ラスタチェンジ技術を用いた炭化ケイ素中の窒素のSIMS分析

白書

抽象

今日の最先端の 炭化ケイ素(SiC) 成長は、5×10前後のバックグラウンドドーピングを有する半絶縁性結晶を生成することができる。15 原子/ cm3 以下 低レベルの窒素濃度を測定するために十分に低い検出限界を有する正確な測定技術を有することが不可欠である。 低E15原子/ cmの現在のSIMS検出限界3 5E16 at / cmの窒素ドーピングレベルの正確な決定を提供します3 以上。 より低い窒素濃度を決定するために、より良好な検出限界を提供し、そしてバックグラウンド窒素の寄与を適切に分離することが必要である。 プロファイル中に一次ビームのラスターサイズを変更することで、サンプルの同じ場所で二次イオン強度とマトリックスイオン強度を分析できるため、「ラスター交換」法は、シグナルへのバックグラウンド窒素の寄与を決定および除去する正確な方法を提供します。 。 本研究では、(a)SiCエピ層の下に位置するSiC基板中のN、および(b)3E14 / cmという低いNの検出にラスタ変更法を適用することに成功した。3 バルクドープSiC基板。

はじめに

深さプロファイリングモードの下でさまざまな要素のための高い検出感度のそのユニークな能力のために、 二次イオン質量分析法(SIMS) に不可欠なツールです 特性評価の SiC材料中のドーパントと不純物の拡散

SiC中の浅いドナーである窒素は、全てのSiCウェハおよびエピ層中に微量不純物として存在する。 設計およびその動作に応じて、SiC成長システムはかなりの量の窒素を含有する可能性があり、それは成長材料中に変動する窒素残留ドーピングをもたらすであろう。 半絶縁ウエハおよび低ドープエピ層の再現可能な成長のためには、低く制御された窒素バックグラウンドが必要である。 これらの結晶中の窒素のSIMSフィードバックは、補償機構およびプロセス条件の理解を提供することができる。

長年、SIMSはE17からE19 atoms / cmのレベルで窒素濃度を決定するために日常的に使用されてきました3 精度良く。 今日の最先端のSiC成長は、5×10前後のバックグラウンドドーピングで半絶縁性結晶を生成することができます。15 原子/ cm3 以下 低レベルの窒素濃度を測定するためには、SIMSに精度が高いことが必要です。

アップグレードされたSIMS装置(改良された真空およびより良い一次ビーム強度)および改良された分析プロトコルにより、2-5E15原子/ cmのN検出限界を達成することができます。3 優れた深度分解能を維持しながら、定期的に。 これらの検出限界は非常に優れていますが、低レベル(<5e15原子/ cm)を正確に測定するための日常的な方法を提供するには不十分です。3)炭化ケイ素中の窒素濃度。 これらのバックグラウンドレベルでの単純なバックグラウンド除去(2-5E15 atoms / cm3)大きな未定義のエラーが発生する可能性があります。 非常に低い窒素バックグラウンド(6 - 8E14原子/ cm3)は達成可能ですが、非常に時間がかかり、常に保証することはできません。

低窒素濃度を適切な精度で決定するには、[1](a)より優れた信号対雑音比が必要です。 (b)バックグラウンドの寄与は時間とともに変化する可能性があり、SIMSサンプルホルダー内の場所ごとに変化する可能性があるため、測定信号からバックグラウンドの寄与を差し引く適切な方法。 これらの問題を解決するために、SIMSの「ラスター交換」技術を低レベルの窒素濃度(<5e15原子/ cm)の炭化ケイ素サンプルに適用しました。3)試料中の窒素濃度を測定し、結果の精度を検証するために。 プロファイル中に一次ビームのラスターサイズを変更することで、サンプルの同じ場所で二次イオン強度とマトリックスイオン強度を分析できるため、「ラスター交換」方法は、シグナルへのバックグラウンド窒素の寄与を決定および除去する正確な方法を提供します。 。 この技術の不利な点は、均一にドープされたサンプルまたは濃度が均一な深さの領域でしか使用できないことです。

