离子注入及退火工艺是半导体工艺掺杂的重要手段,是大规模及超大规模集成电路、光电集成电路的重要工艺环节,在“杂质工程”及“能带工程”中发挥着不可替代的作用。但多年来,人们的精力及兴趣大多集中在实验和工艺研究领域,理论研究工作深度不够,这当然不利于离子注入及退火研究的深入开展。本研究课题试图在一定程度上弥补这一缺陷。本文全面总结了离子注入硅及离子注入硅退火的发展历史,方式方法及应用领域和应用前景,并重点对离子注入硅退火的若干理论问题进行了系统研究,其研究内容包含以下3个主要部分：1.离子注入硅退火的温度计算根据入射能量与吸收、传导或辐射能量间的平衡,首先对绝热、热流和等温三种退火模式及液相和固相两种退火机理进行了温度计算。绝热模式适用于脉冲激光或电子束退火,由于热量来不及向周围环境散失或向内部扩散,吸收的能量全部用以升高表面层的温度或使表面层发生熔化。据此计算了表面退火温度与入射功率密度的关系,并得到了使用脉冲长度为100ns的激光,退火所需的入射功率密度约为107W/cm2,以及要使100-500nm的表层发生熔化,所需激光功率密度的数量级为106～107W/cm2的计算结果。根据相变潜热与进入衬底的热流间的平衡,算出了液-固界面的速度约为8×102cm/s,并由此得出对于绝热模式的退火,其退火机理只能是液相再结晶的结论。在热流模式下,表面吸收的热量向硅片内部传导。考虑两种不同的情况：①热扩散长度远小于硅片的厚度,硅片可看作无限厚。文中介绍了温度随时间及深度分布的解析解,并得出了吸收长度远小于热扩散长度时,热流模式过渡到绝热模式的结论；②对于激光照射时间达ms数量级、热扩散长度与硅片厚度相近的所谓连续激光退火,列出了热传导微分方程及相应的边界和初始条件,得出了温度分布的级数解,并具体计算了表面退火温度的升高与入射激光功率密度的函数关系,以及表面温升达1400℃(接近硅的熔点)时,温升AT与深度x的函数曲线。等温模式下,材料内部的温度梯度消失,表面吸收的能量只能通过热辐射散失。本文根据入射能流密度与辐射损失的能流密度间的平衡,特别针对我们自制的碘钨灯快速热退火装置,计算了退火温度与热源功率及衬底温度的关系,得出最大碘钨灯功率为2.6kW的结论,其计算结果与实验结果符合得较好。2.离子注入退火中的结晶问题根据形核过程的热力学理论,分别对液相和固相再结晶两种情况进行了较为深入的研究。1)液相再结晶：在均匀形核理论的基础上,重点计算了平面形核时的临界晶核半径、临界形核功及最大形核率。计算中设晶核为圆柱形,分“棒”状和“盘”状两种情况进行讨论。对于“棒”状晶核,临界晶核半径只有均匀形核的一半,最大形核率对应的过冷度为Tm/2(小于均匀形核的2Tm/3),临界形核功与高度成正比。对于“盘”状晶核,临界半径和临界形核功均增加,最大形核率对应的高度为0.35nm,约等于一个硅原子的直径,说明随着表面积的增加,表面能增加,形核变得更为困难。无论晶核形状如何均可得出如下结论：与均匀形核相比,平面形核因为有固态衬底作为天然的二维晶核变得较为容易,但形成“棒”状核的概率更大,而硅片的液相再结晶过程则基本上是逐层进行的。2)固相再结晶：首先由无定形相和结晶相的自由能差以及表面自由能数值,计算了固相均匀形核的临界晶核半径、临界晶核包含的原子数、形核功及最大形核率,然后将其推广到固相平面形核的情形。主要计算结果如下：晶核大多呈“棒”状,与均匀形核相比,临界晶核半径及包含的原子数减少,临界形核功降低,形核概率随着晶核高度的增加而减小。文中还以SiGe半导体为例,算得其弹性应变能的值为εc=0.03eV/atom,由于该值已达体自由能(0.1ev/atom)的30%,成为结晶过程研究中不可忽略的因素,考虑了弹性应变能的影响后,得到了更为合理的计算结果。3.硅中锗离子注入研究对硅中高剂量Ge+注入样品(注入能量100keV,注入剂量5.3×1016/cm2)进行了不同时间、不同温度的快速热退火。对x射线衍射(XRD)曲线的分析及卢瑟福背散射(RBS)测试结果表明：退火时间太短(1000℃,5min),大部分注入Ge+未能处于替代位置,表面结晶状态也不理想；退火温度过高或退火时间过长,结晶效果反而变差。实验确定1000℃,30min为最佳退火条件,计算表明,此时大于80%的注入锗离子处于替代位置,共格因子达0.438。但由于高剂量Ge+注入引起严重晶格损伤及应变弛豫过程中大量位错和缺陷释放等原因,表面结晶质量不太理想。文章的结尾部分,作者还坦陈了本研究工作的不足之处及对未来工作的建议。