Analyse SIMS de l'azote dans le carbure de silicium en utilisant une technique de changement de trame

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RÉSUMÉ

Etat de l'art actuel carbure de silicium (SiC) la croissance peut produire des cristaux semi-isolants avec un fond dopant autour de 5 × 1015 atomes / cm3 ou plus bas. Il est essentiel de disposer d'une technique de mesure précise avec une limite de détection suffisamment basse pour mesurer une concentration en azote faible. Limite de détection actuelle SIMS de faibles atomes E15 / cm3 fournira une détermination précise du niveau de dopage à l’azote de 5E16 à / cm3 ou plus. Afin de déterminer la plus faible concentration en azote, il est nécessaire de fournir une meilleure limite de détection et de séparer correctement la contribution de l'azote de fond. La méthode de «changement de trame» fournit un moyen précis de déterminer et de supprimer la contribution de l'azote de fond au signal, car les intensités en ions secondaires et les intensités en ions matrices peuvent être analysées au même endroit de l'échantillon en modifiant la taille de la trame du faisceau primaire au cours d'un profil. . Dans cette étude, nous avons réussi à appliquer la méthode de changement de grille à (a) N dans le substrat de SiC situé sous une couche épi de SiC et (b) à la détection de N aussi bas que 3E14 / cm3 un substrat de SiC dopé en masse.

INTRODUCTION

Grâce à ses capacités uniques de haute sensibilité de détection pour une variété d’éléments en mode de profilage en profondeur, Spectrométrie de masse ionique secondaire (SIMS) est un outil essentiel pour caractérisation des dopants et des impuretés dans le matériau SiC.

L'azote, qui est un donneur peu profond dans le SiC, est présent en tant que trace d'impureté dans toutes les tranches et couches épaisses de SiC. Selon la conception et son fonctionnement, un système de croissance de SiC peut contenir des quantités importantes d’azote, ce qui entraînera un dopage résiduel fluctuant de l’azote dans le matériau développé. Un fond d'azote faible et contrôlé est nécessaire à la croissance reproductible de plaquettes semi-isolantes et d'épi-couches faiblement dopées. La rétroaction SIMS de l'azote dans ces cristaux peut permettre de comprendre le mécanisme de compensation et les conditions du processus.

Depuis de nombreuses années, le SIMS est couramment utilisé pour déterminer la concentration en azote à un niveau équivalent d’E17 à E19 atomes / cm.3 avec une bonne précision. La croissance actuelle du SiC à la pointe de la technologie peut produire des cristaux semi-isolants avec un fond dopant autour de 5 × 1015 atomes / cm3 ou plus bas. SIMS doit disposer d’une meilleure précision pour mesurer les faibles concentrations d’azote.

Avec l'instrumentation SIMS améliorée (vide amélioré et meilleure intensité du faisceau primaire) et protocole d'analyse amélioré, nous pouvons désormais atteindre la limite de détection de N atomes 2-5E15 / cm3 régulièrement tout en conservant une excellente résolution en profondeur. Bien que ces limites de détection soient très bonnes, elles ne sont pas suffisantes pour fournir un moyen de routine pour une mesure précise du niveau bas (<5e15 atomes / cm3) concentration d'azote dans le carbure de silicium. Une suppression simple du fond à ces niveaux de fond (2-5E15 atomes / cm3) peut introduire des erreurs volumineuses et non définies. Un fond d'azote extrêmement faible (6- 8E14 atomes / cm3) est réalisable, mais prend beaucoup de temps et ne peut pas être garanti à tout moment.

Pour déterminer de faibles concentrations d'azote avec une précision adéquate, il faut [1] (a) un meilleur rapport signal / bruit; (b) une manière appropriée de soustraire la contribution de fond du signal mesuré, car la contribution de fond peut changer avec le temps et peut également varier d'un emplacement à l'autre dans un support d'échantillon SIMS. Pour résoudre ces problèmes, nous avons appliqué la technique de «changement de trame» SIMS à un échantillon de carbure de silicium à faible concentration d'azote (<5e15 atomes / cm3) afin de déterminer la concentration en azote dans l'échantillon et de vérifier la précision du résultat. La méthode de «changement de grille» fournit un moyen précis de déterminer et de supprimer la contribution de l'azote de fond au signal, car les intensités en ions secondaires et les intensités en matrice peuvent être analysées au même emplacement de l'échantillon en modifiant la taille de la trame du faisceau primaire au cours d'un profil [2]. . L'inconvénient de cette technique est qu'elle ne peut être utilisée que sur des échantillons uniformément dopés ou dans les régions de profondeur où la concentration est uniforme.

