Profil de profondeur du levé par spectrométrie de masse ionique secondaire

NOTE D'APPLICATION

INTRODUCTION

Spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) est un outil analytique puissant pour l'analyse approfondie des couches minces. Ce qui distingue SIMS des autres techniques d'analyse de surface, c'est sa sensibilité extrêmement élevée (niveaux de ppb pour la plupart des éléments). Cependant, jusqu'à présent, cela a eu un prix. Vous devez savoir quels dopants ou impuretés se trouvaient dans la structure de l'échantillon avant de pouvoir commencer l'analyse. Cela est dû à la nature de l'acquisition de données de profilage de profondeur avec un outil de profilage de profondeur SIMS «traditionnel» où les éléments choisis sont surveillés séquentiellement lorsque la surface est pulvérisée avec le faisceau d'ions primaire. C'est le cas des spectromètres de masse à secteurs magnétiques et quadripolaires. Pendant que les éléments choisis sont surveillés, tous les autres éléments ne sont pas détectés. Il appartient donc à l'analyste d'avoir une connaissance approfondie des éventuels éléments d'intérêt afin qu'ils puissent être suivis dans l'analyse. Cependant, cela n'est souvent pas possible. Un enquêteur présentera un échantillon à l'analyste SIIMS disant: «Mon matériel ne fonctionne pas. Pourquoi? Qu'y a-t-il dedans? sans donner à l'analyste des éléments suspects à analyser. Souvent, un analyste expérimenté peut s'appuyer sur ses connaissances accumulées pour choisir les éléments qui pourraient être responsables de l'échec du matériau, mais cela ne garantit pas qu'il ou elle a choisi correctement. Les éléments responsables de l'échec peuvent ne pas être détectés.

DES PRINCIPES

Un outil SIMS basé sur le temps de vol évite ce besoin de savoir le contenu d'un échantillon avant de commencer l'analyse. Dans un instrument à temps de vol, la surface est sondée avec un flux ionique primaire extrêmement faible et pulsé afin de générer le signal ionique secondaire. La surface est pratiquement «non pulvérisée» lors de l’acquisition des données. Pour chaque impulsion d'ions primaires, un spectre de masse complet est acquis, détectant tous les éléments présents dans l'échantillon. Une fois que suffisamment de signaux sont accumulés dans ce mode pratiquement sans pulvérisation cathodique, un autre faisceau ionique est utilisé pour extraire par pulvérisation la matière afin d’exposer une nouvelle profondeur à détecter par les impulsions des ions primaires. Cette méthode d’acquisition d’un profil de profondeur est appelée «profil de profondeur d’enquête» car elle fournit une analyse d’enquête complète de l’échantillon à chaque intervalle de profondeur. Il n'est pas nécessaire de savoir ce qu'il y a dans l'échantillon avant de l'analyser car chaque élément est détecté à chaque intervalle de profondeur. De plus, le découplage de l'élimination de la pulvérisation par pulvérisation cathodique de la génération d'ions secondaires présente de grands avantages pour l'analyse d'échantillons multicouches où les impuretés aux interfaces pourraient être particulièrement importantes. Tous les éléments présents à l'interface sont détectés, et le retrait de la surface par pulvérisation peut être stoppé à l'interface et davantage de données accumulées pour obtenir une meilleure limite de détection. Avec les outils de profil de profondeur SIMS «traditionnels» où la pulvérisation cathodique est continue à travers une interface, lors de la détection d’une impureté sur une interface, un autre élément d’intérêt présent peut être oublié car au moment où le spectromètre de masse est réglé sur la pulvérisation peut avoir traversé l'interface où cet élément aurait pu se trouver. De cette façon, un résultat faux négatif peut être signalé. Cela ne peut pas se produire dans un profil de profondeur Survey-SIMS.

