SiO 2钝化膜中钠离子的二次离子质谱分析
前 言
对于半导体器件而言，在管芯表面覆盖钝化膜的保护措施是非常必要的，钝化膜是器件的最终的钝化层和机械保护层，可以起到电极之间的绝缘作用，减弱和稳定半导体材料的多种表面效应，防止管芯受到尘埃、水汽酸气或金属颗粒的沾污，一般采用CVD 工艺（化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition）生长二氧化硅或氮化硅作为钝化膜，对于不同器件钝化膜的组分、厚度有差异，钠离子在钝化膜中的迁移率较高，对器件性能影响大，又大量存在于环境之中，很容易造成污染，所以钠离子的含量成为评价钝化工艺质量好坏的一个重要标志1～5，对于钝化膜中钠离子的检测也就很重要。二次离子质谱（SIMS）6分析具有灵敏度高、微区分析、深度剖析的优点，是检测钝化膜中钠离子浓度分布的有效手段，可以给出钠离子在钝化膜中的实际的分布。本工作采用二次离子质谱法对二氧化硅钝化膜中钠离子浓度进行检测。
1 实验部分
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：SiO2/Si膜，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，使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：O2+离子、能量：15keV，束流强度：300nA、束斑直径：30?m， 扫描面积：250?m×250?m。
二次离子束：正离子23Na+、30Si+，能量5000 keV，分析圆形区域直径60?m。
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 0 keV、圆形区域直径300?m、束流20?A。
1.3.2 测试步骤 将样品（标准样品和待测样品）装入样品架，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后，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。
2 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高，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，剖析到SiO2/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，样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围内，强度信号不会有明显的失真[7]。图1和图2分别是加中和电子枪前后同一样品的测试原始图，图1中在SiO2表层中硅的离子强度信号较小，在接近SiO2/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，图2是加中和电子枪后的真实情况，可以看出硅离子强度在SiO2中是稳定的，反映了样品实际结构。
一般认为，对于SiO2/Si样品，在SiO2中硅离子计数强度的偏差小于5%时，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SiO2膜厚，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。
图3是图2样品浓度对深度的结果。
2.3 检测限
从钠离子的浓度对深度分布图（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/cm3。
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。
2.5 钠离子分布规律
图4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，通过对多个样品测试，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。
3 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/cm3，可以检出面密度在1E9atoms/cm2的沾污，是监测钠沾污的有效检测手段。
