（材料物理与化学专业论文）复合离子注入形成soi结构及其结构和性能的研究.pdf

摘要 s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 技术在军用、航天和商业领域都已取得突破性 进展，但仍然存在一些问题。本论文主要研究氢氧共注入以降低s i m o xs o l 圆 片生产成本，和氮氧共注入形成新结构以提高抗总剂量辐照性能。 实验发现s i m o xs o l 圆片的制各过程中引入氢离子，样品结构会产生比较 大的变化。氢致缺陷的存在使成核速率变大，氢的存在加速氧的扩散速率，使 得退火时氧的内扩散和外扩散同时增强，并促进氧沉淀的生长，从而导致埋层 增厚。室温氢离子注入比高温注入增厚效应明显。实验中，我们得到了增厚1 0 的连续埋层，质量良好。加大氢离子注入剂量后，由于未相应调整退火工艺， 样品埋层因退火不充分形成了一个增厚幅度从2 8 到1 6 1 的分布极广的富氧 区域，埋层不连续。氢的不同剂量能量搭配对富氧埋层的分布和形貌都有影响。 进一步适当调整注入条件和退火工艺，有希望得到具有可观增厚致密连续埋层 的材料，这对降低生产成本有重要意义。 采用氮氧共注入形成新型s i m o ns o l 材料。通过大量不同注入条件和退火 工艺的制备和测试分析，发现s i m o n 材料的结构对注入条件和退火工艺非常 敏感，并找到了比较好的注入能量、剂量搭配以制备高质量的s i m o n 材料； 氮、氧均有在界面处富集的趋势；对各种氮氧复合注入技术作了初步分析和比 较，倾向采用注氧退火注氮退火的制各方法。 从抗辐射原理出发认为s i m o n 同s i m o x 一样具有天然的抗瞬态剂量率效 应和抗s e u 效应能力。对低剂量s i m o x 圆片进行了抗总剂量辐照的实验。发 现辐射对器件的漏源电流特性、转移特性和亚闽值漏电特性等电学性能影响很 小。实验结果说明低剂量s i m o x 圆片已经能初步用于抗辐射m o s 器件的实际 制作，对s i m o n 材料进行了抗总剂量辐照的实验，并与s i m o x 材料进行对比。 发现s i m o n 材料具有更优良的抗总剂量辐照能力。s i m o n 材料的优良抗总剂 量辐照能力的主要原因是存在于埋层内部的大量断键。s i m o n 材料具有全面的 抗各种辐射的优良能力，同时又具有s o i 材料的各种优点，生产基本兼容于 s 1 m o x 材料，具有广阔应用前景。 s o i ，s i m o n ，h y d r o g e n ，n i t r o g e n ，t 0 t a l - d o s ee f f e c t ，i r r a d i a t i o n 些! ! ! ! 匹 a b s t r a c t n o w a d a y s ，s 0 1 ( s i l i c o no ni n s u l m o r ) t e c h n o l o g yh a sb e e ng r e a t l yp u t f o r w a r di n a r e a so fm i l i t a r ys p e c i f i c a t i o ni c ，s p a c et e c h n o l o g ya n dc o m m e r c i a lp r o d u c t s b u t t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m ss u c ha st o t a l - d o s ee f f e c t t h i st h e s i sm a i n l yc o m p r i s e s t w oa s p e c t s ：c o i m p l a n t a t i o no fo x y g e na n dh y d r o g e nt or e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t s o fs i m o xs o lw a f e r sa n dc o - i m p l a n t a t i o no fo x y g e na n dn i t r o g e nt oi m p r o v et h e a b i l i t yo f t o t a l - d o s er a d i a t i o nh a r d e n i no u re x p e r i m e n t s ，i tw a sf o u n dt h a ti n d u c i n gh y d r o g e ni o n si nt h es i m o x f a b r i c a t i n gp r o c e s sw i l l l e a d sg r e a tt r a n s f o r m a t i o no ft h em a c r o s t r u c t u r et h e i m p l a n t e dh y d r o g e nh e l p st h eo x y g e na t o m sf r o