（理论物理专业论文）硅基半导体中sio2si界面行为的正电子湮没谱研究.pdf

广西太掌硕士学位论文硅基半导体中s 1 0 2 ，s ；嚣面行为的正镊子湮没谱研究 硅基半导体中s i 0 2 恁i 器面行为的正电子瀵没谱磅究 摘要 在囊今的徽电子工业中，二氧 芝硅癌子其有善良好麓霹制造陵、极好 热稳定性、抗湿性两成先晶体管中的栅极电余质秘电密电会质的簧选材 料随着电子器1 牛的微型化，二氯化醚层越来越薄，二氧化硅层将存在 较多的缺陷，通过电介质的漏电现象逐渐增加要提高器件的稳定性， 必须减少二氯化硅层中的缺陷，提高二氧化硅层的质量目前，对硅基 半导体中s i o ：s i 的结构、形成、缺陷等基本问题仍然很不了解我们采 潮一种新的分析醚基半导体巾缺陷的技术正电子滢没谱( p a s ) 技术 采疆究s i 0 2 ，s i 器溪行凳。 本文的主要磁究内銮如下： l 。用双探头符合多普勒展宽技术测量了热氧化法生长的四种不同厚度 s i 0 2 膜的s i 0 2 s i 样品及s i 0 2 晶体的商谱实验结果表明：硅基上氯 化膜越厚，氧禽量越高，其商谱的氧信号峰越高；硅基上氯化麒越薄， 缺陷就越多 2 用荤能慢正电子技术测量四种不同厚度s i 0 2 膜的s i 0 2 一s i 样品和s i 0 2 晶 零的瑟篷子湮没辐射d o p p l e r 震宽谱，作逝了s 参数和w 参数与歪 毫子注入篷量鞫注入深度能关系麴线，献蠢磁究s i 0 2 一s i 赛覆续梅翻 缺陷。s i 0 ：一s i 体系可以糖成出表夏屡，s i 0 2 屡，s i 0 2 - s i 器嚣屡，以 及半无限大的s i 基体这几部分组成。s i 0 2 s i 檬品的近表蕊层( 其厚度 约为1 5 n m ) 和s i 0 2 晶体近表面层的结构几乎相同，具有比较完整晶 体结构的薄s i 0 2 层，表面存在一些缺陷s i 0 2 和s i 基体之间存在过 硅基半黪鞲中s i 0 2 播l 嚣蕾行糟的正电子湮没诺研究 渡逐s i 0 。( 0 龟 2 ) 界面过渡区中存在 瑟多空位型缺陷，可麓麓s i 静 悬接键秘氧鑫奄缺位遽或的焉显氧他膜越薄，器葱缺陷就越多 3 用荤裴慢正电子束技术测量了犟晶s i ，s 0 2 晶体，c ( 蠢墨) 及单晶 c u 的d o p p l e r 展宽谱，磊开究了正电子的表面瀵没特性结果表明： ( i ) 由子表面缺陷的存在，s i 0 2 晶体、石墨晶体、c u 单晶的s 参数 随着正电子的注入能量的增加而降低，w 参数随着正电子注入能潼的增 加而增加治正电子的能量较低时，谥电子主要与样晶表面附近的电子 滋没表面缺陷的存在，导致s 参数较大，w 参数较小随着正奄子的 注入麓霪觞增鸯，正电子注入到龋体离部雯深的位置，晶体态部的簸陷 整廑减少，s 参数下降，w 参数增加， ( 2 ) s i 0 2 晶体中由于0 原子的存_ 生，使得s i 0 2 晶体的w 参数比s i 离，s i 0 2 晶体的s 参数比s i 低 ( 3 ) 与s i 0 2 晶体、石墨晶体、c u 单晶的情况相反：单晶s i 的s 参数 随正电子注入能量的增加而增加，w 参数随正电子注入能量的增加而降 低这主要是由于单晶s i 表面被氧化越靠近单晶s i 表面，氯含羹越高， s 参数越小，w 参数越大；离莘菇s i 表面越远，氧含餐越祗，s 参数越 大，w 参数越小。雄晶s i 蘸表夏憨是不霹避免地存在一凄缀簿酶氧 乏屡 f 4 ) 壶于c 珏艨子鸯l o 个3 d 瞧子，正电子与c u 的3 d 电子湮没的搬 率较大。两3 d 电子的动量棚对较大，因此其w 参数较大，s 参数较小 奖键词：正电子瀵没多普勒展宽谱单能慢正电子束s 参数w 参数 s i 0 2 一s i 界面氧含量缺陷 兰查兰竺兰篓竺竺苎 璧至竺璺竺! i ! 竺塑! 璺竺! 三壹竺苎黧量兰! 兰竺竺苎 t 鞭es i 0 2 您il 魏t 戴r 摹a c e s | ns i 一转a s 嚣ds 戴m l c o n d u c 下0 r s 蕈u d l 嚣d8 yp o s l t r na n n l 群l l a 蕈l o ns p 嚣c 下r o s c o p y a 8 s t r a c 室 i nt h e p r e s 。n t d a y ， l t l i c r o - e l e c t r o n i c i n d u s t r y i sd o n l i n a t e d b y s i l i c o n 。b a s e dd e v i c e s b e c a u s es i 0 2h a sm a n yg o o dq u a li t i e ss u c ha s e a s y f a b r i c a t 。