馬瑤,龔敏,劉鑫,胥鵬飛,林巍,冷宏強

(四川大學物理科學與技術學院微電子技術四川省重點實驗室,成都 610064)

重離子輻照SiO2/Si結構變溫光致發(fā)光譜研究

馬瑤,龔敏*,劉鑫,胥鵬飛,林巍,冷宏強

(四川大學物理科學與技術學院微電子技術四川省重點實驗室,成都 610064)

本文研究了重離子輻照前后SiO2/Si結構光學性質的變化。實驗選擇初始能量為414 MeV,不同輻照總劑量的Sn離子,在室溫下輻照氧化層厚度為36 nm和90 nm的SiO2/Si結構。并在不同測試溫度下獲得了輻照前后SiO2/Si結構的光致發(fā)光譜(PL)譜。在相同的測試溫度下,隨著輻照總劑量的改變,峰位發(fā)生了移動,峰的強度也發(fā)生了改變；在相同的輻照總劑量下,隨著測試溫度的改變,峰位發(fā)生移動。由于受束縛激子發(fā)光的影響,在測試溫度為80 K時出現(xiàn)了一個新的光致發(fā)光峰。

重離子；SiO2/Si結構；變溫光致發(fā)光

1 引言

隨著航空航天技術的飛速發(fā)展以及人類對各種領域的不斷探索,越來越多的集成電路和電子元器件會在更加極端的環(huán)境下使用,如宇宙空間或者核爆環(huán)境。MOSFET作為最為重要的器件之一,當其在受到高能粒子及各種射線輻照時,會出現(xiàn)電學參數(shù)退化、器件性能不穩(wěn)定、壽命減少以及器件失效等現(xiàn)象[1-4]。SiO2是一種穩(wěn)定且堅固的電介質材料,常在集成電路和電子元器件中起著保護、鈍化表面以及對器件的電絕緣和隔離等作用,是器件和材料輻照效應、機理,以及抗輻照加固研究的重點。

重離子輻照會在靶材料中形成徑跡和缺陷[5-6],有研究表明用離子輻照SiO2材料時,離子在靶材料中運動[7],會在10～12 s的時間內(nèi)使靶材料的局部區(qū)域溫度達到1800 K,從而在SiO2中形成徑跡[9]。根據(jù)熱峰模型理論,入射離子通過電子與聲子耦合,將能量傳遞給晶格,并在局部沉積大量的能量,這將會在極短的時間內(nèi)使靶材料的局部區(qū)域升溫,當沉積在一定體積內(nèi)的能量達到某一閾值時,SiO2薄膜內(nèi)原有的結構將被破壞,造成微結構的改變,從而形成不同種類的缺陷,而且這種微結構的形成規(guī)律與輻照劑量和電子能損值密切相關[8]。研究SiO2/Si結構在輻照過后的表面形貌,光學性質和電學性質,對于了解SiO2在重離子輻照后缺陷和徑跡的產(chǎn)生機理,分析MOSFET器件性能退化問題有十分重要的意義[9-11]。

重離子輻照后的樣品可以用多種光學技術進行檢測,如X射線衍射(XRD)、光致發(fā)光譜以及盧瑟福背散射(RBS)等[12-15]。其中光致發(fā)光譜是研究固體中電子狀態(tài)、電子躍遷過程和電子 - 晶格相互作用等物理問題的常用無損測量方法[16],國內(nèi)外均有采用光致發(fā)光譜研究輻照后SiO2性質的報道,但測量均在常溫環(huán)境下進行,且輻照劑量在5×1013ions/cm2～5×1016ions/cm2才能明顯觀察到光致發(fā)光譜的變化[17-19]。

本次試驗采用總劑量分別為 5×109ions/cm2、1×1010ions/cm2和5×1010ions/cm2的Sn離子輻照SiO2/Si結構,分別在低溫和室溫下觀察樣品的光致發(fā)光特性,分析輻照總劑量以及測量溫度對光致發(fā)光譜的影響。

2 實驗

標準RCA清洗后,在硅襯底上采用干氧氧化法生長了厚度為36 nm和90 nm的SiO2薄膜。重離子輻照實驗在蘭州重離子加速器國家實驗室聚焦回旋加速器(HIRFL-SFC)的重離子輻照終端進行。實驗選用能量為414 MeV 的Sn離子在室溫下對樣品進行了垂直輻照,用SRIM2013計算了Sn離子輻照時的能損和離子射程,結果如表1所示。

