二次イオン質量分析法調査深さプロファイル

アプリケーションノート

はじめに

二次イオン質量分析法(SIMS) は、薄膜の詳細な分析のための強力な分析ツールです。 SIMSを他の表面分析技術と一線を画すのは、その非常に高い感度(ほとんどの元素のppbレベル)です。 しかし、これまで、これには代償が伴いました。 分析を開始する前に、サンプル構造にどのドーパントまたは不純物が含まれているかを知る必要がありました。 これは、「従来の」SIMS深度プロファイリングツールを使用して深度プロファイリングデータを取得する性質のために発生しました。このツールでは、表面が一次イオンビームでスパッタリングされるときに、選択した要素が順次監視されます。 これは、磁気セクターベースおよび四重極ベースの質量分析計の場合です。 選択した要素が監視されている間、他のすべての要素は検出されません。 したがって、分析で監視できるように、関心のある可能性のある要素を完全に理解することは分析者の責任です。 ただし、多くの場合、これは不可能です。 調査員は、SIIMSアナリストに次のようにサンプルを提示します。「私の資料は機能しません。 どうして? 何が入ってるの?" 分析対象の疑わしい要素を分析者に提供することなく。 多くの場合、経験豊富なアナリストは、蓄積された知識に基づいて、材料の破損の原因となる可能性のある要素を選択できますが、これは、彼または彼女が正しく選択したことを保証するものではありません。 障害の原因となる要素が検出されない可能性があります。

原則

飛行時間ベースのSIMSツールは、分析を開始する前に、サンプルに含まれているものを知るためにこの必要性を回避します。 飛行時間型計器では、表面はパルス化された極めて低い一次イオン流束で探査されて二次イオン信号を発生する。 データ収集中、表面は事実上「スパッタされていません」。 一次イオンの各パルスについて、試料中に存在する全ての元素を検出する完全な質量スペクトルが得られる。 この実質的に非スパッタリングモードで十分な信号が蓄積されると、別のイオンビームを使用して材料をスパッタ除去し、一次イオンのパルスによって探査されるべき新たな深さを露出させる。 深さプロファイルを取得するこの方法は、あらゆる深さ間隔でサンプルの完全な調査分析を提供するので、「調査深さプロファイル」と呼ばれます。 分析する前にサンプルに何が含まれているのかを知る必要はありません。すべての要素がすべての深度間隔で検出されるためです。 さらに、材料のスパッタ除去を二次イオン発生から切り離すことは、界面の不純物が特に重要であり得る多層サンプルを分析するときに大きな利点をもたらす。 界面に存在する全ての元素が検出され、表面のスパッタ除去を界面で停止させ、より良い検出限界を得るためにより多くのデータを蓄積することができる。 スパッタリングが界面で連続的に行われる「従来の」SIMS深さプロファイリングツールでは、界面で1つの不純物を検出するとき、質量分析計がそれに合わせられるまでに、存在する別の関心要素が見逃される可能性があります。スパッタリングは、その元素が存在していた可能性がある界面を通過した可能性がある。 そのようにして、偽陰性結果が報告されることがある。 これはSurvey-SIMS深度プロファイルでは起こり得ません。

図1および2は、SiOの薄膜層構造のサーベイSIMS深さプロファイルを示す。2データは、2つの別々の分析で得られた。 電気陰性種の一つ(図1)。 そして陽性種の一つである(図2)。 最適な検出限界を達成するためには、これら二つの元素群を別々に測定しなければならない。

図XNUMXにおいて、酸素プロファイル(右側のy軸に対して強度でプロットされている)は、SiO 2の存在を示す。2 構造の上の層。 ただし、さらに、酸素プロファイルは、ポリシリコン/結晶シリコン界面およびポリシリコン層の中央で酸化物汚染を示しています。 これは、ポリシリコンのXNUMX段階の堆積プロセスを示しています。 ヒ素プロファイル(左のy軸に対して原子/ ccでプロット)は、このin-situAsドーピングが同じXNUMXつの界面とSiOにも蓄積したことを示しています。2/ poly-Si界面 また、Asの一部が高濃度にドープされたpoly-Si層から下地のSi基板に拡散したという証拠もあります。

フッ素と炭素もこれら3つの界面すべてから検出されます。 図のキャプション 1は、この種の材料系で一般的に見られる電気陰性元素の検出限界をリストしています。

結晶Si基板上のSiO2 /多結晶Siの薄膜層構造における電気陰性元素のサーベイSIMS深さプロファイル

図1 SiOの薄膜層構造中の電気陰性元素のサーベイSIMS深さプロファイル2結晶Si基板上のポリ/多結晶Si。

Survey ‐ SIMS深さプロファイリングによる電気陰性元素の検出限界

テーブル1 Survey ‐ SIMS深さプロファイリングによる電気陰性元素の検出限界

図2は、同じ構造で取得された陽性元素のプロファイルを示しています。 リチウム、Na、K、およびAlの汚染物質は、図1でFが検出されたのと同じインターフェイスで検出されます。アルカリ元素の汚染は、デバイスのパフォーマンスに特に悪影響を及ぼし、これらの移動種がデバイスに侵入すると、デバイスのCVシフトにつながる可能性があります。アクティブなデバイス層。 これらの界面に存在するAlは、プロセスフローのこれらのポイントに堆積したAlメタライゼーション層からの汚染を示している可能性があります。 アルカリ汚染は、処理のこれらのポイントでデバイスをパターン化するために使用されるレジストから発生する可能性があります。

結晶Si基板上のSiO2 /多結晶Siの薄膜層構造中の陽性元素のサーベイ‐SIMS深さプロファイル

図2 結晶Si基板上のSiO2 /多結晶Siの薄膜層構造中の陽性元素のサーベイ‐SIMS深さプロファイル

Survey-SIMS深さプロファイリングによる陽性元素の検出限界

テーブル2 Survey ‐ SIMS深さプロファイリングによる陽性元素の検出限界

ホウ素も構造内で検出されます。 ポリシリコンのBレベルは重要である。なぜなら、Asよりも濃度は低いが、それにもかかわらず、Bは、反対のドーパントタイプであるAsを逆ドープし、したがって、Asの正味のn型ドーピングを減らすからである。 Si基板へのホウ素の拡散は、AsとBの両方が存在するポリシリコン下の基板の正味の電気的ドーピングにも影響を与えます。

定量化された他のすべての電気陽性元素は存在しませんでした。 それらの検出限界は、図のキャプションに記載されています。

概要

調査-SIMS深度プロファイルは、評価対象の構造に存在することを事前に知らなくても、材料中のドーパントと不純物を分析する方法を提供します。 電気陰性元素と電気陽性元素の両方を分析することにより(XNUMXつの別々の分析で)、優れた深度分解能と高感度で周期表のすべての元素を検出できます。 関心のある要素が特定されたら、「従来の」磁気セクターまたは四重極SIMS深度プロファイリングツールを使用してこれらのプロファイルを作成し、特に大気汚染物質の検出限界をさらに向上させることができます。

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