d ，b e s t h o ts t a b i l i t y h i 曲e rw e t r e s i s t a n c e ，i tb e c o m e st h e p r e f e r r e dm a t e r i a lf b rg r i dd i e l e c t r i ca n dc a p a c i t o rd i e l e c t r i ci nt h et r a n s i s t o r w i t ht h ee v e i - c o n t i n u i n gd r i v et o w a r dm i n i a t u r i z a t i o n ，t h ei a y e ro fs i 0 2 b e c o m e sm o r ea n dm o r et h i n t h e n ，m o r ed e f e c t sw i hc o m ef o r t hi nt h ei a y e r o fs i 0 2 ，m o r ed e f e c t sl e a dt h ee i e c t r i cc u r r e n t e a k a g 。p h e n o m e n o nt o i n c r e a s eg r a d u a l l y t oe n h a n c et h ee i e c t r i c a lp e r f b r m a n c eo ft h ee i e c t r o n d e v i c e s w em u s tr e d u c ed e f e c t si ns i 0 2l a y e fa n dr 撕s e 如eq u a n t i t yo f t h e l a y e r a tp r e s e n t ，细叠a m e n t a iq u e s t i o n sa b o u tt h ef o 肼a t o n ，e v o l u t i o n ，a n d d e c t si ns i 0 2 ，s ii n t e r 擐e e 豫m a i l ln o t 纯l l yu n d e r s t o 。d h e r e ，w ee x a m i n e t h ev a l u eo fa n 精， ye m e 糟i n g t ec _ b n i q u er a n a l y z i n g d e 奄c t si n s i l i c o n b a s e ds y s t e | n s ，p o s i t 。na n 魏i 魏i l 戳i o ns p e c t r o s e 0 1 ) y ( p a s ) 疆l e 毪a i 摊 e o n t e 蘸t so f 氇i sw o 斑w e 羚a s 热l l o w s f i 裕t l y ，f o u r 辚0 2 一s is a m p l e sw hd e 怒潮畦壤i e 弧e s so f1 8 y e 辐雒d 锤u a 娃z s i 0 2 魏a v eb 。e | 1m e a s 强( 1b yt w o d e t e c t o r e o i 粒e l d e 稳e es y s t e mo fd 印p l e r b 砖熊i n go p o s i l r o 珏a n n 囊i l a t i o n 糟攫舔o n 。髓e 黻t i oe u “e sl l l u s t 鞭t et h 魅 t h gs a l n p l e 、v i t ht h i e k e rs i l i e o 摊o x i d el a y e rh a sh i g h e ro x y g e ne o n t e n t sa n da l h ，。西太掌硕士学位论： 壤基半替体中s l o s i 替l 行糟的正电子湮没诳研究 h i g h e rp e a ki nl 鼍t i oe u r v e na d d i t i o n ，w ea i s oc o n c u d e dm a t t h es a l n p i ew i t i l t h i n n e rs i l i e o no x i d el a y e r1 1 a sm o r ed e f e e t s s e e o n l y ，w eh a v eu s e d1 1 1 0 n o e n e 缮。t i es l o wp o s i t f o nb e a n t e c h n i q u et o 黻。