碳化硅中氦离子辐照缺陷演化及SiCOI薄膜合成的研究

碳化硅是一种宽带隙半导体材料,具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率高、电子饱和漂移速度大、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性好等优良特性,使其在越来越多的领域如航空航天、太空探测、人造卫星、地热勘探、核能仪器、雷达通讯等, 所需要高温、高速、高频、大功率的微电子器件方面倍受青睐,并和氮化镓、金刚石一起被誉为发展前景十分广阔的第三代半导体材料。本论文采用He+离子注入,在SiC衬底一定深度引入纳米气泡/空腔的方法,来增强对氧原子的俘获以增加O原子在RP处局域浓度,使得更利于O与Si的反应,从而促进氧化埋层的形成,以达到降低注入O的剂量而形成优良的氧化物电绝缘层的目的。由于高剂量的O注入会引起表层SiC材料的损伤，该方法有望缓解目前SIMOX技术中O离子高剂量注入引起表层材料的损伤问题，以期获得低成本、低缺陷密度的SiCOI材料。论文主要开展了如下研究：（1）对He+离子高温（600 K）注入6H-SiC中产生的辐照缺陷,以及缺陷在阶梯温度退火的演化行为的特征进行了分析。实验采用100 keV的He+,辐照剂量范围为3.0×1015～3.0×1016 He+/cm2。利用拉曼光谱、室温光致发光谱、红外吸收光谱、沟道卢瑟福背散射谱的特征进行了分析。实验结果表明,离子注入所产生晶格损伤的程度与He+离子注入剂量有关；高温退火使得损伤得到恢复,不同注入剂量造成的晶格损伤需要不同的退火温度才可恢复。高剂量注入的样品在阶梯温度退火条件下呈现出了点缺陷的复合、氦-空位团的产生、氦泡的形核、长大等特性。与室温注入相比,高温注入引入的自退火作用使大部分简单缺陷发生复合,限制了损伤的积累,从而在材料中产生相对较小的损伤。在一定剂量范围内是避免注入层非晶化的一个重要方法,为后续利用氦离子注入空腔掩埋层吸杂或者制备低成本、低缺陷密度的绝缘层上碳化硅(SiCOI)材料提供了可能。 （2）对He的预注入引入的辐照缺陷与随后注入的氧原子的相互作用机理进行了初步分析。实验采用先He后O注入的方法，采用的离子能量为30 keV (He+)，100 keV (O+)；剂量分别为3.0×1016 (He+)、1.0×1017 (O+) ions/cm2。拉曼散射谱结果表明,空腔对氧的吸收主要是通过捕获简单缺陷释放出来的间隙氧原子实现的,进而促进了对氧的吸附,形成硅氧化合物,有利于氧化埋层的形成。紫外-可见吸收谱中的干涉带表明在材料表面下大概198 nm处是损伤层与晶体层的分界面，接近于SRIM2006估算得到的30 keV He+和100 keV O+辐照损伤的深度（He+辐照损伤的深度为195 nm；O+辐照损伤的深度为165 nm）。沟道卢瑟福背散射谱表明，在特定深度（约150 nm）处,样品中形成了接近非晶的埋层。He离子预注入的碳化硅基体由于含有较多的空位,注入的氧在退火过程中从简单缺陷中释放,向空腔层扩散并捕获在空腔层内,使得He离子预先注入形成的空腔层限制了随后O离子注入造成的损伤层的厚度