mt h ea n n e a l i n ga m b i e n c et od i f f u s e i n w a r da n di n d u c e sag o o df e wo x y g e na t o m si nt h eb o xl a y e rd i f f u s i n go u t w a r d ， l e a d i n gt oag r e a t l yb r o a d e n e db u r i e do x y g e n r i c h ( b o r ) l a y e rc o m p a r e dw i t ht h e b o xl a y e ro f t y p i c a ls i m o xs 0 1w a f e r sw i t ht h es a m ef a b r i c a t i o np a r a m e t e r se x c e p t f o rh y d r o g e ni m p l a n t a t i o n w ei m p u t e di tt ot h eh y d r o g e n i n d u c e dd e f e c t sa n dt h e i n t e r a c t i o no f h y d r o g e nw i t hs i l i c o na n do x y g e n t h eh y d r o g e ni m p l a n t a t i o ne f f e c to n t h eb o rl a y e rw a sv a r i e dw i t ht h ei m p l a n t a t i o nc o n d i t i o n s ap o t e n t i a ll o wc o s t m e t h o dt of a b r i c a t es i m o xs 0 1w a f e r sw a s p r o p o s e d s i m o ns 0 1w a f e r sw e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db ys e q u e n t i a li m p l a n t a t i o na n d a n n e a l i n go fo x y g e na n dn i t r o g e ni o n sw i t hq u i t eaf e wc o m b i n a t o r i a ld o s e e n e r g y - s e q u e n c ec o n d i t i o n s t h er e s u l t si n d i c a t et h a ts u p e r i o rs i m o ns 0 1w a f e r sw i t h h i g h l ys h a r pi n t e r f a c es t r u c t u r ec a l lb ef a b r i c a t e db yc a r e f u l l yc h o o s i n gd o s e e n e r g y i m p l a n t a t i o nc o n d i t i o n so fo x y g e na n dn i t r o g e n s o m ef a b r i c a t i o nm e t h o d sw e r e c o m p a r e dt og e ts i m o n m a t e r i a l sw i t hh i g hq u a l i t y t h er a d i a t i o n h a r d e nm e c h a n i s mo fs i m o na n ds i m o xm a t e r i a l sw e r e d i s c u s s e d p m o s f e tt r a n s i s t o r sa r em a d eo ns i m o nm a t e r i a l s n m o s f e t t r a n s i s t o r sa r em a d eo ns i m o xm a t e r i a l s t h el o sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h et r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i co f n m o s f e t s i m o xa n d t h ei d sc h a r a c t e r i s t i co f p m o s f e t ，s i m o n w e r em e a s u r e db e f o r ea n da f t e ri r r a d i a t i o n r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sp r o v