a s u 羚d o p p l e fb m a d e 珏i n gs p e e 露u mo ff o 疆rd e 凳l t e n s i 0 2 一s is a m p l e sa l 霜 遴鞋a 王i t zs i 0 2 1 甄珏a v es 1 1 0 w 氇s p a l 鼍疆l e t e a n 1 澎一p a r a m e t e fv e r s u sp o s i t n e n e r g y ，i l h p l 鑫毪t 戤i o nd e p hr e l 戳i o 建c u r v e s ，f 潞糙t h e s ec u n e sw 毪e 铋蠢e d 毪e e t h a tas i c 睦一s is y s t e 毪lm g h tc o n s 垂；to fas u f a e el a y e tas i 0 21 8 y e r as i 0 2 一s i 燃e r f a e el a y e ra n ( 1as e m i i n 囊畦t es is u b s t r a t e t h es u f 纭c el 疆y e r sa b o u t l ，5 n mt h l c k 。t h es t 删c t u r eo fs u r 囊c el a y e ri ss 虹n i l a rt o 壤a to fe 哆s t a ls i 。2 a n di sc o m p a r a t i v e l yi n t e 妒i t y la tt h es a m et i m e ，t h e r ea r es o m ed e 凳c t si n 幽e s u r f h c el a y e r t h e r ei sat r a n s i t i o nr e g i o no fs i o x ( o ( 1 l o ) ( 10 0 ) 的顺序而降低 对于固定e 电荷形成的原因，已有很多模型来解释迪尔( b e d a i l ) 等人提出 了过剩疆离子模鍪【珏j ，认为它们来自予氧化罄中过赞的硅正离子，因为甄化瑶生长时， 辍通过汪生成懿s i 0 2 扩教到s i 。2 ，s i 的爨蘧处，与礁结合嚣形或叛的s i 0 2 。由于这襻 种氧化机理，所以在界酾附近的s i 0 2 中总是缺氧而多余硅正离子罗思( r o t h ) 和贝 内特( b e n e t t ) 提出了氯空位模型f 1 7 】他们用分子轨道的方法，再报广的赫克尔( h u c k e l ) 璎论的纂礁上，计算了理憨i l 每s i 0 2 结鞫，然后计算整龟括氧空位等不丽靛麓懿髓缀结 果发现产生一个氧空位比产生一个硅空位所霰的能燮少3 倍，所以从能量上瓣氧空位 的形成是更容易的，另外还有界丽应力模型和杂质诱发固定氧化物电荷模型， 这里就不再赘述 外瓤f 了i 囝 囝固 瓢q 钐9 。三 三 国 二 界蕊 h 三蜘! 峥皇* 三_ 土* - 一上- * 上一 s i 圈i * 4s i 0 2 一s i 群藕静示意图 f 嘻1 4s c h e m a t i c 川u s t r a t i o no fs i 0 2 一s ii n t e r f a c e o 氧化层外表筒瞧荷 e 莓魂委瞧建 + 固定正国荷 ￥藏辫 。界面态 疆基半娅舔中s 1 0 2 ，s ；群蠢行触的正屯子湮没谱礤究 2 ，s i 0 2 s i 雾疆态 在圈1 4 中用符号表示界程( 态由于半导体表面层贩子的成键情况与体内原予 不同而；i 起静定域在界面黼近的电予状态，就称之为界面态此矫，离界面稂近的氧 化层以及半导体中的n 受杂矮电蔫，可以吸引半导体表嚣层瓣返的电子或空穴，使 它们束缚在杂质附近( 与体内的施主杂质和受主杂质相类似) ，从而也可引起膈域的界 谳电子态，界两态的能级也可位于半导体的禁带内这些处于禁带内的界面态也可以 燕麓主黧或受重型，能与半导体懿导带或价繁交换奄子、空穴，也可隧起复合中心的 作用这些界颓态与氧化层的质掇好坏密切棚关，氧化层的巯密程度以及所含杂质的 多少都会影响界面态密度的多少和它的能量分布情况改变工艺条件也可以控制界 面态密度，实验指出，干氧氧化有较高的界面态密度氧中含少量水汽可以减少界面 态当东汽浓度接近1 嬲，雾瑟态的嚣状态密凄可小予i 0 ”e m 。恐v 。姥铃不爨豹鑫 面氧化后的界丽态密度也不相同。 3 可动电荷 入二i = ：生长的氧化层；争还存在一些可移动的正电葡在图1 4 中用符号。表示。这 些电赫般来基于笺化层t ：p 浩污的裹予。起先这些离子郝在氧化层中靠近表露的地 方，离硅表面比较远，没有显示出它的影响，但在加温和电场的作用下，它们会漂移 到靠近s i 0 2 s i 界面的地方，因而在硅中感应出负电荷，严重时造成表面沟道，- 所以 它对器件的稳定往有较大懿影响 离予沾污的来渊屉主要的是锻，其次是氢离予的浩污+ 钠存在予试剡、水、玻璃 器皿、石英和人体皮肤等处，容易同硅片发生接触特别在高温氧化时，炉管中的钠 稂容易避入氧化层中去另外蒸发金属时用的钨丝中含钠，会引起蒸发过程中的钢沾 污霸 兰氯亿爨q ：，常处在一鼗跤隧熬位饕它在氧化鬣中遂抒扩敖瓣瓣激活憩缀抵实 验发现钠离子在氧化层中移动表现出两釉类型。