重离子辐照SiO2/Si结构变温光致发光谱研究

马瑶,龚敏,刘鑫,胥鹏飞,林巍,冷宏强

(四川大学物理科学与技术学院微电子技术四川省重点实验室,成都 610064)

重离子辐照SiO2/Si结构变温光致发光谱研究

马瑶,龚敏*,刘鑫,胥鹏飞,林巍,冷宏强

(四川大学物理科学与技术学院微电子技术四川省重点实验室,成都 610064)

本文研究了重离子辐照前后SiO2/Si结构光学性质的变化。实验选择初始能量为414 MeV,不同辐照总剂量的Sn离子,在室温下辐照氧化层厚度为36 nm和90 nm的SiO2/Si结构。并在不同测试温度下获得了辐照前后SiO2/Si结构的光致发光谱(PL)谱。在相同的测试温度下,随着辐照总剂量的改变,峰位发生了移动,峰的强度也发生了改变；在相同的辐照总剂量下,随着测试温度的改变,峰位发生移动。由于受束缚激子发光的影响,在测试温度为80 K时出现了一个新的光致发光峰。

重离子；SiO2/Si结构；变温光致发光

1 引言

随着航空航天技术的飞速发展以及人类对各种领域的不断探索,越来越多的集成电路和电子元器件会在更加极端的环境下使用,如宇宙空间或者核爆环境。MOSFET作为最为重要的器件之一,当其在受到高能粒子及各种射线辐照时,会出现电学参数退化、器件性能不稳定、寿命减少以及器件失效等现象[1-4]。SiO2是一种稳定且坚固的电介质材料,常在集成电路和电子元器件中起着保护、钝化表面以及对器件的电绝缘和隔离等作用,是器件和材料辐照效应、机理,以及抗辐照加固研究的重点。

重离子辐照会在靶材料中形成径迹和缺陷[5-6],有研究表明用离子辐照SiO2材料时,离子在靶材料中运动[7],会在10～12 s的时间内使靶材料的局部区域温度达到1800 K,从而在SiO2中形成径迹[9]。根据热峰模型理论,入射离子通过电子与声子耦合,将能量传递给晶格,并在局部沉积大量的能量,这将会在极短的时间内使靶材料的局部区域升温,当沉积在一定体积内的能量达到某一阈值时,SiO2薄膜内原有的结构将被破坏,造成微结构的改变,从而形成不同种类的缺陷,而且这种微结构的形成规律与辐照剂量和电子能损值密切相关[8]。研究SiO2/Si结构在辐照过后的表面形貌,光学性质和电学性质,对于了解SiO2在重离子辐照后缺陷和径迹的产生机理,分析MOSFET器件性能退化问题有十分重要的意义[9-11]。

重离子辐照后的样品可以用多种光学技术进行检测,如X射线衍射(XRD)、光致发光谱以及卢瑟福背散射(RBS)等[12-15]。其中光致发光谱是研究固体中电子状态、电子跃迁过程和电子 - 晶格相互作用等物理问题的常用无损测量方法[16],国内外均有采用光致发光谱研究辐照后SiO2性质的报道,但测量均在常温环境下进行,且辐照剂量在5×1013ions/cm2～5×1016ions/cm2才能明显观察到光致发光谱的变化[17-19]。

本次试验采用总剂量分别为 5×109ions/cm2、1×1010ions/cm2和5×1010ions/cm2的Sn离子辐照SiO2/Si结构,分别在低温和室温下观察样品的光致发光特性,分析辐照总剂量以及测量温度对光致发光谱的影响。

2 实验

标准RCA清洗后,在硅衬底上采用干氧氧化法生长了厚度为36 nm和90 nm的SiO2薄膜。重离子辐照实验在兰州重离子加速器国家实验室聚焦回旋加速器(HIRFL-SFC)的重离子辐照终端进行。实验选用能量为414 MeV 的Sn离子在室温下对样品进行了垂直辐照,用SRIM2013计算了Sn离子辐照时的能损和离子射程,结果如表1所示。

Tab.1 The irradiation experiment parameters of Sn ions

从表1中可以看出,离子的射程远大于二氧化硅薄膜的厚度,离子会穿透二氧化硅薄膜。由于Sn离子的初始能量较大,所以Sn离子在二氧化硅中的电子能损远大于其核能损。

将未辐照样品和上述两种厚度,不同辐照剂量的样品分别在低温80 K以及常温290 K下测量其光致发光特性。实验装置为日本kimmon koha公司IK3301R-G型荧光光谱分析仪,光谱仪激光发光源为He-Cd激光器,激发波长为325 nm,输出功率为35 mW。