es i m o n m a t e r i a l sh a v es u p e r ba b i l i t yt ot o l e r a t et o t a l d o s ee f f e c t t h em a i n l yc a u s a t i o ni st h e i m p e n d e n tb o n da r i s i n gf r o mt h eh i g hd o s ei m p l a n t a t i o no f n i t r o g e ni o n s s o l ，s i m o n ，h y d r o g e n ，n i t r o g e n ，t o t a l - d o s ee f r e c t ，i r r a d i a t i o n i i 第一章文献综述 第一章文献综述 作为“2 l 世纪的硅基集成电路技术”i l l ，自二十世纪八十年代后期以来， s o l ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 技术在军用领域和商业领域都得到了迅猛发展。本 章对s o l 材料及其军民领域的应用作了简要介绍，同时概述了s o i 材料的主流 制各技术，最后给出了本论文的主要工作。 1 1 什么是s 0 传统集成电路采用体硅衬底。与之相比，s o i 技术在体硅引入绝缘埋层( 一 般为s i 0 2 ) 后作为器件基片，实现了元器件的绝缘隔离。s o l 材料具有如图1 1 结构。 f i g ，l 。1s o ls t r u c m r e 体硅器件和s o i 器件的结构如图1 - 2 所示。 1 2s o l 材料的优点 f i g 1 2t r a n s i s t o ro ns i l i c o na n ds o l s o i 材料的特有结构带来s o i 器件的优异性能，主要表现在以下方面 墨鱼塑王壁垒翌堕! 旦! 盟型丝茎堕塑塑堡堕堕型至 速度：驱动电压一定时可提高速度2 0 3 0 ； 功耗：可降低功耗3 0 5 0 ； 软误差和辐照加固：减少软误差2 3 倍；可实现有源器件同衬底的全介质 隔离，具有优良抗瞬时辐照和单粒子事件能力； 运行温度：无热激发闩锁效应， 阈值电压随温度变化小，高温下漏 电流小，运行温度可达到3 5 0 ； 集成密度：可提高5 0 ： 工艺步骤：可减少3 0 。 半导体行业的现有主流生产材 料是体硅，基于体硅的集成电路制 备工艺已接近物理极限。s o i 材料 兼容于体硅集成电路生产线，同时 又大幅度提高器件性能，实现了摩 尔定律上的跳跃( 见图1 3 ) ，是体 硅的优秀替代品。 f i g1 3m ”8l “ 1 3s o l 技术的应用 s o i 技术白军用( 抗辐照) 发展而来，现已广泛应用于半导体行业： 高速特性：微处理器，高速通信，三维图象处理，先进多媒体等； 低压低功耗应用：移动计算机，便携式电子设备，射频通信。以及其它要 求功耗低、散热快的领域，如单芯片系统s o c ，微小卫星等： 光通信和m e m s 应用：作为一种结构材料，可制作硅基集成光电器件，应 用于高速宽带互联网和其它光网络的接1 ：3 ；s o l 圆片还广泛应用于制作微机电 系统( m e m s ) 器件，如传感器等； 应用于恶劣环境：高温器件，高压器件，卫星或其它空间应用，武器控制 系统等。 下面对军、民两个领域s o i 的发展现状作简单说明。 第一苹文献绿述 1 3 1 军用微电子的关键技术 军用微电子的需求特点可以概括为体积小，功耗低，高可靠，抗辐照”1 ，在 特殊情况下如核武器和军事卫星，抗辐照成了核心问题。体硅器件有源区与衬 底连通，辐照环境下产生的大量电子空穴对会使电路失效 3 】。国外抗辐照加固 新材料和新结构器件的研究最初集中在s o s t 4 1 ( 蓝宝石上外延单晶硅) ， c m o s s o s 已在军用中起重要作用。但是，s o s 器件要进行栅介质加固：s i 外 延层中缺陷密度大，降低了少数载流子寿命，导致截止电流大；存在特有的电 离辐照效应，必须进行专门加固；同体硅c m o s 工艺不兼容。因而s o s 器件 的大规模集成化受到限制，应用范围难以拓宽。与s o s 同列入美国国防军事关 键技术( 1 9 9 9 ) 的s o l 技术没有以上缺点，同时与s o s 一样具有优良的抗辐照 性能，在军用微电子领域中前景广阔。 美国军用公司h o n e y w e l l 的s o i 专用产品系列涵盖空间运载系统( 包括储 存器和专用集成电路) 、战术系统( 巡航导弹控制系统所用的专用集成电路和高 可靠、低功耗静态存储器s r a m ) 、战略导弹( s o i 基专用集成电路和s r a m ) 、 商用和军用卫星( 无线系统、通讯、数据处理、导航、弹头管理、空间运算计 算机和监视系统等) ，公开应用有n a s a 的火星探路者( m a r sp a t h f i n d e r ) 和土 星c a s s i n i 宇宙飞船。