6 】：一种在室温时就能够在电场下发生 漂移；而另一种激活能略为大些，但在1 0 0 3 0 0 0 c 时就可以在电场作用下漂移很大的 躐离同样，氢离子的激活能也缀祗，在室温对也其有漂移的能力觚阉1 5 和表1 * l 可以看到：k a ， 1 2 弱瓣2 0 是在较低温度下s i 0 2 中层中扩数最挟的杂质，褒1 0 0 3 之间，它们的扩散系数大于o z 和其它盒属杂质， 4 电离陷阱 在强1 4 中用v 表示陷藤，它们可熊是崮予x 鸯曹线或核辐葑等照瓣两产生的，宅 们g 够撼获载浚子，所以称为陷阱g 级竣陷阱中心， l o 广西大掌磙士掌位论文 硅綦半导诛中s ；0 2 落i 器面行为的盂屯子湮没谱研辩 袭1 1 杂质在s j 0 2 中的扩敞系数和激活能 i 、a b i e l - l c o e 币c 渤t sa i 训a c t i v a t i o ne n e 咏i e so f m l e s i ns io = ! 一 唾 r ( _ c ， 餐 o q d o o 哆暇) 图1 5主疆杂质在s j 0 2 中的扩散系数 f i g 1 5t h ec o e 蛸c i e n l so f t h em a i ni m p u t ；。s 迅s i 0 2 广西大学硬士学位论文 硅基丰静俸中s i 0 2 巧 嚣面行为的正嗽子淫澈谱研究 s 氧能爱辨波瑟电薅 这是在器件制造过程中，残留在氧化层外表面的正离子或负离子，在图1 4 中用 符号o 表示虽然当氧化层较弹时，这些离子不麓直接对硅表面产生静电感应，但 它们髭沿表嚣移动当器磐在毙较毫戆编置电压作孀下，这些离子霹以集中戮金嚣电 极的周围如果离予密度比较高，其结果将改变电极的有效面积 。2 研究现状 1 2 1 体醚的缺陷研究现状 现在，般认为正电予在体醚中的寿命大约是2 1 8p s ，区熔法和盥拉法生产的硅 的体寿命接近这个值洲这个数值和理论预言的值2 2 1p s 符合得很好体磁中的海 愈睫瀑瘦的增长变化绞缓 受，增翔率为4 0 3 p 护e ，在2 0 1 2 0 0 0 c 范戮蠹基本上为一 个常数在掺杂硅和体硅巾的寿命l 乎一样，因此就可以推断传导电予对体张的寿命 影响不大 寿命谱和角关联早期的测量疆示出了正电予淫没谱投术有识别本征缺陷的潜力 1 2 0 2 2 - 2 矾f 如西簿叫擐出，s i 在中子疆照后寿命有明疆的增龆( 圭l 孽宓h 约l o o p s ) c h e 裙 等2 4 1 研究了s i 在质子和中予辐照后产生的缺陷，井指出当缺陷产生时平均寿命增加 5 8 d s ，对应缺陷位置的有效电子密度减少约3 5 d a l l n e f a e r 等开创性研究首先解决 了能识羽硅中特定缺陷豁寿命成分，纯们测羹了中孑辐熙的s i 等爵遴火静寿命谱，、 绍到了双空位靼四空位的寿命分别为3 2 5 2 0 黔和4 3 5 3 0 p s ，f u h s 等从低激电子壤 照单晶硅中得出单空位和牧空位窬命值分别为2 6 6 1 0 p s 和3 18 1 5 p s 1 2 6 0 0 k 退 火表明空位的移动和更复杂缺陷纳形成，并可识剐空位一杂质复合体，对某些缺陷的 遗灾礤究王可隧求出缺陷兹激活麓最获研究发褒了短寿命残分豹存在，挚鑫直接麓 中的短搿命成分大约有6 0 p s ，d a n n e f a e r 也报道了短寿命成分，约l o o p s ，这是由于 氧原子簇的存在所造成的 表1 2 给出了s i 中的不同缺陷的寿命觚表中我们可以看出当p 和0 髹予与单 空位结会黠，海愈没有多大载交 乞，僵甄个0 原孑秘革空位结合时，毒鑫放2 7 0 秘 减小到2 4 0 p s 这个趋势是否继续下去，并且有大的氧沉淀出现时寿命是否降到最小 值1 0 0 p s ，现在还不清楚【2 5 1 在半导体中，缺陷中心可敬建电中往或带电的，正电孑的捕获率帮淫没牵的特征 广置太攀硬士嚣位论_ 宠硅基半壮体中s 婚! ，s i 器面 为的正电子湮没谱研究 秘袋疆躲电蕊态密切稳关延电子麴焉命随着空位憝瓣电负褴臻期焉臻蕊s i 中三耪 带电菠态的空位j 名一，眩秘曜的寿命分别为2 ，2 5 8 ，嚣l2 5 5p s + 对蕊令正l 皂萄 态瞻+ 和味，正电子不被摊获对于分辨这榉靠近的寿命在实验上是 鞋困漤的。测 量值大约在2 6 6 2 7 3 p s 范围内( 参见表1 2 ) ，从表中可番出比估h 的稍高些 袭 _ 2 礁中各 十缺嫡的拨获态寿命。 | 、a b l e1 2l i 酬f t 磷r e s u l 乜f o rp 。s i 们f l s t m p p c di n d e 鼠t sm s ； 1 2 2s i 0 2 s i 界砸的研究现状 n i e l s e n 等人戏察到缎明显的从赛露发撼的镶号，掀起了爆正滚子技术硬究 s i 0 2 。