Tab.1 The irradiation experiment parameters of Sn ions

從表1中可以看出,離子的射程遠大于二氧化硅薄膜的厚度,離子會穿透二氧化硅薄膜。由于Sn離子的初始能量較大,所以Sn離子在二氧化硅中的電子能損遠大于其核能損。

將未輻照樣品和上述兩種厚度,不同輻照劑量的樣品分別在低溫80 K以及常溫290 K下測量其光致發(fā)光特性。實驗裝置為日本kimmon koha公司IK3301R-G型熒光光譜分析儀,光譜儀激光發(fā)光源為He-Cd激光器,激發(fā)波長為325 nm,輸出功率為35 mW。

3 實驗結果與討論

SiO2厚度為90 nm,未輻照和輻照劑量分別為1×1010ions/cm2和5×1010ions/cm2的Sn離子輻照后的SiO2/Si樣品,在測試溫度為80 K下的PL光譜如圖1所示。

從圖1中可以看到：經(jīng)過Sn離子輻照后SiO2/Si樣品的發(fā)光特性發(fā)生改變,從未輻照樣品的PL光譜中,我們可以發(fā)現(xiàn)樣品自身有一定的缺陷。相比未輻照的樣品,輻照劑量為1×1010ions/cm2時,未出現(xiàn)新的發(fā)光峰,而輻照劑量為5×1010ions/cm2時,在411 nm,435 nm附近出現(xiàn)了明顯的發(fā)光峰。

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

依據(jù)公式可以將光子能量值由電子伏特單位轉化為波長納米單位。在400 nm,476 nm附近的發(fā)光峰分別對應氧化硅中的O-Si-O缺陷(3.1 eV),缺氧缺陷(≡Si-Si≡,2．6 eV)[20]。411 nm,435 nm附近的發(fā)光峰對應氧化硅中的O-Si-O缺陷。這說明輻照劑量的改變會使O-Si-O缺陷的數(shù)量發(fā)生變化。根據(jù)熱峰模型,當高能離子與物質原子相互作用時,離子憑借電子 - 聲子耦合將自身的能量傳遞給晶格,以這種方式沉積的能量形式是局域的、大量的,并會造成材料在極短的時間內(nèi)局部升溫,當在特定的區(qū)域以該方式沉積的能量值超過某一閾值時,二氧化硅薄膜的原晶格結構被破壞,新的結構形成。出現(xiàn)新的缺陷可能預示離子輻照在氧化層薄膜內(nèi)形成明顯的徑跡,損傷SiO2/Si樣品的晶格結構,產(chǎn)生O-Si-O缺陷使其發(fā)光效應發(fā)生改變,并且這種損傷與輻照劑量密切相關。

SiO2厚度為90 nm,未輻照和輻照劑量分別為1×1010ions/cm2和5×1010ions/cm2的Sn離子輻照后的SiO2/Si樣品,在測試溫度為290 K下的PL光譜如圖2所示?？梢钥吹轿摧椪諛悠吩?97 nm附近的發(fā)光峰,在輻照劑量為1×1010ions/cm2時移動到390 nm處,在輻照劑量為5×1010ions/cm2時發(fā)光峰移動到386 nm處。386 nm,390 nm,397 nm附近的發(fā)光峰對應氧化硅中的O-Si-O缺陷,可以看到樣品在不同輻照條件下發(fā)光峰的位置發(fā)生了一定位移,發(fā)光峰的位移與是否輻照以及輻照劑量有關。

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

圖3給出了SiO2厚度為90 nm,輻照劑量分別為1×1010ions/cm2和5×1010ions/cm2的Sn離子輻照后的SiO2/Si樣品,在80 K和290 K測試溫度下的PL光譜。從圖中可以看到樣品在390 nm,480 nm附近的發(fā)光峰位置不隨輻照劑量的變化而變化,只是發(fā)光強度發(fā)生改變。

輻照劑量為1×1010ions/cm2的樣品,測試溫度為80 K時發(fā)光峰位于385 nm附近,而測試溫度為290 K時發(fā)光峰位于390 nm附近。同樣的樣品在不同測試溫度下有明顯的峰位移動。推測為禁帶寬度會隨著溫度的變化而發(fā)生變化,與材料能帶結構密切相關的PL光譜可能會隨溫度的改變而改變。