此外，该公司还和m o t o r o l a 公司以及空军实验室联合， f i g i 4m a r k e tp r e d i c t i o no f s 0 1m a t e r i a l s 生产和开发下一代军用微电子主流器件一空间抗辐照高速低功耗微处理器 r h p p c 。美国h a r r i s 公司提供基于s o i 技术的辐照加固系统，包括标准空间运 复台离子注入形成s o i 材料及其结构和肚能的研究 行计算机( s s c ) 系列中用的处理器、储存器、a d 和d a 转换器和i 0 接口电路 等。h a r r i s 为美国政府提供的s s c 是s o i 基处理器的典型代表，性能稳定可靠， 第一代s s c 运行寿命为5 年，第二代s s c 寿命可达1 0 年以上。目前国外研制 成功军用s o i 基2 5 6 k s r a m ，国内研制成功军用s o i 基4 k s r a m ，正在研制 6 4 k s r a m 。g a r t n e rd a t a q u e s t 预测用于军工、工业和宇航等应用领域的厚膜s o i 圆片在2 0 0 5 年的总需求量将达到6 3 0 0 万平方英寸( 如图1 4 ) 。 1 3 ，2 商用热潮 1 9 9 8 年8 月，i b m 公司宣布以s o i 技术成功地研制了高速、低功耗、高可 靠的微处理器，标志着s o l 技术正式进入民用微电子领域。2 0 0 2 年2 月i b m 论坛2 0 0 2 上，i b m 展示了如何通过利用s o i 技术使速度提高2 0 3 0 并使耗 电量减少3 5 7 0 ，以定量的形式为参观者披露了实际效果。该公司在美国e a s t f i s h k i l l 的生产线利用3 0 0 m m s o i 圆片，并采用铜布线、低介电率( 1 0 w k ) 等 技术，从2 0 0 2 年下半年起开始利用o 1 1 微米工艺进行生产。i b m 、s o n y 、索尼 计算机娱乐( s e e ) 和东芝已于近期达成协议，将利用i b m 公司开发的s o l 技术 和最尖端的半导体材料来联合开发下一代及下下一代半导体加工技术。早些时 候i b m 和s c e 及东芝宣布联合开发新一代微处理器“c e l l ”，同时s c e 将从i b m 获得0 1 p t a 的s o i 技术使用授权。原来对s o i 技术优越性持否定态度的i n t e l 公司也改变了态度。在2 0 0 1 年年底i n t e l 发布了万亿次芯片设计方案，其中采 用了u l t r a t h i ns o i 技术。虽然a m d 面向台式机市场的c l a w h a m m e r 微处理器 因导入s o i 技术和新制造工艺方面不太顺利而延期到2 0 0 3 年第一季度上市， a m d 仍在下一代a t h l o nx p 、b a r t o n 核心产品中导入s o l 技术，采用o ，1 3 啪工 艺，目前o p t e r o n 产品已经推出。从图1 5 中可以看到a m d 在其核心处理器中 所采用的技术。m o t o r o l a 、t e x a si n s t r u m e n t 、m i t s u h i s h i 、h 1 1 i e ds i g n a l 、 c a n o n 、和s h a r p 等公司也纷纷跟进，投入或计划投入巨资进行s o i 技术的研究 和开发，设计和制各相关产品。 s o i 电路可以胜任3 5 0 c 高温环境工作，运算放大器、模数转换器等线性s o l 电路已广泛用于石油钻井、汽车、航空航天、化工、电力传输等部门。随着材 料价格的降低，s o l 技术将在这一领域占据7 0 9 0 的市场。 4 第一章文献综述 此外，, 5 0 1 基平面光波导对光波有很强的限制作用，s o i 材料同时具有光子 学和电子学的功能，可以实现光电集成。s o i 基的集成光通讯器件处于蓬勃发 展阶段，1 9 9 9 年后硅谷多家光通讯公司开发s o i 基集成光通信器件。l u c a n t 、 n t t 和b o o k h a m 等大公司也作出了积极响应。 g a r n e rd a t a q u e s t 预测用于制造高速“氐功耗器件( 这些器件普遍用于数字处 理和通信中) 的薄膜s o i ( 这里指小于等于l 微米的氧化埋层和小于等于o 1 5 微米的顶层硅) 需求量在2 0 0 5 年将达1 2 4 0 0 万平方英寸，平均年增长率达6 3 ( 如图1 4 ) 。 1 3 3 市场展望 f i g 1 。5a m d p r o c e s s o rc o r e sr o a d m a p 目前i c 主流产品仍采用体硅，但在微处理器进入l v 以下功率驱动以及 0 1 m 以下制备工艺后，s o i 材料相对于体硅的优越性将展示得更加充分，s o i 圆片的需求量也将随之激增。s o i 材料是未来半导体业新的基础材料。g a m e r d a t a q u e s t 乐观预测到2 0 0 8 年s o l 圆片将占到体硅市场的5 0 ( 如图16 ) 。 