3 实验结果与讨论

SiO2厚度为90 nm,未辐照和辐照剂量分别为1×1010ions/cm2和5×1010ions/cm2的Sn离子辐照后的SiO2/Si样品,在测试温度为80 K下的PL光谱如图1所示。

从图1中可以看到：经过Sn离子辐照后SiO2/Si样品的发光特性发生改变,从未辐照样品的PL光谱中,我们可以发现样品自身有一定的缺陷。相比未辐照的样品,辐照剂量为1×1010ions/cm2时,未出现新的发光峰,而辐照剂量为5×1010ions/cm2时,在411 nm,435 nm附近出现了明显的发光峰。

Fig.1 PL spectra for SiO2/Si structure at 80K.with thickness of SiO2is 90 nm,before and after irradiation

依据公式可以将光子能量值由电子伏特单位转化为波长纳米单位。在400 nm,476 nm附近的发光峰分别对应氧化硅中的O-Si-O缺陷(3.1 eV),缺氧缺陷(≡Si-Si≡,2．6 eV)[20]。411 nm,435 nm附近的发光峰对应氧化硅中的O-Si-O缺陷。这说明辐照剂量的改变会使O-Si-O缺陷的数量发生变化。根据热峰模型,当高能离子与物质原子相互作用时,离子凭借电子 - 声子耦合将自身的能量传递给晶格,以这种方式沉积的能量形式是局域的、大量的,并会造成材料在极短的时间内局部升温,当在特定的区域以该方式沉积的能量值超过某一阈值时,二氧化硅薄膜的原晶格结构被破坏,新的结构形成。出现新的缺陷可能预示离子辐照在氧化层薄膜内形成明显的径迹,损伤SiO2/Si样品的晶格结构,产生O-Si-O缺陷使其发光效应发生改变,并且这种损伤与辐照剂量密切相关。

SiO2厚度为90 nm,未辐照和辐照剂量分别为1×1010ions/cm2和5×1010ions/cm2的Sn离子辐照后的SiO2/Si样品,在测试温度为290 K下的PL光谱如图2所示。可以看到未辐照样品在397 nm附近的发光峰,在辐照剂量为1×1010ions/cm2时移动到390 nm处,在辐照剂量为5×1010ions/cm2时发光峰移动到386 nm处。386 nm,390 nm,397 nm附近的发光峰对应氧化硅中的O-Si-O缺陷,可以看到样品在不同辐照条件下发光峰的位置发生了一定位移,发光峰的位移与是否辐照以及辐照剂量有关。

Fig.2 PL spectra for SiO2/Si structure at 290 K,with thickness of SiO2is 90 nm,before and after irradiation

图3给出了SiO2厚度为90 nm,辐照剂量分别为1×1010ions/cm2和5×1010ions/cm2的Sn离子辐照后的SiO2/Si样品,在80 K和290 K测试温度下的PL光谱。从图中可以看到样品在390 nm,480 nm附近的发光峰位置不随辐照剂量的变化而变化,只是发光强度发生改变。

辐照剂量为1×1010ions/cm2的样品,测试温度为80 K时发光峰位于385 nm附近,而测试温度为290 K时发光峰位于390 nm附近。同样的样品在不同测试温度下有明显的峰位移动。推测为禁带宽度会随着温度的变化而发生变化,与材料能带结构密切相关的PL光谱可能会随温度的改变而改变。

而对于辐照剂量为5×1010ions/cm2的样品,测试温度为80 K时发光峰位于411 nm,435 nm附近,而对比290 K温度下的PL光谱可以发现,同样辐照剂量的样品在290 K温度下于411 nm,435 nm附近没有出现发光峰,发光峰的出现与测试温度有关。

Fig.3 PL spectra for SiO2/Si structure at 80 K and 290 K,with thickness of SiO2is 90 nm,after irradiation

图4给出了SiO2厚度为36 nm,未辐照和辐照剂量为5×109ions/cm2的Sn离子辐照后的SiO2/Si样品,在测试温度分别为80 K和290 K下的PL光谱,从图中可以看出：辐照剂量为5×109ions/cm2的样品,测试温度为80 K的PL光谱在415 nm附近出现明显的发光峰,而对比290 K温度下的PL光谱可以发现,同样辐照剂量的样品在290 K温度下在415 nm附近没有出现发光峰,发光峰的出现与测试温度有关。

