成的損傷帶分布范圍很寬。根據Nguyen的研究，較高劑量H、He離子聯合注入單晶Si形成的部分非晶區域能夠導致板狀缺陷和微裂縫出現在Si內較深的位置[17]。雖然我們的XTEM照片中沒有顯示出非晶區域，但是較大的應力場以及重損傷區的存在也會導致板狀缺陷出現在樣品深處，從而導致損傷帶變寬。

4 結 論

綜上所述，采用光學顯微鏡和截面透射電子顯微鏡研究了H離子單獨注入以及H、O離子順次注入單晶Si的表面損傷以及注入層缺陷的微觀形貌。與同等劑量下H注入及退火后產生的表面發泡和剝離相比，H、O聯合注入并不能引起表面損傷。研究結果表明，附加的O離子注入會抑制H空腔的形成，不利于表面損傷的產生。這是因為后續注入的O離子較重，能夠破壞H預先注入引入的缺陷的結構，導致注入層形成了大量的板狀缺陷。因此，采用H和其它離子共同注入單晶Si時，為了促進表面剝離，應考慮采用重離子先注入H離子后注入的順序。

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Effect of O Postimplantation on the Damage of H Implanted Crystalline Si

WANGZhuo,TIANGuang,SHIShao-bo

(School of Science,Tianjin University of Technology and Education,Tianjin 300222,China)

Crystalline Si samples are first implanted at room temperature with 40 keV H ions of different doses.Subsequently,some of H preimplanted samples are implanted with 190 keV O ions.Optical microscopy (OM) and cross-sectional transmission electron microscopy (XTEM) are used to study the surface damage as well as defect microstructures of annealed Si samples.OM results show that surface blisters and exfoliations only occurs on samples implanted with high dose H ions and after 450 ℃ annealing.However,no surface damage is observed on Si sequentially implanted with H and O ions at the equivalent total doses.XTEM observations exhibit a cavity band in Si samples implanted with low dose H ions and after high temperature annealing.But O postimplantation has a great influence on the morphology of defect microstructures.No cavities are observed and a density of platelets appears in the damage band.

H ion implantation;cavity;crystalline Si

天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目(15JCYBJC16700)；天津職業技術師范大學人才啟動基金項目(KYQD11001)；天津職業技術師范大學科研發展基金資助項目(KJ2009010)

王 卓(1983-)，女，博士，講師.從事離子與固體相互作用的研究.

O483

A

1001-1625(2016)08-2600-04