用光栅变换技术分析碳化硅中氮的SIMS分析

白皮书

摘要

今天的最新技术 碳化硅(SiC) 生长可以产生半绝缘晶体,背景掺杂在5×10附近15 原子/ cm3 或更低。 必须有一个精确的测量技术,检测限低,以测量低浓度氮浓度。 当前SIMS检测极限为低E15原子/ cm3 将提供准确测定5E16的氮掺杂水平/ cm3 或更高。 为了确定较低的氮浓度,有必要提供更好的检测限并适当地分离背景氮的贡献。 “光栅变换”方法提供了一种准确的方法来确定和消除背景氮对信号的贡献,因为可以通过在轮廓期间改变主光束光栅尺寸在样品的相同位置分析二次离子强度和基质离子强度。 在这项研究中,我们成功地将光栅变换方法应用于(a)位于SiC外延层下的SiC衬底中的N,以及(b)检测到低至3E14 / cm的N.3 体掺杂SiC衬底。

引言

由于其在深度剖析模式下对各种元素具有高检测灵敏度的独特功能, 二次离子质谱(SIMS) 是一个必不可少的工具 描述 SiC材料中的掺杂剂和杂质

氮是SiC中的浅供体,在所有SiC晶片和外延层中作为痕量杂质存在。 根据设计和操作,SiC生长系统可能含有大量的氮,这将导致生长材料中的氮残留掺杂波动。 对于半绝缘晶片和低掺杂外延层的可再现生长,需要低且受控的氮背景。 这些晶体中的氮的SIMS反馈可以提供对补偿机制和工艺条件的理解。

多年来,SIMS一直用于测定E17至E19原子/ cm水平的氮浓度3 精度很高。 今天最先进的SiC生长可以产生半绝缘晶体,背景掺杂在5×10附近15 原子/ cm3 或更低。 它要求SIMS具有更好的精度来测量低浓度氮浓度。

通过升级的SIMS仪器(改进的真空和更好的主光束强度)和改进的分析协议,我们现在可以实现2-5E15原子的N检测限/ cm3 通常,同时保持出色的深度分辨率。 尽管这些检测限非常好,但不足以提供常规方法来精确测量低电平(<5e15原子/ cm3)碳化硅中的氮浓度。 在这些背景水平下的简单背景去除(2-5E15原子/ cm3)可以引入大的和未定义的错误。 氮气背景极低(6-8E14原子/ cm3)是可以实现的,但是非常耗时,并且不能一直保证。

为了以足够的精度确定低氮浓度,需要[1](a)更好的信噪比; (b)从测量信号中减去背景贡献的正确方法,因为背景贡献可能随时间变化,并且在SIMS样品架中的位置也可能不同。 为了解决这些问题,我们将SIMS“光栅改变”技术应用于低氮浓度(<5e15原子/厘米)的碳化硅样品3)以确定样品中的氮浓度并验证结果的精确度。 “光栅变化”方法提供了一种准确的方法来确定和消除背景氮对信号的贡献,因为可以通过在轮廓期间改变主光束光栅尺寸在样品的相同位置分析二次离子强度和基质离子强度[2] 。 该技术的缺点在于它只能用于均匀掺杂的样品或浓度均匀的深度区域。

实验

使用配备有氧气和/或Cs主光束源的CAMECA IMS-4f双聚焦磁性扇形仪器进行实验。 通过聚焦的Cs溅射样品+ 初级离子束,在一个正方形区域上光栅化。 分析中使用的电子束电流为200至300 nA。 在溅射过程中形成的次级离子被– 4500 V的样品电压加速离开样品表面。次级离子通过静电分析仪进行能量分离,并通过电磁质量分析仪根据其质荷比进行质量分离。 通过分析仪后,可使用法拉第杯(基质离子)或电子倍增器(氮离子)检测离子。

样品包括在N掺杂的块状SiC上生长的非常低的N掺杂块状SiC和N掺杂的SiC外延。

结果与讨论

在该实验中,氮浓度由氮(N +13 C) - 和矩阵(Si) - 125μm×125μm光栅和50μm×50μm光栅的二次离子强度(图1)。 SiC样品中的氮浓度[N]和仪器背景中氮的贡献[N.B]可以使用Eq计算。 1和Eq。 2 [2]:

[N] = RSF×(IN1-IN2)/(一世M1-IM2)(1)

[NB1] = RSF×(我N1/IM1)– [N](2)

其中RSF是相对灵敏度因子,由用于氮浓度校准的SiC中的氮注入标准确定; 一世N1-IN2 是两种不同光栅下的氮二次离子强度,IM1-IM2 在这两种不同的光栅下是相应的矩阵二次离子强度。

由三次测量确定的平均氮浓度是3.5E15原子/ cm3 精度为±9%(1相对标准偏差)。 结果表明,使用光栅变换技术,即使在相对较高的氮背景水平下,也能够以良好的精度测量低水平的氮。

图1光栅更改显示N个配置文件。 所示的N在50μm×50μm光栅处量化。

图1 光栅变化显示N轮廓。 所示的N在50μm×50μm光栅处量化。

我们还将光栅变化技术应用于低氮浓度区域的SiC外延样品,其上面有氮掺杂层(图2)。 在该层中检测到氮,净氮浓度为1.9E15原子/ cm3。 正常光栅区域的溅射速率由注入标准确定,并且在减小的光栅区域的溅射速率由基质电流比导出。

图NN掺杂外延层后的2光栅变化。 显示的N在正常光栅下量化。

图2 N掺杂外延层后的栅格变化。 显示的N在正常光栅下量化。

最后,我们将光栅变化技术应用于SiC中非常低的体积N(图3)。 这里检测到的N是3E14原子/ cm3.

图3光栅变化适用于非常低的N掺杂SiC。

图3 光栅变化适用于非常低的N掺杂SiC。

概要

使用光栅变换技术成功地实现了SiC中非常低水平的N的SIMS测量。 该方法可应用于块状SiC,epi SiC,以及低至3E14原子/ cm的N水平3.

致谢

我们要感谢瑞典的Okmetic AB提供本研究中使用的样品。

参考文献:

[1] RS Hockett等,High Purity Silicon VI,Electrochemical Society PV 2000-17,2000,p。 584。

[2] A.Ishitani等,在国际材料与过程表征会议论文集(ICMPC'88),1988,p。 124。

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