s i 系统热潮 2 7 】s i 0 2 s i 系统氧化爆的厚度为1 1 0 n m 实验结果表明s i 0 2 s i 系 统有截然不同三层，即表谢氧化屡、s i 0 2 s i 界面和单晶s i ，n i e l s e n 等人还解释了下 陷辍俸毯一铡移动秘现象s i 0 2 疆赛嚣兹s 参数对舞蕊静链 毛状态菲鬻敏感，无疆 予非常容易被爨面捕获，批b 撼获，因两爨恧的s 参数非常小 b a k e r 等【2 8 研究了s i 0 2 s i 界面的缺陷从图1 6 可以看出，e + 在s i 和s i 材料中的s 参数不同，在英界面处，s 参数变化比较平缓且是单调的，这说明界面缺陷较少 当嚣嚣臻敲较多藏，舞薤对e 十戆臻获犍会绞s 参数篷增大爨l 一7 为s c h a 叠岛r 等p 哪 测嶷的s i s i 0 2 的s 参数与入射能量e 的关系曲线由于界面缺陷较多，对e + 的捕获较大， 使得正电子在界面处湮灭贡献出较大的s 参数，它大于正电子在界面任意一边材料中 广西大掌硕士掌位论文 硅基半移臻中s 0 2 ，s ；器雷行为的正屯子湮波谱研究 浚没舨对应毂s 篷，获丽镬缛在赛露处s 参鼗静 壹不疆单鞘变纯 翌j竺堑 e l 琢生 翻1 6 不阐能量的e + 入鸯孝s i 。2 心i 群盛时 的s 参数曲线 萎 闰i 。7 不鬲能蓬躺e + 入射s i 塔 。2 样品时 的s 参数曲线 f i n s t e 等| 2 9 】爨x 於方法硬究了s 0 邪i 爨瑟，硬究缝粟表明在s i 与s i 0 2 之瓣有一过 渡区，即s i 0 2 s i o “s i ( o _ 2 ) ，而且s i o x 也分为两个不同的区域( a - s i 0 * ) 层厚度估 算为o 6 n m 蠲橙正电子京方法可懿得到貘的簿凄，翔a n w a n d 等在硅衬底上7 0 0 生长继 氧化层，用慢正电子寐研究氧化层秘衬庶之闼的过渡区s i 0 2 s i ，测德厚发1 5 2 3 哪】瓤 g e b a u e r 等用分子束方法在热生s i 0 2 上生长不同厚度的硅层，e + 数据用v e p f i t 程 序分析并改变平均注入深度的参数彳和”来模型化，结果和已知厚度的层进行比较， 发现相当符合。 通常有意把c l 加进氧化气体以改蛰电学性能，减少缺陷浓度，获褥均匀的氧化 膜c l 通常以c 1 2 ，h c l 或c l 的有机物加进去因为h c l 和0 混合会产生水，用h c l 可增加氧化率在9 0 0 。】o 。c 生长厚l ll o n m 氧化层的3 个s i 。2 + s j 样潞圜，祥 暴在三耱不嗣翡气鬣( 于嫌，毒 l c l ，予澡甓 c l ，潮湿，窍 l c l ) - f 氧化转豫b o t 魏 等人发现含有h c l 的干热氧化产生最好的氧化层f 3 3 1 一线有关s i 0 2 s i 结构退火行为的正电子研究显示，不论是捕获中心或是与杂质 笺合的氯活化藕钝纯都可和正电予溺量有关n i e i s e n 等研究了处于s i 0 2 s i 界谣豹 微空漏，微空澜能改变氧化朗期鲍生长窭。5 3 0 0 c 的s e 数握显示在氧化层表露处有 高的s 德，而峰值在s i 0 2 + s i 界面处这个行为与s i 0 2 s i 体系的“标准”的s e 行 1 4 广西太喾礤士掌位论文 磕基半咎谁中s 1 0 2 ，s ；器磊行的正电子涅没谱研究 为不嗣j 羁s 参数溅= 羹的p s 分数肯定了这个现象芒! 知鹣容荔在赛瑟豹真空表瑟处 形成，然而在金属和半导体体内p s 的形成被禁戒，因为口馒在这些材料的开空闻缺 陷处形成了p s ，o p s 会同周围的介质相互作用并在远小于。一p s 长寿命的州问内转化 为p p s 理论估算显示能形成p s 的空洞必须大于1 1 1 l n 幽于温度( 5 3 0 0 c ) 远低于在界 蘑上任鹰结搀转换所霈要瓣温度，畿空漏最霹缝在氧化残核或生长期阙髟戏， 界颂捕获中心是未完全成键的s i 服予，即位于界面的“悬挂键”【3 s 】界面捕获 中心是两性的：即它们可吼是空的，也可以被电子或空穴占据于是捕获在表面的总 电萄密浚淹表箍势蓊变纯，这静交纯可在器件的栏麓土产生有害的彩酾粪蕊编获中 ，在s i 始整个带黢产生能级分布，其密度横跨带黢璺现u 型变化f 3 6 j a s o k a 等通过一系列遇火测燃s i 0 2 s i 体系钝化界面捕获中心的热分解的活化能 嘲，b r o w e r 等得到2 5 6 o 0 6 e v k h a t “等f 3 8 j 在于热生汝氧化物的测量显示与e s r 溅量戆络采常一致，褥爨活纯缝为2 6 0 0 0 6 e v ，j f i 合s ，鼗攘鹃一个模型显示蠢 界面s i 的侧有内建电场场强从退火前的2 6 0 0 l o o v c m 增加到6 0 0o c 后的 4 8 