而對于輻照劑量為5×1010ions/cm2的樣品,測試溫度為80 K時發(fā)光峰位于411 nm,435 nm附近,而對比290 K溫度下的PL光譜可以發(fā)現(xiàn),同樣輻照劑量的樣品在290 K溫度下于411 nm,435 nm附近沒有出現(xiàn)發(fā)光峰,發(fā)光峰的出現(xiàn)與測試溫度有關。

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

圖4給出了SiO2厚度為36 nm,未輻照和輻照劑量為5×109ions/cm2的Sn離子輻照后的SiO2/Si樣品,在測試溫度分別為80 K和290 K下的PL光譜,從圖中可以看出：輻照劑量為5×109ions/cm2的樣品,測試溫度為80 K的PL光譜在415 nm附近出現(xiàn)明顯的發(fā)光峰,而對比290 K溫度下的PL光譜可以發(fā)現(xiàn),同樣輻照劑量的樣品在290 K溫度下在415 nm附近沒有出現(xiàn)發(fā)光峰,發(fā)光峰的出現(xiàn)與測試溫度有關。

從圖3,圖4中都可以看到：同樣的樣品在290 K溫度下沒有出現(xiàn)有些發(fā)光峰,而在80 K條件下出現(xiàn)對應氧化硅中的O-Si-O缺陷的發(fā)光峰,可以看到對應氧化硅中的O-Si-O缺陷的發(fā)光峰的出現(xiàn)與測試溫度有關?？梢酝茰y為：靶材料在輻照條件下會形成量子阱結構,量子阱結構的二維量子尺寸效應可使激子束縛能增加2～4倍。一方面非晶態(tài)SiO2禁帶寬度極大,并且是絕緣體,電子和空穴束縛在體元胞中,庫侖作用力較強,激子束縛能較大。而根據(jù)束縛激子在半導體中存在狀態(tài)的穩(wěn)定性研究,只有在測試溫度相對較低的情形下才能觀測到清晰的束縛激子發(fā)光現(xiàn)象,如果新出現(xiàn)的發(fā)光峰是由束縛激子發(fā)光形成的,那就說明離子輻照在非晶態(tài)SiO2薄膜中引入了新的缺陷。另一方面,當測試溫度為低溫時,束縛激子發(fā)射占主要地位,同時伴隨有相對較弱的自由激子復合發(fā)射。樣品的結晶程度好,有利于激子的存在,隨著溫度的升高,束縛激子發(fā)射強度很快衰減,當溫度升至200 K 時,束縛激子發(fā)射峰已完全被自由激子發(fā)射峰取代。所以氧化硅中的O-Si-O缺陷的發(fā)光峰的在低溫80 K下出現(xiàn)而290 K溫度下未出現(xiàn)。

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 結論

通過對未輻照和不同劑量輻照的SiO2/Si樣品在不同測試溫度下的PL光譜的研究可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過Sn離子輻照后SiO2/Si樣品的發(fā)光特性發(fā)生改變,未輻照樣品的PL譜中有部分發(fā)光峰,樣品自身有一定的缺氧缺陷。相比于未輻照樣品,輻照后樣品的PL光譜中有新的發(fā)光峰出現(xiàn),由于離子輻照損傷SiO2/Si樣品的晶格結構,產(chǎn)生了O-Si-O缺陷,且這種損傷與輻照劑量密切相關,這些結果恰好與宋銀和孟彥成[10]等人用Kr離子輻照SiO2的結果相符合。在相同的測試溫度,不同輻照條件下的樣品發(fā)光峰的位置發(fā)生了一定位移,發(fā)光峰的位移與是否輻照以及輻照劑量有關。在相同的輻照劑量,不同測試溫度下的樣品有明顯的峰位移動,推測為與材料能帶結構密切相關的PL光譜隨溫度的改變而發(fā)生峰位移動。同樣的樣品在測試溫度為80 K時出現(xiàn)對應氧化硅中的O-Si-O缺陷的發(fā)光峰,而290 K溫度下沒有出現(xiàn)這些發(fā)光峰,輻照后的量子阱結構與束縛激子的發(fā)光特性導致這一部分發(fā)光峰只有在低測試溫度下才會出現(xiàn)。

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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

國家自然科學基金項目(61176096)

馬瑤(1979-),女,講師,主要從事半導體材料和器件的輻照效應研究。E-mail：mayao@scu.edu.cn

龔敏(1961-),男,教授,主要從事半導體材料與器件工藝、集成電路設計和半導體器件的輻照效應研究。E-mail：mgong@scu.edu.cn

1004-5929(2016)04-0369-05

0433

A

10.13883/j.issn1004-5929.201604015