EXPERIMENTAL

Les expériences ont été réalisées avec des instruments à secteur magnétique à double focalisation CAMECA IMS-4f équipés de sources de faisceaux primaires d'oxygène et / ou de Cs. Les échantillons ont été pulvérisés par un Cs concentré+ faisceau d'ions primaire, tramé sur une zone carrée. Le courant de faisceau utilisé dans l'analyse est de 200 à 300 nA. Les ions secondaires formés au cours du processus de pulvérisation sont accélérés loin de la surface de l'échantillon par une tension d'échantillon de -4500 V. Après avoir traversé les analyseurs, les ions sont détectés à l'aide d'une cupule de Faraday (ions Matrix) ou d'un multiplicateur d'électrons (ions azote).

Les échantillons incluaient à la fois du SiC en masse très faiblement dopé et du SiC épi de SiC développé sur du SiC en masse dopé au N.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Dans cette expérience, la concentration en azote a été déterminée à partir d’azote (N +13 C) - et matrice (Si) - intensité des ions secondaires à 125 µm x Raster 125 µm et 50 µm x Raster 50 µm (Fig. 1). La concentration en azote [N] dans l’échantillon de SiC et la contribution de l’azote du fond de l’instrument [NB] peut être calculé en utilisant Eq. 1 et Eq. 2 [2]:

[N] = RSF × (IN1-IN2)/(JEM1-IM2) (1)

[NB1] = RSF × (IN1/IM1) - [N] (2)

Où RSF est le facteur de sensibilité relative déterminé à partir de la norme d'implant à l'azote en SiC utilisé pour l'étalonnage de la concentration en azote; jeN1-IN2 sont les intensités des ions secondaires d'azote sous deux rasters différents, et jeM1-IM2 sont les intensités correspondantes des ions secondaires de la matrice sous ces deux trames différentes.

La concentration moyenne en azote déterminée à partir de trois mesures est 3.5E15 atomes / cm3 avec une précision de ± 9% (écart type relatif 1). Les résultats ont montré que la faible teneur en azote peut être mesurée avec une bonne précision, même à un niveau de fond d'azote relativement élevé, en utilisant une technique de changement de trame.

Figure 1 Changement de raster affichant le profil N. Le N indiqué est quantifié dans le raster 50 µm x 50 µm.

Figure 1 Changement de raster montrant le profil N. Le N indiqué est quantifié dans le raster 50 µm x 50 µm.

Nous avons également appliqué la technique de changement de trame à un échantillon d'épi de SiC dans la région à faible concentration en azote sur laquelle se trouvent des couches dopées à l'azote (figure 2). L'azote a été détecté dans cette couche avec une concentration nette en azote d'atomes de 1.9E15 / cm3. Le taux de pulvérisation pour la région raster normale a été déterminé à partir de la norme d'implant, et le taux de pulvérisation pour la région raster réduite a été dérivé du rapport de courant de la matrice.

Figure 2 Changement de raster après couche épi dopée au N. Le N indiqué est quantifié à un raster normal.

Figure 2 Changement de trame après couche épi dopée au N Le N indiqué est quantifié à un raster normal.

Enfin, nous avons appliqué la technique de changement de trame à un très faible niveau de N en vrac dans SiC (Fig. 3). Ici, le N détecté est 3E14 atomes / cm3.

Figure 3 Modification de raster appliquée à du SiC très faiblement dopé.

Figure 3 Changement de trame appliqué au SiC très faiblement dopé.

RÉSUMÉ

La mesure SIMS de très faibles niveaux de N dans SiC a été réalisée avec succès en utilisant la technique de changement de trame. Cette méthode peut être appliquée au SiC en masse, à l'épi SiC et à des niveaux d'azote aussi bas que 3E14 atomes / cm3.

RECONNAISSANCE

Nous remercions Okmetic AB, Suède, pour les échantillons utilisés dans cette étude.

Références

[1] RS Hockett et coll., Dans Silicium VI haute pureté, Electrochemical Society PV 2000-17, 2000, p. 584.

[2] A. Ishitani, et al., Dans Actes de la Conférence internationale sur la caractérisation des matériaux et des procédés pour VLSI (ICMPC'88), 1988, p. 124.

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