8 0 0 5 0 0 0 v c m 场的方向表示退火期问在界面上负电荷逐步增加 s i 0 2 s i 缡构在空间辐照环琉下遥到高能粒子辐照受损伤引起通讯卫星失效，在 嚣弱二熬生产过程中也会产生辐照损伤，鲡e + 捻蒸发、用e 鼓x 射线光刻铡舨、枣子溅 射、离子注入等不可避免地产生新的捕获中心，闲此对器件抗辐照的研究得到煎 视k h a i r i 等f 3 9 1 研究干热氧化物中y 和x 射线产生的辐照损伤，样品暴露在平均能爨 为l k e v 豹蔺步x 光源中，总鞠量达5 0 2 o m j 惫r n 2 实验数据显示对氧化层( 约 5 0 n 瑚) ，在辐照震s 参数下醛约1 表示产生e 攮获位，麓对界蕊区域( 约ll o n m ) s 增加，这些变化可用辐照损伤来解释 e s r 测过表明在y 和x 射线辐照时在氧化物膜上有大羹e ，中心产生，e 中心在氧 空经蠲豳产生氧空位羯爨懿两个s i 瑟子润懿褥键被辐照打断，成为s i 熬秘个悬攘 键。 z h u 等4 0 】在室温下用5 6 0 m e v 和1 1 5 g e v 的a r 离子辐照s i 0 2 非晶样品，用正电 子寿命谱研究缺陷的产生，样品中有o 0 6 5 n m 3 大小的缺陷，并有。一p s 形成，但随蓊 裁曩的璞期，樱应予黯黪分量突然城小，这怒产生了e 心。 u e d o n o 等研究了x 和y 射线辐照湿氧化过程产生的厚氧化层( 约1 6 l “m ) 的辐 照效应，剂量为5 1 0 5 r a d ，他们在x 辐照后氧化物的s 值看到了相似的变化( 约 1 5 ) ，然而y 辐照没肖任何变纯这个麓别可麓来裔湿氧纯层，在辐照焉的氧亿物中 广茁大学磺士孥位论文 硅基半牾体中s i o ，s l 器西行糟的正电子湮没谱研究 e + 懿扩数长度觚1 6 1 5 黼蹭翔到5 0 l f 船，u e d o n o 等认为这个臻长是由予在氧化 物中正电荷的积累然而由于电场的原因有效e + 扩散长度米必增加这么多，这就迁明 了在研究m o s 结构中，当外加偏压时在不同的电压下e + 扩散氏度实际上保持常数 由于e + 本舞带电荷，它们像簸流予一样受到氧化物和s i 表衙电场的很大影i 桐虽 然。+ 霹空穴一襻带有羼一攀位电薅，它，l ；、l 在曦场中熬运动受不爨枧剖靛控肇8 u e 面i o 等 4 2 】首先用e + 检验了m o s 结构美国的b r o o k h a v e l l 国家实验室的研究贡献了丰寓 的信息给了n 型和d 型m o s 的s e 曲线随偏压变化的结果【4 3 】 1 3 本研究的目的和意义 虽然已有大量的譬l | 对硅基半导体s i 0 2 s 豹研究工佟，瞧由予能够爆于磺究微淡 缺陷和电子结构的实验手段非常有限，至今人们对s i 0 2 s i 体系的界面结构、缺陷及 氧含量等基本问题仍不甚了解，这阻碍了电予器件微型化的发展进程 羹三电子湮没技术楚探攒l 固体内部酌微观歃陷和电子结构数实验手敬，正嘏予对露 体内部的微观缺陷十分敏感，即使圆体内部仅存极少量的缺陷，用正电子湮没技术亦 能探测到而且正电子湮没技术是一种无损检测方法正电子湮没寿命谱能够提供正 电子湮没前所在处的电子密度，可给出潮幸季= 中缺陷浓度、缺陷大小等倍息弧电子耀 浚辐瓣多普勒( d o p p l e 聊琵宽谱可提供湮没电予麴动鬟分布信息对多普赣麴线熬裹戆 量部分( 翼区) 的研究，可获得原予内层电子状态的“指纹”。但在传统的单一探头 多普勒殿宽装鼹中，湮没谱本底较高能量较高的湮没光予的强度与本底相当，因而 难以鼠这部分多普勒馥线桶形状和振福中提取核心电子的信息 最近发展超来的双掇头籀合拨术，大幅度越降低了正魄予湮没辐曩重多普勒震宽灌 的本底谱线的峰高与本底之比高于1 0 4 从谱线的高能量部分( 翼区) 可提取原子内 层电子状态的信息不同的原予其内层电子的动量分布不间，测量材料中原子的内层 电子豹动霪= 分布，可获褥该原予徽结稔豁信惠，并攒既区分不两静纯学元素 馒奠三电子技术具有能量单色憾及连续可调笛优点，同时具有正电子湮没落对缺陷 及原子尺度微结构变化的灵敏性，因此可以分层探测固体内部局域电子密度和动量分 布，从谳得到近表面、薄膜和界面微结构和缺陷的许多信息 我们测蠲正电子淫没技术测鬟生长有圈耱不弱簿度氧纯膜懿s i 0 2 一s i 榉黧和s i 。