《Materials Science in Semiconductor Processing》：Evolution of interfacial defects by H/He co-implantation in 300 mm SOI layer transfer process
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氢氦共辐照对300mm SOI层剥离行为及微裂纹演化影响研究。实验表明，H-first顺序因氦在氢修饰缺陷中排斥而抑制裂纹扩展，需更高热处理预算；He-first则因氢被捕获和氦扩散促进裂纹，降低热处理需求。高氦剂量导致应力变化大，影响SOI质量。
Jingjun Ding|Chenyu Shi|Yun Liu|Zhongying Xue|Xing Wei
中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料国家重点实验室，中国上海长宁路865号，200050
摘要
300毫米硅在绝缘体（SOI）的制造基于热激活层转移工艺，其中氢化复合物在轻元素注入的硅中形成微裂纹。由于层转移过程严重依赖于缺陷的演变，因此分离后的SOI表面器件层的质量预计会随着注入和热激活过程而变化。本研究全面探讨了H/He共注入对300毫米分离SOI起泡行为、微裂纹演变和应力分布的影响。实际上，离子注入的顺序和剂量比对剥离行为起着关键作用。在H先注入的样品中，氦在氢修饰的缺陷内的排斥作用阻碍了微裂纹的扩展，从而增加了所需的热预算。相反，当氢在后注入时，它会被氦修饰的缺陷捕获。同时，氦可以从氢浓度最高的区域快速扩散到损伤最严重的区域，这促进了裂纹的扩展，降低了热预算，并有助于应力释放。此外，较高的氦剂量与更大的剪切应力变化相关，表明分离后的SOI质量较差。
引言
300毫米硅在绝缘体（SOI）的大规模制造是现代半导体工业的重要基础。离子切割技术在此过程中起着核心作用，其优化对于实现高质量、低成本的生产具有重要意义，相关研究已经非常广泛[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。这种先进的方法首先将特定剂量的轻气体离子注入供体基底，然后直接将晶圆键合到把手基底上。随后的退火处理在指定深度引发剥离，从而实现顶层的工程化转移[[7], [8], [9], [10], [11], [12]]。然而，这一过程通常会导致损伤层内微裂纹的无控制扩展，这是由于缺陷演变和断裂路径变化共同作用的结果[[13], [14], [15]]。迄今为止，许多研究都集中在理解相关的基本机制上，即起泡特性、注入的顺序和/或能量，以及退火阶段，以优化层分离过程中产生的断裂界面[[16], [17], [18], [19], [20], [21]]。
Cherkashin等人的先前研究表明，氦和氢共注入的顺序和相对位置对硅中形成的缺陷和复合物的形成及热演变有影响[22,23]。他们的研究表明，第二次注入总是会破坏初次注入产生的缺陷簇和复合物，这些点缺陷随后重新分布，导致退火后样品的差异。此外，需要调整氦的注入能量，使其损伤位置比氢的注入范围更深。Chao及其同事发现，氢注入引起的起泡动力学取决于硅基底的晶体取向[24]。在这种情况下，基底的取向调节了损伤层内的缺陷密度，从而影响了起泡形成的位点。这种变化影响了起泡效率和微裂纹的扩展动态。Colonel等人指出，断裂表面的粗糙度变化可能源于裂纹扩展路径中的剪切应力引起的变形[25]。为了控制和改善SOI基底的断裂后表面粗糙度，必须考虑剪切应力。众所周知，起泡动力学主要受注入顺序和剂量、相对注入深度以及退火设置的影响。然而，很少有研究关注共注入对300毫米分离SOI的剥离行为和器件层质量的影响。
本研究通过工程化的共注入深入探讨了300毫米SOI界面缺陷和应力分布的演变。根据注入顺序的不同，观察到了两种不同的剥离行为。对于H先注入的样品，氦在氢修饰的缺陷内的排斥作用抑制了微裂纹的扩展，从而增加了所需的热预算。而对于He先注入的样品，第二次注入的氢被氦修饰的缺陷捕获。同时，氦的逆向扩散对氢化复合物施加压力，促进了微裂纹的扩展，降低了热预算，并有助于应力释放。此外，较高的氦剂量与更大的剪切应力变化相关，表明分离后的SOI质量较差。这一发现为理解剥离机制和优化300毫米先进半导体材料的器件层提供了新的见解。
实验部分
实验
使用300毫米Czochralski生长（100）硅晶圆，在其表面覆盖200纳米热生长SiO2层，然后在室温下用氢和/或氦进行注入。调整了H+和He+的注入能量，确保氦的渗透深度略深于氢，注入过程如表1所示。注入后，样品在惰性气氛下于623 K或773 K下热处理10分钟。为了制备300毫米分离SOI，进行了共注入
结果与讨论
图1显示了通过SIMS测定的注入元素的深度分布。为了比较，还提供了仅注入氢和仅注入氦的样品。无论共注入的顺序如何，注入样品中的氢峰都预计比氦峰浅（图1a和d）。在623 K退火条件下，氢峰向氦的注入范围移动并趋于缩小（图1b）。实际上，氦的分布强烈依赖于注入顺序（图
结论
总之，通过精心设计的共注入实验研究了300毫米分离SOI的缺陷演变和应力分布。根据注入顺序的不同，观察到了两种不同的剥离行为。对于H先注入的样品，氢的深度分布较宽并具有拖尾特征，而氦最初固定在氢峰处，随后迁移到损伤最严重的区域。我们认为氦受到了排斥作用
作者贡献声明
Jingjun Ding：撰写初稿、方法论设计、实验研究、概念构思。Chenyu Shi：实验研究。Yun Liu：实验研究。Zhongying Xue：撰写文本、审稿与编辑、资金争取。Xing Wei：撰写文本、审稿与编辑、项目管理、资金争取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFB4401700）、中国科学院战略性先导科技专项（项目编号：XDB0670200）以及国家自然科学基金（项目编号：62304232和62304233）的财政支持。