复台离予注入形成s o l 材料及其结构和性能的研究 i 4s o l 材料的制备 f i g 1 6t h ep r e d i c t i v er a t i oo f s o lt os i l i c o n 制备s o i 材料的方法可分为四大类：外延、再结晶、键合和离子注入。 外延：包括异质外延和同质外延等，以蓝宝石上外延硅技术( s i l i c o no n s a p p h i r e ) 为代表，现有s o l 技术就是在s o s 技术和介质隔离技术上发展而来 的； 再结晶：包括激光再结晶、电子束再结晶和区熔再结晶等，以区熔再结晶 技术( z o n em e l t i n ga n dr e c r y s t a l l i z a i t o n ) 为代表； 键合：包括硅片键合与背面剪薄技术( b o n d i n ga n de t c h b a c ks o i ) 、智能剥 离技术( s m a r t c u t ，也被称为u n i b o n d 或l o n c u t ) 多孔硅外延转移技术( e p i t a x i a l l a y e rt r a n s f e r ) 等，以u n i b o n d 和e l t r a n 为代表； 离子注入：包括注氧隔离技术( s e p a r a t i o nb yi m p l a n t a t i o no f o x y g e n ) 和等 离子体浸没离子注入技术( p l a s m ai m m e r s i o ni o ni m p l a n t a t i o n ) ，以s i m o x 为 代表。 目前商业化的s o i 材料制备技术主要为s i m o x 、u n i b o n d 和e l t r a n ，下 面对这三种技术作简单介绍和对比。 1 4 1 注氧隔离技术( s i m o x ) 如图1 7 所示，s i m o x 技术主要分为氧离子注入和高温退火两个关键步骤。 生产工艺流程为清洗、离子注入、清洗、高温退火、清洗和封装，并在线监测 全过程。表1 1 给出了s i m o x 技术的发展历程。 6 第一章文献综述 f i g 1 7s t e p so f t h ef o r m m i o no f s i m o xm a t e r i a l s 图1 8 为典型s i m o xs o i 样品的高分辨透射 g 巍( h r t e m ，h i g h r e s o l u t i o n t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 和剖面透射电镜( x t e m ，c r o s s s e c t i o n a l t e m ) 照片。由图可以清楚观察到s i m o xs o l 样品的层状结构，完整的晶体 形貌和陡峭的界面特性。 f i g 1 8t y p i c a lh r t e ma n dx t e mp h o t o so f s i m o x m a t e r i a l s ，r e s p e c t i v e l y s i m o x 技术中有三个关键因素：首先形成的氧化埋层必须具有足够的绝缘 性能；其次顶层硅的单晶质量要得到保证；最后在器件制备区域的热氧化层和 氧化埋层要足够连续 5 j os i m o x 虽然已经满足了这三个条件，但仍然存在一些 问题，比如顶层硅位错、埋层硅岛、b o x 层的完整性、界面特性等。另外，昂 贵而又产量偏低的大束流离子注入机也限制着s i m o x 技术的发展。 7 堡垒塞王生垒翌堕! q ! 塑型墨茎壁塑塑堕堂竺! ! 型 时间人物公司 事件 1 9 7 8 i z u m i ( n t t ) 【“形成了连续s i 0 2 层，命名为s i m o x t a b l e1 1m i l e s t o n e so fs i m o xt e c h n o l o g y 1 4 2 智能剥离技术( s m a r t c u t ，u n i b o n d ) 智能剥离技术主要包括以下主 要步骤：热氧化、氢离子注入形成 气泡层、键合、热处理从气泡层断 开、热处理提高s o l 质量并加强键 合强度和化学机械抛光( c m p ， c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 。图 1 9 为u n i b o n d 制备流程。 成立于1 9 9 2 年的法国s o l t e c 公司采用s m a r t c u t 技术生产 u n i b o n ds o l 圆片，是目前商用s o l 圆片的最大提供商，并于今年开始 生产3 0 0 m m 的s o i 圆片。 f i g 1 9u n i b o n dp r o c e s sf i o w 第一章文献综述 14 3 多孔硅外延转移技术( e l t r a n ) e l t r a n 技术由键合技术发展而来，利用多孔硅层作为转移层。其工艺流 程如图1 l o 。主要步骤如下：将硅片表面选择性腐蚀出一层多孔硅层；外延生 长单晶硅并氧化；键合；水枪( w a t e r - j e t ) 冲击使其在多孔硅层断开；刻蚀掉剩 余的多孔硅；最后在氢气氛退火使表面平整。 