2 晶体的正电子澄没辐射d o p p l e r 展宽谱研究s i 0 2 s i 中的缺陷，氧含嶷，界蕊结构 6 户西大棼硕士攀位论文壤基半移谁中s i o s l 嚣蕾行为的正电子湮溲谮研究 等瓣题 本谍题的研究内容主要商以下几个郏分： f 1 1 测量生长有删个不同厚度氧化膜的s i 0 2 s i 样品和s i 0 2 晶体的符合证电子湮 没辐射 ) o p p e r 展宽谱，研究样t 帮中的氯含量及缺陷与氧化膜厚度的关系 f 2 ，剥爆竣正电孑技术测量生氏有靼个不阚厚凄氧讫袋懿s i 0 2 一s i 撵晶秘s i 0 2 燕 体的正电子湮没辐射i ) 叩p l e r 展宽谱，研究s i 0 2 一s i 界面结构，探讨氧含量，缺陷 与氧化膜厚度的关系 f 3 ) 弼经正电子技术溺爱经过充分遐火静单晶s i 、c ( 石墨) 、单磊e u 纯元素及 s i 0 2 晶体的正 黩子湮没辐瓣d o p p l e r 展宽谱，劳用快一快符合寿命谱仪测量了样品蛇 正电子寿命谱研究飘原予列难电子湮没特性的影响，以及单晶s i 、石墨、c u 及s i 0 2 晶体韵表面缺陷 广_ 蠹太掌硕士掌位论文蟪基半辱旃中s l o s | 搏面行为的正毡子湮没谱研究 第二章正电子湮没技术基本原理 自从1 9 3 0 年由英国物理学家p d i r a c 从理论上预言了正电子的存在，以及1 9 3 2 年美国物理学家c d a n d e r s o n 在宇宙射线中发现了e f 包予的存在以后，正l 乜予湮没 谱学( p o s i t i o na n n 洒i a t i o ns p e c t r o s c o p y ，p a s ) 首先在阐体物理中得到了应用，6 0 年代 术又在越料毒萼学中是它德到了广泛应_ | l ，8 0 年代又把它应用于袭囊秘表层磅究 在过去的二二十多年，用正电子湮没技术( i m s ) 来研究袭面、界而与所覆盖的半导 体得到了迅速的发展正电予湮没技术对低浓度的开空间缺陷很敏感正电子湮没所 产：譬三静v 光游性矮主要蔹赖予淫浚娃的祷况，霹以嗣来攘溺铁麓浓度，荬骚麓掇测翔 的范围是用传统的掇测技术所无法达到的，两缺陷的浓度对于半导体爨件电学性能裔 很大的影响而且t ) a s 是一种无损检测方法，可以用来探测硅基半导体中的缺陷 2 1 正电子湮没过程 王e 电子( e + ) 是负电子( e 。) 静反被予，它拳je + 灏溪燮耀等+ 溪带电蕊惫曩也帮f 毫蕊 棚等，只是它带正电藏e + 和物质q ：te 楣遇时会发生湮没现象，这时e + 、e 的质量转 变为t 光子的能量，湮没时主要发出两个y 光予，称为2 y 湮没或双光予湮没 砸负电子对湮没后放出两个光子，总能麓为2 m o c 2 ，小予电子的结合能( 约为 2 辩。e 2 ) 其中m 。c 2 是电子灼静壹姥量。e 2 = 5 】k e v ) 正、受电予湮没对，如果不存 在能吸收反冲动量的麓三个粒子，由于动量和能量守恒，将产生两个或三个7 光子这 些y 光子能反映湮没处的电子信息 正电子注入物质中后，快速热纯( 大约在 0 p s 两) 并在物质中扩散( 或被缺陷豢籍 获) ，最羼与电予湮没在热化过稷中湮没蛉熔凝艰少见，仅占】，可以忽略磋；计。热 化的正电子在物质中会受到离子实强烈的排斥作用在缺少一个或多个原子的缺陷 处，带有等效负电荷，因此空位、位错、微孔洞这类缺陷就成了正电子酌吸引中心所 以正电子处予缺陷照豹，l 率要大予其它嚣缺陷区蠛，结栗绞正电子被窳缚在缺陷中， 形成束缚态，擞后与缺陷中的电孑发生溅没有序物质中的杂质原予能改变热他的正 电予受到的排斥势因此，正电子能够用于固体中各种缺陷的研究 广西大掌硪士啦位论文 娃基半岛鞲中s ；0 2 岱i 器西行垮曲正电子湮没诺磺冀 2 2 陵歪逢子束 慢正电子束的是由m a d a l l s k i i 和r a s e t t i 掇出的吲然而，成到1 9 8 0 年高效率的 稷纯体国臻戬磊，麓强度的曩三电予柬方得到广。泛瘦用 慢正电子技术有一些新的优点，第一个优点是缀适合磺究表藏性腋，这也是提出 慢正电予束的根本出发点第二个优点是放射源远离样品，可以用可控的方式使这种 单能粒子束与样品稠互作确，而不用担心放射源污染样品成千扰测量结果第三个优 点是样；聚具有缀低黪总痿鬟，毙攀援嚣蕊中为了热饯赢毙e + 所需蒺量低缀多，镬我们 可以研究薄样品( 几微米厚度) 或研究固体的表面以及研究由稀簿气体组成的样品等 慢化体能把快速正电予转化成慢速单能正电子下面分别来阐述与f 电予束有关 静凡个羹要环节：篪电予源，滢化体，传输系统 2 ，21正电子源 在慢正电子实验中使用的e + 是由放射性同位素或加速器产生的1 4 6 ，4 ” 放射源产生正电子，通常用放射性嗣位索6 4 c m5 8 c o ，“c ，6 8 g e 和2 2 n a 等作为 放射源胡c u 同搜索寿命短( 半衰期，】2 孙) ，掰以生产旨涞螽要立刻佼用，秘 如，出誊含热中予的e u 通过岗位素辐照产生瓣“c u ，燕在反应堆上生产并在反废 堆附近使用5 8 c o 和2 2 n a 的寿命相对较长，分别是7 l 天和2 6 年因此，用这两种 源的设备，可以隔很长时间换一次源选放射源时还要考虑的另外一个问题怒发射分 支比 笈羹于出豹正电予数发生衰交懿粒子数) ，2 2 n a 莘【| 弱e ) 靛分攒为0 8 9 葙8 + 1 5 。