Φασματοσκοπική μελέτη micro-Raman κρυσταλλικού πυριτίου εμφυτευμένου με ιόντα υψηλής ενέργειας

Abstract

Στη παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι αλλαγές στη κρυσταλλικότητα του πυριτίου ως συνάρτηση του βάθους σε περιοχές κρυσταλλικού πυριτίου που έχουν εμφυτευθεί ιόντα 16O2+ , 12C2+ και 28Si2+, με ενέργειες εμφύτευσης 5 MeV,4 MeV και 8 MeV αντίστοιχα. Η εμφύτευση ιόντων υψηλής ενέργειας πραγματοποιήθηκε με τυχαίο (random) και καναλικό (channeling) τρόπο. Ο χαρακτηρισμός του πυριτίου έγινε με φασματοσκοπική μελέτη micro-Raman κατά μήκος της εγκάρσιας διατομής της περιοχής που έχουν εμφυτευθεί τα ιόντα. Τα δεδομένα των πειραματικών μετρήσεων συγκρίνονται με τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας οπισθοσκέδασης Rutherford πρωτονίων ενέργειας 1.2-MeV.Η σκέδαση Rutherford έλαβε μέρος κατά τη διάρκεια της εμφύτευσης για να προσδιορισθεί το βάθος διείσδυσης των ιόντων. Επιπρόσθετα οι εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) της εγκάρσιας διατομής των εμφυτευμένων περιοχών, επιβεβαιώνουν το βάθος των εμφυτευμένων ιόντων και την αλλαγή φάσης του κρυσταλλικού πυριτίου. Η τροποποίηση του πλέγματος λόγω της εμφύτευσης αιτιολογείται από το μοντέλο εντοπισμού του φωνονίου-Phonon Confinement Model PCM.Η φασματοσκοπία micro-Raman επιλέχθηκε για το χαρακτηρισμό της κρυσταλλικότητας του πυριτίου, καθώς παρέχει υψηλή ευαισθησία και εντοπισμένη πληροφορία της δυναμικής του πλέγματος.

Ion implantation is one of the most important techniques used in the siliconbased semiconductor industry.Using the ion axial channeling effect, which occurs when an ion beam is oriented along a crystallographic axis, it is theoretically possible to implant ions deeper in the crystal, in comparison with the random ion beam solid orientation, while at the same time minimizing the induced crystal lattice damage.In the present work, 4 MeV 12C2+, 5 MeV 16O2+ and 8 MeV 28Si2+ ions were implanted in highpurity [110] Si crystal wafers at dose of the order of 1017 particles/cm2, in both the channeling and random orientations.The resulting profiles were measured using dNRA (Nuclear Reaction Analysis), i.e implementing the 12C(d; p0) and 16O(d; p0; 0) reactions respectively, at Ed;lab = 1:2􀀀1:4 MeV.The results were validated using SEM (Scanning Electron Microscope), while the extent of crystalline damage was monitored during the implantation via RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy) spectra.The resulting profiles clearly demonstrate the capabilities of highenergy channeling implantations, as well as, the accuracy of dNRA profiling measurements[1].MeV implantation provides device designers with increased possibilities for the development of novel structures, but a characterization of the lattice disorder accompanying the MeV radiation is required for the full exploitation of MeV implantation technology.Raman spectroscopy, which allows nondestructive, rapid, micronscale assessment of damage is well suited to this thesis.In this work the question of just how sensitive Raman spectroscopy is to lattice in MeV implanted silicon is explored.The analysis is aided by the fact that the profile of damage created by an MeV beam is such that there is a nearly uniform distribution of defects.Especially by using the microRaman scanning technique along the crystal transversal cross section of the ion implanted region, it is possible to investigated the dependence of the ion implantation induced amorphization on the crystal depth. Raman line intensities, shapes and shifts have been used to investigate the defects in the ion implanted region.Above doses of 1017 particles/cm2, Raman provides evidence for the presence of amorphous silicon islands within the crystalline structure.The phonon confinement model (PCM) which is based on the breakdown in wavevector selection rules due to scattering from finite domain sizes has been used to explain the effective average crystal damage[14].The obtained silicon amorphization maxima are in excellent agreement with the corresponding estimated maxima of the implanted ions concentration in silicon[2].Concerning the depth profile of the ion induced damage, the results of microRaman, from SEM and RBS are in full agreement, which prove the ability of the microRaman technique to probe accurately the lattice modifications from ion implantation.