Effect of Deuterium Ion Implantation Dose on Microstructure and Nanomechanical Properties of Silicon

Abstract

Імплантація водню в кремній з подальшим відпалом (технологія Smart-Cut) застосовується для виготовлення мікроелектронних пристроїв. Покращені характеристики отриманих структур були досягнуті шляхом імплантації дейтерію замість водню. Метод наноіндентування широко використовується при вимірюванні твердості H та модуля пружності E матеріалів у нанорозмірному масштабі. Метою даної роботи є дослідження впливу дози імплантації іонів дейтерію на структуру та механічні властивості монокристалічного кремнію в нанорозмірному масштабі. Досліджено вплив доз імплантації іонів дейтерію в діапазоні від 2×1015 до 1×1018 D/см2 на структуру та механічні властивості монокристалу кремнію в наномасштабі. Зразки полірованого кремнію (111) імплантували при 293 К пучком іонів дейтерію з енергією 24 кеВ. Методом Раманівської спектроскопії було показано, що в залежності від дози імплантації в кремнії утворюються три структурні стани: дейтерій знаходиться у твердому розчині, суміш аморфної фази кремнію і твердого розчину, і тільки аморфний стан (a-Si:D). Термічна десорбційна спектроскопія показує, що при низьких дозах імплантації в спектрах термодесорбциї дейтерію спостерігається один пік з максимумом при Tmax ~ 575 К, а при дозах вище 5×1017 D/см2 з’являється низькотемпературний пік з максимумом при 500 К, що свідчить про утворення аморфного гідрогенізованого кремнію a-Si:D. Наноіндентування показало, що в режимі повної пластичності в контакті (> 100 нм), утворення твердого розчину дейтерію в кремнії спричиняє збільшення твердості поверхні зразка до 14,1 ГПа. Твердість поверхні різко зменшується до 3,6 ГПа з утворенням шару a-Si:D.

Implantation of hydrogen into silicon with subsequent annealing (Smart-Cut Technology) is applied to produce microelectronic devices. Improved characteristics of the resulting structures were achieved by using implantation of deuterium instead of hydrogen. The nanoindentation technique is widely used to measure the hardness H and elasticity modulus E of materials at the nanoscale. The aim of the present work is to investigate the influence of deuterium ion implantation dose on the structure and mechanical properties of single crystal silicon at the nanoscale. The influence of the deuterium ion implantation with an implantation dose ranging from 2×1015 to 1×1018 D/cm2 on the structure and mechanical properties of single crystal silicon at the nanoscale has been investigated. Polished (111) silicon samples were implanted at 293 K by using a deuterium ion beam with an ion energy of 24 keV. It was shown by Raman spectroscopy that, depending on the implantation dose, three structural states are formed in silicon: a solid solution of deuterium (D) in Si, a solid solution mixed with the Si amorphous phase, and an amorphous state (a-Si:D) only. Thermal desorption (TD) spectroscopy shows that at low implantation doses, the deuterium TD spectra exhibit a single peak with a maximum at Tmax ~ 575 K. At doses above 5×1017 D/cm2, a lowtemperature peak with a maximum at 500 K appears that is indicative of the formation of amorphous hydrogenated silicon a-Si:D. Nanoindentation tests have shown that in the regime of full plasticity in the indenter contact region (> 100 nm), the formation of deuterium solid solution in Si causes an increase in the sample surface hardness up to 14.1 GPa. The surface hardness sharply decreased down to 3.6 GPa with the a-Si:D layer formation.