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研究生： 鍾志宏
Chung, Chih-Hung
論文名稱： 不同能量與順序對於氫與氦離子共佈植於矽所引發表面發泡之比較研究
指導教授： 梁正宏
Liang, Jenq-Horng
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 92
中文關鍵詞： 氫與氦離子共佈植 、表面發泡 、發泡破裂 、輻射損傷 、絕緣體上矽
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    • 本論文研究係旨於研究在相同佈植通量的情況下，不同佈植順序與不同氦離子能量對於氫與氦離子共佈植於矽 （100）試片表面發泡與發泡破裂現象的影響。特性的比較包括：佈植元素的縱深分佈、試片的表面發泡與發泡破裂現象、以及試片內部的微結構影像。所使用的量測分析儀器包括：動態光學顯微分析儀器、拉曼光譜儀、二次離子質譜儀、橫截面穿透式電子顯微鏡、以及原子力顯微鏡。研究結果顯示：試片表面發泡與發泡破裂現象和佈植順序以及氦離子能量息息相關，尤其，並非先行佈植氦離子即是最佳的佈植條件，而是欲佈植於試片較深處的元素必須先行佈植才是。此乃由於避免其所引發的輻射損傷受到第二階段佈植離子的擾動所致。本論文研究並進一步地選用發泡破裂程度最佳的試片進行矽薄膜轉移的接合處理，以獲致絕緣體上矽結構。研究結果顯示該試片確能成功將矽薄膜層轉移至二氧化矽片上，且矽薄膜層的表面十分平坦。

    摘要 表目錄 iii 圖目錄 v 第一章 前言 1 第二章 文獻回顧 5 2.1 絕緣體上矽材料的發展歷史 5 2.2 絕緣體上矽材料製作元件的應用優勢 6 2.3 絕緣體上矽材料的各項製程技術 7 2.4 兩階段氫與氦離子佈植取代單階段氫離子佈植 10 第三章 實驗原理與方法 20 3.1 理論模擬 20 3.2 離子佈植 20 3.3 接合處理 21 3.4 特性量測 22 3.4.1 動態光學顯微儀器 22 3.4.2 拉曼光譜量測系統 23 3.4.3 二次離子質譜儀 25 3.4.4 穿透式電子顯微鏡 28 3.4.5 原子力顯微鏡 30 第四章 結果與討論 43 4.1 以動態光學顯微技術觀察表面發泡及發泡破裂現象 43 4.1.1 表面發泡及發泡破裂之光學影像 43 4.1.2 表面發泡及發泡破裂的臨界溫度 43 4.1.3 表面發泡活化能 43 4.1.4 發泡破裂活化能 44 4.1.5 時間 ─ 溫度 ─ 變化曲線（恆溫變化曲線） 44 4.1.6 發泡破裂面積百分比（fc） 45 4.1.7 坑洞（crater）大小分佈 46 4.2 拉曼光譜系統 46 4.2.1 一階散射峰光譜 46 4.2.2 氫複合缺陷演化 48 4.3 二次離子質譜儀 49 4.3.1 SRIM蒙地卡羅（Monte Carlo）電腦模擬程式 49 4.3.2 佈植元素的縱深分佈分析 49 4.3.3 不同的氦離子佈植能量與不同的佈植順序對於表面發泡難易程度的影響 51 4.3.4 退火前後氫原子與氦原子縱深分佈的比較 51 4.4 穿透式電子顯微鏡 52 4.5 製作絕緣體上矽結構 52 4.6 表面粗糙度觀察 53 第五章 結論與建議 86 參考文獻. 89 表目錄 表3.1 本論文研究之離子佈植條件。 41 表3.2 modified RCA清洗流程所使用的參數。 42 表4.1 藉由動態光學顯微技術求得各佈植條件之表面發泡的臨界溫度（Tb）與發泡破裂的臨界溫度（Te）。 73 表4.2 藉由動態光學顯微技術求得各佈植條件的表面發泡活化能（Eb）與發泡破裂活化能（Ee）。 74 表4.3 各試片於 400 °C的發泡破裂面積百分比。 75 表4.4 各試片於 500 °C的發泡破裂面積百分比。 75 表4.5 各試片經過 400 °C和 500 °C退火一小時，表面發泡破裂後坑洞的平均直徑（ ）。 76 表4.6 由拉曼光譜儀量得各未退火試片一階散射峰訊號的峰下面積值（A）及其標準差 77 表4.7 H+ + He+試片於未退火、經 400 °C退火一小時、以及 500 °C退火一小時的一階散射峰強度比例。 78 表4.8 He+ + H+試片於未退火、經 400 °C退火一小時、以及 500 °C退火一小時的一階散射峰強度比例。 