実験

実験は、酸素および/またはCs一次ビーム源を備えたCAMECA IMS − XNUMXf二重集束磁気セクター機器を用いて行った。 試料は集束Csによりスパッタリングされた。+ 一次イオンビーム。正方形の領域にラスターされます。 解析に使用したビーム電流は200〜300nAです。 スパッタリングプロセス中に形成された二次イオンは、– 4500 Vのサンプル電圧によってサンプル表面から離れる方向に加速されます。二次イオンは、静電アナライザーによってエネルギー分離され、磁気質量アナライザーによって質量/電荷比に基づいて質量分離されました。 アナライザーを通過した後、ファラデーカップ(マトリックスイオン)または電子増倍管(窒素イオン)のいずれかを使用してイオンを検出します。

サンプルは、非常に低いNドープバルクSiCと、NドープバルクSiC上に成長したNドープSiCエピの両方を含んでいた。

結果と考察

この実験では、窒素濃度を窒素から決定した(N +13 C) - およびマトリックス(Si) - XNUMXμm×XNUMXμmラスタおよびXNUMXμm×XNUMXμmラスタにおける二次イオン強度(図XNUMX)。 SiC試料中の窒素濃度[N]と装置背景からの窒素の寄与[N]B]は、式(19)を用いて計算することができる。 1と式 2 [2]:

[N] = RSF×(IN1-IN2)/(私M1-IM2)(1)

[NB1] = RSF×(IN1/IM1)– [N](2)

RSFは、窒素濃度の較正に使用されるSiCの窒素注入標準から決定される相対感度係数です。 私N1-IN2 2つの異なるラスタのもとでの窒素二次イオン強度M1-IM2 これら二つの異なるラスタの下で対応するマトリックス二次イオン強度である。

3回の測定から決定された平均窒素濃度は3.5E15 atoms / cmです。3 精度は±9%(1相対標準偏差)です。 結果は、ラスター交換技術を使用して、比較的高い窒素バックグラウンドレベルでも、低レベルの窒素を良好な精度で測定できることを実証した。

図1 Nプロファイルを示すラスターチェンジ。 示されたNは、XNUMXμm×XNUMXμmラスタで定量化されている。

図1 Nプロファイルを示すラスター変更。 示されているNは、XNUMXμm×XNUMXμmラスタで定量化されている。

我々はまた、その上に窒素ドープ層を有する低窒素濃度領域のSiCエピサンプルにラスターチェンジ技術を適用した(図2)。 この層中には、正味窒素濃度XNUMXEXNUMX原子/ cm 2で窒素が検出された。3。 通常のラスタ領域に対するスパッタリング速度は注入標準から決定され、縮小されたラスタ領域におけるスパッタリング速度はマトリックス電流比から導き出された。

図2 Nドープエピ層後のラスター変化。 示されたNは通常のラスタで定量化されている。

図2 Nドープエピ層後のラスタ変化 示されたNは通常のラスタで定量化されている。

最後に、我々はラスタチェンジ技術をSiC中の非常に低レベルのバルクNに適用した(図3)。 ここで検出されたNは3E14 atoms / cmです。3.

図3超低NドープSiCに適用されるラスターチェンジ。

図3 非常に低いNをドープしたSiCに適用したラスタ変化

概要

SiC中の非常に低レベルのNのSIMS測定は、ラスタ交換技術を用いてうまく達成された。 この方法はバルクSiC、エピSiC、およびXNUMXEXNUMX原子/ cmという低いNレベルまでに適用することができる。3.

了承

この研究で使用したサンプルを提供してくれたスウェーデンのOkmetic ABに感謝します。

参考文献

[XNUMX] RS Hockettら、High Purity Silicon VI、Electrochemical Society、PV XNUMX − XNUMX、XNUMX、p。 1

[2] A.石谷他、VLSIのための材料とプロセスの特性評価に関する国際会議の議事録(ICMPC'88)、1988、p。7。 124

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