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等离子体浸没注入技术对半导体材料的改性研究

作　者: 王一鹏
导　师: 吴晓京
学　校: 复旦大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 等离子体浸没注入剂量标定脉冲激光沉积 p型ZnO 离子注入
分类号: TN304
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 54次
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内容摘要

等离子体浸没注入(Plasma Immersion Ion Implantation, PⅢ)技术是一种新型的离子注入技术,由于其拥有非视线性的特点,被广泛应用于材料表面处理工艺。PⅢ技术从最初冶金学方面的应用,逐渐转向对生物高分子材料以及半导体微电子材料领域。我们对自行搭建的PⅢ设备,进行了离子注入剂量标定以及材料改性的一些研究。本论文使用PⅢ技术研究了p型ZnO材料制备和SOI(Silicon on Insulator)材料中氧注入的研究。本文提出了一种全新的PⅢ剂量标定方法,该方法基于电流测量,采用电流积分剔除二次电子影响,得到最后的离子注入剂量。当注入电压发生改变时(即二次电子的产量发生变化),在计算方法中引入电压矫正因子加以修正。当注入电压脉宽发生改变时,基于Child-law的剂量标定理论模型存在着一定的误差,本研究对加入了对电压脉宽的修正。采用PⅢ技术制备p型ZnO的研究中,研究首先使用脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition, PLD)方法生长ZnO薄膜,再对其进行氮离子注入的掺杂。PⅢ离子注入后,样品在800℃快速退火(Rapid Thermal Annealing, RTA).使用PⅢ变化电压的注入形式制备得到了氮掺杂的p型ZnO薄膜,其空穴载流子浓度为9.74×1014 cm-3,接近1015 cm-3浓度。而载流子迁移率为6.52 cm2·V-1·s-1。但当注入剂量超过一定值,样品在退火后,其中的氮元素发生聚集形成叠氮化锌Zn(N3)2。使用掺杂磷元素的ZnO薄膜作为对比实验：采用原位生长PLD方法制备不同掺杂浓度的ZnO薄膜样品,RTA退火处理。适量的五氧化二磷掺杂对ZnO的结晶性能有所帮助,而2%浓度的掺杂浓度的结晶性能最好。RTA退火处理后,可得到p型ZnO薄膜,其空穴浓度为1.70×1017 cm-3,空穴迁移率为13.00cm2·V-1·s-1,同时探讨了磷掺杂p型ZnO的形成机理。此外本文尝试了采用PⅢ技术取代SIMOX工艺中的注氧过程,以制备SOI材料的可行性研究。不同工艺条件的氧离子注入样品,采用1300℃高温管式炉退火。研究了退火前后存在的晶格缺陷以及变化,发现氧化层厚度与退火氛围以及注入电压密切相关。

全文目录

目录  3-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
第一章引言  8-16
  1.1 等离子体浸没注入历史  8-9
  1.2 等离子体浸没设备简介  9-12
    1.2.1 PⅢ射频源系统  10
    1.2.2 PⅢ真空系统  10-11
    1.2.3 PⅢ高压系统  11-12
  1.3 等离子体浸没注入应用  12-15
    1.3.1 PⅢ在冶金学上的应用  13-14
    1.3.2 PⅢ对生物高分子材料的改性  14
    1.3.3 PⅢ在集成电路制备方面的应用  14-15
  1.4 等离子浸没注入技术的缺陷  15
  1.5 本论文的主要工作  15-16
第二章 Pill剂量标定方法改进研究  16-34
  2.1 基于Child-Law理论的推导模型  16-19
    2.1.1 Child-Langmuir公式  16-17
    2.1.2 基于Child-Law的剂量标定模型  17-19
  2.2 基于电流测量的离子剂量标定方法  19-21
  2.3 氮气等离子体的PⅢ剂量标定实验结果探讨  21-29
    2.3.1 脉冲电压变化的模型探讨  21-23
    2.3.2 脉冲宽度变化的模型探讨  23-27
    2.3.3 脉冲频率变化的模型探讨  27-29
  2.4 其他气体源等离子体的PⅢ剂量标定  29-32
    2.4.1 氩气等离子体的PⅢ剂量标定  29-30
    2.4.2 氧气等离子体的PⅢ剂量标定  30-32
    2.4.3 不同气体PⅢ剂量CMM标定结果  32
  2.5 小结  32-34
第三章 PⅢ制备p型ZnO薄膜材料的研究  34-52
  3.1 ZnO材料属性及研究现状  34-36
    3.1.1 ZnO材料的结构和属性  34-35
    3.1.2 ZnO材料中的载流r  35-36
    3.1.3 ZnO材料的研究进展  36
  3.2 ZnO薄膜材料PLD制备和PⅢ掺杂  36-38
    3.2.1 脉冲激光沉积生长ZnO薄膜  36-38
    3.2.2 PⅢ氮注入ZnO实验  38
    3.2.3 ZnO薄膜材料的退火实验  38
  3.3 ZnO注氮薄膜材料的性能研究  38-44
    3.3.1 ZnO注氮薄膜的样品准备  38-40
    3.3.2 ZnO薄膜的性能表征  40-44
  3.4 附录:原位生长掺杂制备p型ZnO的研究  44-50
    3.4.1 ZnO掺磷薄膜材料的制备  44-45
    3.4.2 ZnO掺磷薄膜材料的表征研究  45-50
  3.5 小结  50-52
第四章 PⅢ制备SOI材料埋层缺陷研究  52-65
  4.1 SOI材料的研究现状  52-55
    4.1.1 SOI材料概述  52
    4.1.2 SOI材料制备工艺  52-54
    4.1.3 SOI材料新型应用  54-55
  4.2 PⅢ的SIMOX工艺模拟  55-64
    4.2.1 样品材料制备  55-57
    4.2.2 样品材料的SEM表征  57-59
    4.2.3 样品的拉曼光谱表征  59-60
    4.2.4 样品的荧光光谱测试  60-64
  4.3 小结  64-65
第五章论文总结  65-67
参考文献  67-73
致谢  73-74

等离子体浸没注入技术对半导体材料的改性研究

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