79 表4.9 各試片的 K值隨退火溫度的變化。 80 表4.10 由 SRIM計算模擬結果而得氫原子與氦原子的投影射程範圍（Rp）與投影射程散度（ΔRp）。 81 表4.11 由 SRIM蒙地卡羅電腦模擬程式所得之氦原子所引發的最大空位濃度位置（ ）與該處氫原子濃度及其濃度梯度的特性關係。 82 表4.12 由 SRIM蒙地卡羅電腦模擬程式所得之最大氫原子濃度位置（ ）與該處氦原子所引發的空位濃度及其空位濃度梯度的特性關係。 83 表4.13 由 SRIM蒙地卡羅電腦模擬程式所得之最大氫原子濃度位置（ ）與該處氦原子所引發的回彈矽原子濃度及其濃度梯度的特性關係。 84 表4.14 由 SRIM蒙地卡羅電腦模擬程式所得之氦原子所引發的最大回彈矽原子濃度位置（ ）與該處氫原子濃度及其濃度梯度的特性關係。 85 圖目錄 圖1.1 離子劈裂技術的製程示意圖。 3 圖1.2 經氫離子佈植後於退火過程中引起的表面發泡現象示意圖。 4 圖2.1 不同材料製作 MOSFET元件的寄生電容比較圖。 12 圖2.2 閉鎖效應。 13 圖2.3 軟錯效應。 14 圖2.4 磊晶橫向成長之絕緣體上矽製程示意圖。 15 圖2.5 接合及背向蝕刻之絕緣體上矽製程示意圖。 16 圖2.6 氧離子佈植分離之絕緣體上矽製程示意圖。 17 圖2.7 磊晶層轉移之絕緣體上矽製程示意圖。 18 圖2.8 離子劈裂之絕緣體上矽製程示意圖。 19 圖3.1 實驗工作規劃流程圖。 32 圖3.2 北京師範大學 400 keV離子注入機機組構造示意圖。 33 圖3.3 動態光學顯微儀器示意圖。 34 圖3.4 斯托克線、反斯托克線所對應的能階躍遷示意圖。 35 圖3.5 微拉曼系統裝置示意圖。 36 圖3.6 拉曼光譜儀工作原理示意圖。 37 圖3.7 二次離子質譜儀構造的示意圖。 38 圖3.8 穿透式電子顯微鏡工作原理示意圖。 39 圖3.9 原子力顯微鏡工作原理示意圖。 40 圖4.1 藉由動態顯微光學技術所觀察的各試片經連續升溫 16分鐘後發泡破裂之現象。 54 圖4.2 表面發泡及發泡破裂的起始時間為退火溫度的函數。 55 圖4.3 H+ + He+試片的時間 ─ 溫度 ─ 變化曲線。 58 圖4.4 He+ + H+試片的時間 ─ 溫度 ─ 變化曲線。 57 圖4.5 400 °C退火一小時後各組試片的平均坑洞直徑分佈。 58 圖4.6 500 °C退火一小時後各組試片的平均坑洞直徑分佈。 59 圖4.7 各未退火試片的一階散射峰光譜。 60 圖4.8 勞倫茲分佈的示意圖。 60 圖4.9 H+ + He+試片於未退火、分別經 400 °C退火一小時、以及 500 °C退火一小時後，其一階散射峰的峰值變化。 61 圖4.10 He+ + H+試片於未退火、分別經 400 °C退火一小時、以及 500 °C退火一小時後，其一階散射峰的峰值變化。 62 圖4.11 各組試片經 400 °C退火一小時後，其 1800至 2300 cm-1譜段的拉曼光譜。 63 圖4.12 各組試片經 500 °C退火一小時後，其 1800至 2300 cm-1譜段的拉曼光譜。 64 圖4.13 藉由 SRIM模擬計算而得的氫原子與不同佈植能量的氦原子的縱深分佈。 65 圖4.14 退火前 He+ + H+試片中氫原子與氦原子的縱深分佈。 66 圖4.15 退火前 H+ + He+試片中氫原子的縱深分佈。 67 圖4.16 退火前 He+ + H+試片中氫原子的縱深分佈。 67 圖4.17 退火後 H+ + He+試片中氫原子的縱深分佈。 68 圖4.18 退火後 He+ + H+試片中氫原子的縱深分佈。 68 圖4.19 He+ (70 keV) + H+ (40 keV)的佈植試片（試片 7040）經 500 °C退火一小時後氫原子與氦原子的縱深分佈。 69 圖4.20 試片 7040經 500 °C退火一小時後的橫截面穿透式電子顯微鏡影像。 70 圖4.21 接合處理中的退火流程圖。 71 圖4.22 利用原子力顯微鏡量測由 He+ (70 keV) + H+ (40 keV)的佈植試片所製得絕緣體上矽薄膜層的表面粗糙度。 72

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