日本c a n o n 公司掌握着e l t r a n 技术专利，有商业化产品出售。c a n o n 在 2 0 0 1 年宣布将投资2 0 0 0 万美元用于扩大已有生产线和建设3 0 0 m m s o i 圆片生 产线。目前由于一些原因，c a n o n 暂时停止了s o i 材料的生产。 1 4 4 三种技术的比较 s i m o x 需一片起始硅片，工艺简单( 只有两个关键步骤) ，厚度均匀性好， 向大尺寸转移容易，成品率高；与之相比，b o n d i n g ( 包括u n i b o n d 和e l t r a n ) 需两片起始硅片，工艺复杂( 至少有五个关键步骤) ，埋层性能好，表面微观粗 糙度好，大尺寸键合难度大，成本高，成品率较低。从以上可以看出，在价格、 成品率、过程简便性等方面s i m o x 具有明显优势。 表1 2 i 8 ，9 1 概要地给出了三种技术发展指标和目前的一些特性参数。键合样 品仍有顶层硅位错，但界面更平整，埋层中不会产生硅岛。另外，前面已经提 到，u n i b o n d 和e l t r a n 虽然可以重复使用种片( s e e dw a f e r s ) 来降低生产成 本，但工艺过程远比s i m o x 复杂：而s i m o x 样品虽然具有更大的表面粗糙度、 顶层硅缺陷密度、埋层硅岛密度和针孔缺陷密度，但这些参数接近或已满足半 导体业实用指标，新的工艺也不断出现使s i m o xs o i 圆片可以持续提高质量以 满足下游厂家生产需求。 从目前来看，s i m o x 技术在世界上四家主要体硅生产厂商中已经取得三家 支持：s u m c o ，m e m c 和w a c k e r ( 另外一家s h e 支持u n i b o n d 技术) 。现在1 0 0 0 片以内3 0 0 m m s i m o x 圆片单片价格为1 3 0 0 美元，生产量提高后会降到7 0 0 美 元，而s o i t e c 的低产量3 0 0 m m u n i b o n d 圆片单片价格为1 8 0 0 美元。最后，当 全耗尽器件更多采用3 0 0 m m 圆片生产后，s i m o x 技术的优势将更大( 厚度均 匀性和生产能力等) 。 基于以上讨论，我们有理由相信s i m o x 技术将是3 0 0 m ms o i 圆片生产的 9 复合离子注入形成s o i 丰才判及其结构和性能的研究 一个有力竞争者和最终胜利者。 1 5 新的技术和热点 f i g 11 0e l t r a np r o c e s sf l o w 1 5 1 多埋层s 0 1 结构( s o i m ，s iii c o no ni f l s u l a t i n gm u i t 卜j a y e r s 1 0 p r o p e r t y n t r st a r g e t m a t e r i a lt y p e _ _ = _ 一 f n rn 】! ! 坐曼! 丛q 基型坠i 照q 坠堕 里坠。! 坠塑一一 面一一5 0 16 filmt h i c k n e s s 5 02 0 0 2 0 _ b o xt h i c k n e s s2 0 0 5 05 u z u s u r f a c e1 - 15 0 1515 3 r o u g h n e s si a l 一 一 面五五函i 丽 一 10 0 0 10 0u n k n o w n ! ! 望! i 受 ! 竺坐j一 b o x ( p i p e ) oo 弘o 1 21 一一 ! ! ! 鲤坐 ! ! ! 坐： 一 ! 竺里 一一 1 盎磊品志忑霸五酽百丽丌1 五酽聂i 百旷一一 型型! 里2 1 标准s o l 结构中由于s i 0 2 绝缘层热导率很低( 1 ，4 w m “k “) ，因此在其基 础上制备的器件散热性能不好，从而导致器件和芯片性能的退化，很大程度上 限制了s o i 材料在高温与高功耗电路中的应用1 1 0 0 具有更高热导率( 3 0 w i n 。1 k 4 ) 的s i 3 n 4 薄膜进入人们视野。考虑到s i 3 n 4 高温退火后会形成多晶，和s i 的界面 较差且晶界存在漏电流，可以在s i 3 n 4 层上引入s i 0 2 层改善埋层上界面，这种 结构称为s o i m 结构。采用s m a r t c u t 和e l t r a n 制各s o i m 材料均有报道。 后面几章将讨论采用离子注入方法制各s o i m 材料的一些结果。 1 5 2 图形化8 0 i ( p a t t e r n e d8 0 i ) 因为s o l 器件的浮体效应和自加热效应、工艺问题等，s o i 材料虽然综合 性能优于体硅，但仍不能完全替代体硅。图形化s o i 材料在衬底的s o i 区域制 各s o l 电路，在衬底的体硅区域制备体硅电路，这样实现了s o l 电路和体硅电 路的集成，充分利用了两者的各自优势，应用前景十分看好。目前制备图形化 s o l 材料主要有三种方法：l 、键合( b o n d i n g ) ；2 、局部外延法( l o c a le x p i t a x y ) ； 3 、图形化注氧隔离法( p a t t e r n e ds i m o x ) 。 