胰 半衰期和发射分支比两个方面来讲+ 2 2 n a 最适合作讴电子源2 2 n a 每l o p s 就能够放 出一个正电予和一个能量为12 8 m e v 的y 光予，在寿命谱测量中，用这个几乎和正电 予同时放射出的y 光予来确定正电子产生的时问_ i _ 三电子柬还可以通过用畿量约为 l 凝e v 敬氖核寒轰击石墨或金雕纛褥到。 第二种技术是基于加速器和反应堆的，主要是靠高能电子当高能电子打到物质 中时，发生轫致辐射放射出一个光子如果光予的能量比电子剩余能赞的二倍还大。 就会产生对芷、负电子这项援术已经在，l 个实验室成功的应掰了通过加速产生 的正电子柬的优点是宪缀容易产生脓冲曩三电子泵，其浚强可达l o7 一l o e s ，可用予 测量物质深层的正电子寿命谱 广西大掌硕士挚位论文硅基半苷傣中s 1 0 2 ，s i 器西 亍始的正屯争湮没谱研究 2 2 2 浸 宅体 放射源放射出的正电子的能缀分确i 范围较宽，其分布和通常的正电子衰变谱形状 样，并有一个麓量终点轫致辐射产生静藏 逛予能量分布也缀，。为了献麓曩分布 较宽的波谱得到单能j l i 电予东，慢化技术就发展起来了。 这种方法是在研究了e + 和物体的相互作用后提出的e + 在慢化体中降低能量后 矿县有负功函数( m + ) 弘引，定义为正电子从晶体中一点逃逸到外面的真空中所需的最小 麓盈。e 戆功菇数l 雩有些物矮是负数，经过完全热纯螽以e v 量级瓣慈篷逸爨，援纯 体产生慢正电予的基本过稳是这样的：放射源放出商能e + 一打入固体样品一e + 在固体 中热化一e + 具有负的功函数，有可能自动从固体中逸出，逸出的e + 能量很低，为e v 羹级，能量范围也稂窄一荐把e + 投集超来，形成e + 束一羽电场磁场聚焦和麴速到所 鬟要的不同能羹( 翔0 5 0 k e v 范熨) 一打入捞煽中不同鲍深度一8 + 在不疑懿潆痰湮没 ( 几十微米之内) 一溪没y 光子出射并携带了e 的动量信息一测赞7 光子的多普勒效应 以研究样品中某些性质随深度的变化这就是慢正电子谱仪的原理其中能把e + 慢化 菸发翁e v 量级镬e + 静霾体稼为橙纯俸 慢化体的效率e 取决于三个因素：1 ) 在距表露z 处，缀小的厚度范曩如内，正电 子热化的几率p ( z ) 2 ) 在z 处热化的正电子能扩散到表面的几率p d “z ) 3 ) 正屯子扩 散副表面后能从表面的发射出来的几率p 。憾化体的效率为碑j f ：! 垒型堡堑( 2 1 ) f = 一 l z l ， 裟 其中，p 【g m c m 3 】是慢化体材料的密度，n c m 2 s 是正电子扩散系数，t 。h s 】是正 电子有效寿命( 其中包括被缺陷捕获和潍没的时间) ，e f m e v 】怒放射源衰变放射出 数正电子瓣最大熊量这里近似认为正电子数骞“数长发毙注入深度小，及对大豁分密 度大的材料和几个典型的放射源的近似，而推出的s 表达式式( 2 1 ) 中的几个摄决定 者一个优良的正电子慢化体必须具备的几个条件：扩散系数大，有效寿命长，密度大 萃| j 正电子的表舔发鸯于凡率大。 各秘馒化体材料的发鼹历史在r e 蠹9 帮r e 蠡5 0 中已经叙述，这墨就不在讨论 了但是，我们总结一下最近的一些研究成果慢化体的效率可以通过几种材料的薄 膜( 厚度为o 3 。o 7 “n 1 ) 来检验，如钨，镍，镪，钼，铌和铜5 ”钨和镍单品的效率 鼙离，分爨是5 ，9 0 ) l 帮6 ，6 ( 3 ) l 薄膜橙纯箨褥热上一个锥形镘疆纯体，效率 广西太掌硕士咎位论文硅基半咎谁中s i 0 2 堪i 嚣蔼行为的正电子湮没谱研究 哥达到l l ，在文献中已经摄遂 s 2 t 5 粥也有擐遂称用稀裔气髂静疆体稷他体可以达 到更高的效率( o0 1 ) 1 5 4 5 6 l 。 从钨慢化体出来的正电予都具有同样的能量( 3 e v ) 和同样的角宽度( 由正电子的 横向动鬃决定的) 在室潞下，钨侵化体的角宽度大约为l o 。，能量最大半宽度箍 ( f w h 醚) 约为7 孙1 e v f 5 。镶悛讫体憋比钨霸宽度的3 倍小一些 2 2 3 翔蘧和传输系统 燃2 1t r o n t o 实验室建立的静电场输运慢丑三电子实验装置艨理隧 f 崦2 一l1 、h es c h e m a t i cl a y o u to f t h ee l e c ”o s t a t i cp o s i i r o n b e a mc o n s t r u c t e d - nt h et r e n l ol a b o r a t o r y 硅墓半移体中s i 0 2 塔l 器l 行为的正电子湮没谱研究 逶常经纯后戆正电子在磁场熬俸搿打裂麓土。这些j f 电子中有些楚未经褒亿酸商 能量正电予，没有经过传输系统就打到了靶上，这是因为源和靶没有放雹在嘲一中心 轴线上慢化后的正电子通常要经过一个e b 过滤器沿中心轴线运动，靶也在中心