从图3,图4中都可以看到：同样的样品在290 K温度下没有出现有些发光峰,而在80 K条件下出现对应氧化硅中的O-Si-O缺陷的发光峰,可以看到对应氧化硅中的O-Si-O缺陷的发光峰的出现与测试温度有关。可以推测为：靶材料在辐照条件下会形成量子阱结构,量子阱结构的二维量子尺寸效应可使激子束缚能增加2～4倍。一方面非晶态SiO2禁带宽度极大,并且是绝缘体,电子和空穴束缚在体元胞中,库仑作用力较强,激子束缚能较大。而根据束缚激子在半导体中存在状态的稳定性研究,只有在测试温度相对较低的情形下才能观测到清晰的束缚激子发光现象,如果新出现的发光峰是由束缚激子发光形成的,那就说明离子辐照在非晶态SiO2薄膜中引入了新的缺陷。另一方面,当测试温度为低温时,束缚激子发射占主要地位,同时伴随有相对较弱的自由激子复合发射。样品的结晶程度好,有利于激子的存在,随着温度的升高,束缚激子发射强度很快衰减,当温度升至200 K 时,束缚激子发射峰已完全被自由激子发射峰取代。所以氧化硅中的O-Si-O缺陷的发光峰的在低温80 K下出现而290 K温度下未出现。

Fig.4 PL spectra for SiO2/Si structure at 80 K and 290 K,with thickness of SiO2is 36 nm,before and after irradiation

4 结论

通过对未辐照和不同剂量辐照的SiO2/Si样品在不同测试温度下的PL光谱的研究可以发现：经过Sn离子辐照后SiO2/Si样品的发光特性发生改变,未辐照样品的PL谱中有部分发光峰,样品自身有一定的缺氧缺陷。相比于未辐照样品,辐照后样品的PL光谱中有新的发光峰出现,由于离子辐照损伤SiO2/Si样品的晶格结构,产生了O-Si-O缺陷,且这种损伤与辐照剂量密切相关,这些结果恰好与宋银和孟彦成[10]等人用Kr离子辐照SiO2的结果相符合。在相同的测试温度,不同辐照条件下的样品发光峰的位置发生了一定位移,发光峰的位移与是否辐照以及辐照剂量有关。在相同的辐照剂量,不同测试温度下的样品有明显的峰位移动,推测为与材料能带结构密切相关的PL光谱随温度的改变而发生峰位移动。同样的样品在测试温度为80 K时出现对应氧化硅中的O-Si-O缺陷的发光峰,而290 K温度下没有出现这些发光峰,辐照后的量子阱结构与束缚激子的发光特性导致这一部分发光峰只有在低测试温度下才会出现。

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The Study of Temperature-Dependent Photoluminescence of the SiO2/Si Structures after Swift Heavy Ion Radiation

MA Yao,GONG Min*,LIU Xin,XU Peng-fei,LIN Wei,LENG Hong-qiang

(SchoolofPhysicalScienceandTechnology,SichuanProvinceKeyLaboratoryofMicroelectronics,SichuanUniversity,Chengdu610064,China)

In this work,the study of optical property of the SiO2/Si structures were performed before and after swift heavy ion radiation.The Sn ions with the energy of 414 MeV and different fluence were chosen to irradiate the SiO2/Si structure with oxide thickness of 36 nm and 90 nm at room temperature.The photoluminescence (PL) spectrum of the SiO2/Si structure were obtained at different test temperature.With the changing of the fluence,the PL peak moved and the intensity of the PL band changed at the same test temperature; at the same fluence,the PL peak moved with the changing of the test temperature.A new PL band were obtained at 80 K due to the light emission of bound exciton.

swift heavy ions； SiO2/Si structure；temperature-dependent photoluminescence spectrum

2016-04-12; 修改稿日期: 2016-07-11

国家自然科学基金项目(61176096)

马瑶(1979-),女,讲师,主要从事半导体材料和器件的辐照效应研究。E-mail：mayao@scu.edu.cn

龚敏(1961-),男,教授,主要从事半导体材料与器件工艺、集成电路设计和半导体器件的辐照效应研究。E-mail：mgong@scu.edu.cn

1004-5929(2016)04-0369-05

0433

A

10.13883/j.issn1004-5929.201604015