Defect engineering in H and He implanted Si

Abstract

The present work relates an investigation of H2 + and He+ coimplanted (001)-Si substrates. The phenomena of blistering and exfoliation were studied by SEM as a function of the implantation parameters (energy, fluence, current and H/He ration) and annealing protocol. A window behavior as function of the implanted fluence was observed and two distinct fluence dependents mechanisms of exfoliation were indentified and discussed. The microstructure of the implanted samples was studied using TEM and related to ballistic effects and stress-strain dependent interactions. The strain was measured using DRX and a model to describe the stress-strain distribution into the implanted layer is developed. A new phenomenon of delamination of thin layer from implanted Si substrates was observed to emerge from particular implantation conditions. The behavior was studied and explained using fracture mechanics concepts and contrasted to blistering/exfoliation processes. Finally, the elastic interaction between He and H plate-like precipitates giving rise to arranged nanostructure was demonstrated and studied using TEM. An elasticity based model was developed to understand the behavior. The result set the basis for further developments of nanostructures within a crystalline matrix by manipulating preferential orientations of precipitates in nanometric scale.

Ce travail porte sur l’étude des phénomènes induits par implantation d’hydrogène et/ou d’hélium dans le silicium monocristallin. Le cloquage et l’exfoliation dus à la coimplantation d’hélium et d’hydrogène ont été étudiés en fonction des paramètres d’implantation (énergie, fluence, courant, rapport H/He) et des conditions de recuit. Un comportement de type fenêtre à été observé dont le maximum de surface exfoliée dépend uniquement de la fluence. Deux mécanismes d’exfoliation liés aux régimes de fluence ont été identifiés et discutés. D’autre part, la microstructure des échantillons a été étudié par MET, et les déformations ont été mesurées par diffraction des Rayons X. Un modèle décrivant la distribution des contraintes dans le substrat implanté a été proposé. Le phénomène de delamination des substrats qui apparaît pour des conditions particulières d’implantation a également été étudié, comparé aux phénomènes de cloquage et exfoliation, et expliqué en utilisant des concepts de la mécanique de la fracture. Enfin, l’interaction élastique entre précipités d’He et d’H a été étudiée pour des profils d’implantation superposés et décalés. Dans ce dernier cas, nous avons montré que le champ de contraintes générées par les plaquettes d’hélium en surpression pouvait être utilisé comme source locale de contraintes pour contrôler la formation et la croissance de plaquettes d’hydrogène. Afin d’interpréter nos résultats expérimentaux, nous avons développé un modèle basé sur l’interaction élastique pour la nucléation des précipités dans un solide semi-infini.