墨全塞王茎墨兰些! 旦! 塑兰! 墨基笙塑塑壁壁塑竺茎 1 5 3 空洞层上的硅( s o n ，s i c o n0 nn o t h in g ) 空洞层上的硅技术，是指在体硅表层下一定区域( 一般在器件下方) 内形 成平整空洞层，保持空洞或者填入绝缘层，以此来实现器件性能的提高。t o s h i b a 和s tm i c r o e l e c t r o n i c s 都在进行s o n 材料的研究。 f i g t1 1 1t i l l u s t r a t i o n o f e s s t e c h n o l o g ya n d t h es e m l m a g e s o f s o n m a t e r i a l s t o s h i b a 公司采用的是e s s ( e m p t ys p a c ei ns i l i c o n ) 技术。图1 1 1 为e s s 技术图解和采用e s s 技术制备的s o n 材料。e s s 的原理是体硅深度刻蚀后在 还原气氛( 比如氢气) 中高温退火，表面硅原子会迁移以降低表面能，逐渐覆 盖刻蚀孔，最终形成硅中的空洞。 s t 采用的制备技术如图1 1 2 所示，与按常规工艺流程相比增加了两个环节： 一是初始硅片先外延一层s i g e 和一层g i ，二是在外延隔离区之前将s i o e 刻蚀， 保持空洞或者填入绝缘层。图1 1 3 是用此方法制备的m o s f e t 。 f i g 1 1 2s o np r o c e s sf l o wo f s t 1 2 第一章文献综述 s o n 器件在输出驱动 和亚闽特性方面都优于 s o l 的器件，同时s o n 材 料在先进的有源和无源器 件制备和二、三维的s o c 芯片系统等方面都具有广 阔的应用前景。目前s o n 材料离实用化尚有一段距 离，但它的发展值得引起我们的重视。 f i g i 1 3 s t s8 0 n ms o n m o s f e t 1 6 本论文的工作 本文的工作属于中国科学院知识创新工程“s o l 材料和器件”项目的一部 分，同时还获得了国家杰出青年科学基金( 总理基金) 的经费支持，旨在降低 s i m o xs o l 圆片生产成本和改进s o l 材料的制备方法以提高抗总剂量辐照性 能。主要开展了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 、对能量、剂量以及高低温复合注入作了一定探索。 ( 2 ) 、用氢、氧复合注入方法制备了s o i 材料，分析其结构，考察不同剂 量能量搭配对s o l 结构的影响，初步研究了引入氢离子对埋层的增 宽效应。 ( 3 ) 、用氮、氧复合注入方法制备了s i m o n 材料，分析其结构，考察不同 剂量能量搭配以及注入顺序对多层结构的影响。 ( 4 ) 、考察了s i m o n 材料的抗总剂量辐照能力，与以前的结果作出比较并 分析。 里鱼堕至堡垒丝堕! q ! 塑型墨苎堕垫塑丝堂堕堑塞 一 参考文献 1 林成鲁，张苗，功能材料与器件学报，5 ，1 9 9 9 ，p 1 2 刘忠立，第五届全国s o l 技术研讨会邀请报告，2 0 0 2 3 m b r u e l ，ba s p a r ，c m a l e v i l l e ，h m o r i c e a u ，p r o c o ft h ei n t e r n s y m p ，o ns o l t e c h n o l o g ya n dd e v i c e s ，e ds c r i s t o l o y e a n u ，9 7 ( 2 3 ) ，1 9 9 7 ，p 3 4 i g o l e c k i ，h m m a n a s e v i t ，a p p l p h y s l e t t e r s ，4 2 ，1 9 8 3 ，p 5 0 1 5 k a t s u l o s h ii z u m i ，“h i s t o r yo fs i m o xm a t e r i a l ，”m r sb u l l e t i n ，d e c19 9 8 ，p 2 0 2 4 6 n j t h o m a s ，p r o c i e e es o s s o lt e c h n o l o g yw o r k s h o p ，p 3 9 ，1 9 8 8 7 k i z u m i ，e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，v o l1 4 ，p 5 9 3 ，1 9 7 8 8 a l e xc h e d i a k ，k a r e ns c o t t ，p e n gz h a n g , t i c s5 ，p r o f s a n d s ，m s e2 2 5 ，a p r i l2 6 ，2 0 0 2 ， 9 w pm a s z a r a p r o e 1 9 9 85 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o l i d - s t a t ea n di n t e g r a t e dc i r c u i t t e c h n o l o g y , p p 7 1 6 7 1 9 1 0 - a m o de ，p e i nh ，h e r k os r ，p r o ci d e m 9 4 ，1 9 9 4 ，p 8 1 3 1 4 第二章氢氧复合注入研究 第二章氢氧复合注入研究 本章对氢氧复合注入形成s o i 结构进行了初步研究，x t e m 、h r t e m 币 j s i m s 进行了结构表征，并作了分析和讨论。