EXEMPLES

Les figures 1 et 2 montrent les profils de profondeur Survey-SIMS d'une structure en couches minces de SiO2/ Si poly-cristallin sur un substrat de Si cristallin.Les données ont été acquises dans deux analyses distinctes; une des espèces électronégatives (fig. 1); et une des espèces électropositives (Fig. 2). Pour atteindre les limites de détection optimales, ces deux groupes d'éléments doivent être mesurés séparément.

Sur la figure 1, le profil de l’oxygène (tracé en intensité par rapport à l’axe des ordonnées à droite) montre la présence du SiO2 couche sur le dessus de la structure. Cependant, en outre, le profil d'oxygène montre une contamination par l'oxyde à l'interface poly-Si / cristallin-Si et au milieu de la couche de poly-Si. Ceci indique un processus de dépôt en deux étapes pour le poly-Si. Le profil de l'arsenic (tracé en atomes / cc par rapport à l'axe y gauche) montre que ce dopage As in-situ s'est également accumulé aux deux mêmes interfaces ainsi qu'au SiO2/ interface poly-Si. Il existe également des preuves que certains As ont diffusé hors de la couche de poly-Si fortement dopée dans le substrat de Si sous-jacent.

Le fluor et le carbone sont également détectés par ces trois interfaces. La légende pour la fig. 1 répertorie les limites de détection des éléments électro négatifs que l’on trouve couramment dans ce type de système de matériaux.

Profils de profondeur Survey-SIMS d’éléments électronégatifs dans une structure de couches minces de SiO2 / Si polycristallin sur un substrat de Si cristallin.

Figure 1 Profils de profondeur Survey-SIMS d'éléments électronégatifs dans une structure de couches minces de SiO2/ Si polycristallin sur un substrat de Si cristallin.

Limites de détection des éléments électronégatifs par profilage en profondeur Survey-SIMS.

Tableau 1 Limites de détection des éléments électronégatifs par profilage en profondeur Survey-SIMS.

La figure 2 montre des profils d'éléments électropositifs acquis sur la même structure. Les contaminants au lithium, Na, K et Al sont détectés aux mêmes interfaces où F a été détecté dans la Fig.1. couches de périphériques actives. L'Al présent à ces interfaces pourrait indiquer une contamination par les couches de métallisation d'Al déposées en ces points dans le flux de processus. La contamination alcaline pourrait provenir de la réserve utilisée pour modeler le dispositif à ces points du traitement.

Profils de profondeur Survey-SIMS d'éléments électropositifs dans une structure de couche mince en SiO2 / Si polycristallin sur un substrat de Si cristallin.

Figure 2 Profils de profondeur Survey-SIMS d'éléments électropositifs dans une structure de couche mince en SiO2 / Si polycristallin sur un substrat de Si cristallin.

Limites de détection des éléments électropositifs par profilage en profondeur Survey-SIMS

Tableau 2 Limites de détection des éléments électropositifs par profilage en profondeur Survey-SIMS.

Le bore est également détecté dans la structure. Le taux de B dans le poly-Si est important car, bien que plus faible en concentration que l'As, le B contre-dopera néanmoins l'As qui est du type dopant opposé, réduisant ainsi le dopage net de type n de l'As. La diffusion de bore dans le substrat de Si affectera également le dopage électrique net dans le substrat sous le poly-Si où à la fois As et B sont présents.

Tous les autres éléments électropositifs qui ont été quantifiés n'étaient pas présents. Leurs limites de détection sont répertoriées dans les légendes des figures.

RÉSUMÉ

Les profils de profondeur Survey-SIMS fournissent un moyen d'analyser les dopants et les impuretés dans un matériau sans connaître au préalable leur présence dans la structure évaluée. En analysant les éléments électronégatifs et électropositifs (en deux analyses distinctes), on peut détecter tous les éléments du tableau périodique avec une excellente résolution en profondeur et une sensibilité élevée. Une fois les éléments d'intérêt identifiés, on peut souhaiter profiler ceux-ci avec un outil de profilage de profondeur SIMS «traditionnel» à secteur magnétique ou quadripolaire pour obtenir des limites de détection encore meilleures, notamment pour les contaminants atmosphériques.

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