近物所離子聯合注入單晶硅制備SOI材料研究獲進展

　　中科院近代物理研究所科研人員將320 kV高壓平臺提供的氦離子和氧離子聯合注入單晶硅，研究氦離子注入所導致的氦泡和納米空腔與氧原子的相互作用機理，獲得進展。

　　實驗中，科研人員首先向單晶硅中注入30 keV、3×1016/cm2的氦離子，然后將樣品切成兩塊：一塊做退火處理，退火溫度為1073K，退火時間為30分鐘；另外一塊不做退火處理。實驗清楚地表明：退火前樣品內部存在高密度的氦泡。其截面透射電鏡結果如圖1所示。

　　科研人員將注氦后的樣品再注入100 keV的氧離子，劑量為3×1016/cm2。再選擇一塊單晶硅，注入同樣條件的氧離子。氧離子注入完成后，經高溫退火處理 (1423K,3h和1473K,2h)，退火氣氛為Ar/O2 (100/10)。利用截面透射電鏡研究了樣品內部的微結構氧原子分布，發現氦、氧離子聯合注入能夠提高樣品內部氧的含量，降低樣品內部缺陷的密度，如圖2和3所示。

　　這些研究表明：氦離子注入所導致的納米氣泡能夠有效地捕獲氧原子和硅間隙子，這為今后研究如何制備低缺陷密度的超薄silicon-on-insulator (SOI) 材料提供了重要參考數據。

　　研究結果發表在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B （269 (2011) 739-744）。

圖1 30 keV，3×1016/cm2的氦離子注入單晶硅，退火前(a)和退火后(b)的截面電鏡照片。可以清楚地看出退火前樣品內部存在高密度的氦泡。

圖2 (a) 注氦經退火再注氧；(b)注氦后直接注氧；(c)注氧的氧原子對深度分布

圖3 (a) 注氦經退火再注氧；(b)注氦后直接注氧；(c)注氧的截面透射電鏡照片（暗場像，箭頭指向樣品表面）