重点考察了不同条件下氢的引入对 埋层结构的影响。还进行了一些能量复合注入、剂量复合注入的探索性实验。 2 1 为什么复合注入 降低注入荆量同时保持质量是目前s i m o x 发展的重要方向【1 。此方向的研 究主要集中在以下几个方面： 1 ) 能量1 8 0 k e v 、剂量4 x 1 0 1 7 c m 。注入氧离子+ i t 0 x 工艺； 2 ) 复合能量注入、复合剂量注入； 3 ) 高低温复合注入+ i t o x 工艺； 4 ) 氢、氦等轻离子注入引入缺陷+ i t o x 工艺。 此外，我们在利用水等离子体制备s i m o x 材料的研究中，发现相同注入剂 量条件下，水等离子体有利于实现埋层厚度的展宽。研究表明，这种展宽可能 是由于氢离子在原注入材料的缺陷浓度峰值附近引入的额外缺陷导致退火过程 中氧的高温动力学扩散特性变化而致 2 。于是我们试图采用氢、氧离子共注入 并在氧离子注入分布图的缺陷损伤峰值附近引入氢离子，研究其对s i m o x 材 料埋层形成的影响，希望得到与标准工艺同等剂量氧离子注入相比更厚的氧化 埋层。 能量、剂量、注入离子等的复合注入对改善s i m o x 质量和降低成本有重要 意义，选择适当的组合方式和退火工艺可以在同等注入剂量下使s i m o x 圆片 埋层厚度增加，对实际生产起着指导作用。 2 2 实验一过程 采用本实验室的日本u l v a c 2 0 0 k e v 离子注入机，改进的靶室使得硅片温 度在5 0 0 。c 一8 0 0 可调，温度控制范围为5 ，最大束流为5 0 0 i ta 。采用本所 复台离子注入形成s o i 材料及其结构和性能的研究 的石英退火炉，最高退火温度为1 3 2 0 。c ，具有简单可控硅控温装置，可按照一 定速率升降温度。为了去处气体中的水气，在气体管路中安装了水气过滤装置。 实验中，采用p 型( 1 0 0 ) 电阻率为2 0 一3 5 qc m 的4 英寸c z 单晶硅片。氢、 氧离子注入条件见表21 ，各参数意义依次为：注入离子类型，注入能量，注入 剂量，注入温度。原注入片在温度高于1 3 0 0o c 的a r + 0 2 ( 氧气含量超过3 ) 气氛中退火4 个小时。样品经机械研磨抛光减薄为1 0 2 0 l ai n 厚后用4 k e v a r + 刻蚀直到对电子透明，其后用截面透射电子显微镜( j e m 4 0 0 0 e x ，x t e m ) 观 察其显微结构；用二次离子质谱( c a n e c ai m s6 f ，s i m s ) 表征了高温退火前后 样品中的氢、氧浓度分布情况。 2 3 实验结果与分析 2 3 1x t e m 分析 t a b l e2 1t h ed e t a i l so f i m p l a n t a t i o n 截面透射电镜微区表征是分析s i m o x 微结构演变的强有力工具。由于微观 粒子的波粒二象性，受到1 0 0 k v 加速的电子，其波长为0 0 0 3 7 n m ，这样能量 的电子通过电场和磁场组成的电磁透镜，能使其偏转聚焦，从而放大戏像。由 1 0 0 k v 加速的电子波长比可见光短得多，所以可以获得很大的放大倍数。因此， t e m 的工作原理与透射光学显微镜十分类似。电子束进入样品后会不断受到散 第二章氢氧复台注入研究 射，故它的穿透能力很差。对于1 0 0 k v 的高能电子，穿透深度大概是l o o n m ， 所以在分析时要求样品制备得非常薄，增加了分析难度。截面透射电镜和高分 辨透射电镜可以用来研究材料中的相分布，表面形貌和电子材料中的位错、层 错、共格畸变、晶面弯曲、孪晶面和晶界等缺陷| 3 j 。通过截面图片，可以清楚 的了解退火后微区结构的演变、界面过渡情况以及s o i 层硅的单晶质量等。图 2 1 中( a ) 、( b ) 分别给出了注氧能量和剂量为1 6 0k e v ，5 5 1 0 ”c m 、注氢能量 和剂量为2 5k e v ，1 o 1 0 c m 。2 时改变注氢时衬底温度退火后样品的截面透射 图，图中白色条状为l o o n m 标尺( 下同) 。作为对比，图2 1 ( c ) 给出了注入能量 为1 6 0k e v 、剂量为5 5 1 0 ”c m 。2 样品的截面透射照片。由图可见，氢、氧复 合注入后退火的样品均形成了完整的连续埋层结构，且埋层中无硅岛，硅二氧 化硅界面陡峭清晰。完整的埋层结构同未注氢样品是一致的，表明氢离子的注 入对埋层形