SiO2 钝化膜中钠离子的二次离子质谱分析
1.1 仪器 法国CAMECA 公司的IMS-4fE/7 型二次离子质谱仪, 配备双等离子源和铯离子源, 中和电子枪。
1.2 样品 样品结构:SiO 采用CVD方法在抛光硅晶片 上生长的二氧化硅薄膜, 厚度在1000 埃至5000 埃之间, 样品处理: 为避免表面沾污对于测试结果的影响, 用去离子水对样品清洗,在105烘烤1h 以上。并在样品 表面溅射生长0.5nm 左右的金, 以增加样品的导电性。
1.3 实验方法
1.3.1 仪器测试条件 二次离子质谱仪实验条件的选择 对于测试的灵敏度、稳定性、深度分辨率等影响很大。调 节、设定各项参数达到测试要求。 真空度: 一次离子束 离子、能量:15keV, 度:300nA、束斑直径:30m,扫描面积:250m250m。 二次离子束: 正离子 23 Na 30Si 能量5000keV, 析圆形区域直径60m。检验检测 检测器: 电子倍增器: 检测5E5 计数率以下的二次离子。 法拉第杯: 检测5E5 计数率以上的二次离子。 中和电子枪: 电子能量1 keV、圆形区域直径300m、束流20A。
1.3.2 测试步骤 将样品( 标准样品和待测样品）装入样 引入样品过渡仓进行预抽真空,同时使用样品仓内 的红外灯照射烘烤, 达到半个小时, 且真空度优于1e-7torr 即可以将样品导入样品室,进行测试。采用相同的试 验条件对同一组样品检测。 结果与讨论SIMS 深度剖析给出的原始测试结果数据是监测元素 二次离子强度对溅射时间的曲线, 反映元素浓度的相对变 化趋势, 对深度和浓度定标后, 可以得到元素浓度对深度 的分布图。 本实验采用氧一次离子束, 所以氧在硅中的背景较 另外,本实验条件下, 在二氧化硅中, 高浓度氧会 增加硅离子的产额, 造成在二氧化硅中硅离子信号强度 高于其在硅中的强度, 这样在剖析结果中可以看到, /Si界面处, 硅离子和氧离子的强度同时降低。
2.1 荷电效应的消除 在不加电子枪的情况下, 当剖析二氧化硅层时, 由于 二氧化硅层导电性能差, 离子溅射综合效应所产生多余正 电荷不能随时导走。随着剖析的进行, 产生电荷积累, 品溅射面的电位发生改变,二次离子能量变化超出二次离 子光学系统的允许范围, 二次离子传输效率减低, 这样就 造成接收到二次离子强度降低很多, 信号失真, 加中和电 子枪后, 在离子溅射的同时, 低能电子束喷射到离子溅射 区域, 中和掉多余的正电荷, 二次离子能量在允许变化范 分别是加中和电子枪前后同一样品的测试原始图, 表层中硅的离子强度信号较小,在接近SiO /Si界面即钠 离子信号的峰值位置时, 信号强度增加接近正常, 这显然 与样品实际情况不一致, 中是稳定的,反映了样品 实际结构。 一般认为, 对于SiO /Si样品, 在SiO 中硅离子计数强度的偏差小于5% 说明中和效果较好,测试结果失 真程度在可以接受的范围内。
2.2 深度与浓度定标
2.2.1 深度定标 根据表面轮廓仪测得总坑深以及椭偏 仪测得SiO 可以将溅射时间转换成深度分布。
2.2.2 浓度定标 [8~10] SIMS 定量通常采用标样法, 测试 已知体浓度或面密度的标样, 根据测试结果计算出相对灵 敏度因子(RSF）, 就可以将未知浓度样品的原始测试数据 转化浓度定量结果。相对灵敏度因子的数值会因同位素离 子种类及仪器的测试条件选择而异, 每次测试时, 样品与 标样必须在相同的测试条件检测。 加中和电子枪后SIMS 剖析中Na 浓度的计算公式如下: Ci－－Na 原子浓度,atoms/cm Ii－－Na 的二次离子强度,counts/s Im－－Si 的二次离子强度,counts/s RSF－－相对灵敏度因子,atoms/cm 2013年第19卷 71《现代仪器与医疗》 检验检测 由于SiO /Si结构存在SiO 和Si两种基体, 在两种 基体内Na 相对于Si 的相对灵敏度因子有差异, 需要分段 计算, 以Si 离子强度处于平均值处为SiO /Si结构的界面, 分别按照SiO 和Si中对应的灵敏度因子计算浓度。 双层钝化中钠离子的分布2.3 检测限 从钠离子的浓度对深度分布图 3）中可以看出, 用二次离子质谱法深度剖析钠的检测限低于 2e13atoms/cm
2.4钠离子的面密度 已知钠离子的浓度, 可以通过积分计算出钠离子的面 密度。面密度是用来表征离子污染程度的重要参数。 对于图3样品积分后的钠离子的面浓度是8.0E11 atoms/cm 对于厚度5000埃的SiO 钝化膜,面密度的检 测限低于1.0E9atoms/cm 。对于半导体器件来说,当可动 离子电荷达到1E10/cm 器件击穿电压、漏电性能指标就会显著变差, 所以二次离子质谱分析是检测钠离子沾 污的一个有效手段。
2.5 钠离子分布规律 是对双层钝化二氧化硅膜的剖析,可以看出在两 层钝化膜之间的界面也存在钠沾污, 通过对多个样品测 发现钠离子经常分布在表面和界面。如图4,这说明, 在钝化膜生长过程中不易引入钠离子, 钝化膜之前表面沾 污是钠离子污染的重要来源。 结论本研究采用样品表面喷金和中和电子束的方法可以 有效消除分析钝化膜绝缘层时产生的荷电效应而引起的 离子信号畸变, 在钝化层中二次离子信号稳定。采用二 次离子质谱检测钝化层中钠离子灵敏度较高, 可以给出 钝化膜中钠离子浓度分布, 也可以得到钠离子沾污的面 浓度, 体浓度的检测限可以达到2E13atoms/cm 可以检出面密度在1E9atoms/cm 的沾污,是监测钠沾污的有效 检测手段。
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技术原理
