SIMS를 이용한 탄화 규소의 저농도 질소 측정

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추상

오늘의 최첨단 기술 실리콘 카바이드 (SiC) 성장은 5 × 10 주위에 도핑 된 반 절연 크리스탈을 생성 할 수있다.15 원자 / cm3 이하. 저농도 질소 농도를 측정하기 위해서는 검출 한계가 충분히 낮은 정확한 도구를 갖추는 것이 중요합니다. 현재 SIMS 검출 한계가 낮은 E15 atoms / cm3 5E16의 질소 도핑 수준을 / cm에서 정확하게 측정 할 수 있습니다.3 또는 더 높게. 낮은 질소 농도를 결정하기 위해서는 더 나은 검출 한계를 제공하고 배경 질소의 영향을 적절히 제거하는 것이 필요하다. "래스터 변환"방법은 프로파일 중에 1 차 빔 래스터 크기를 변경함으로써 샘플의 동일한 위치에서 2 차 이온 강도와 매트릭스 이온 강도를 분석 할 수 있기 때문에 신호에 배경 질소의 영향을 확인하고 제거하는 정확한 방법을 제공합니다. 우리는 이러한 기술을 사용하여 실험을 수행했으며 3.5E15 atoms / cm의 질소 농도를 결정할 수있었습니다3 좋은 정밀도를 가진 실리콘 탄화물에서.

소개

깊이 프로파일 링 모드에서 다양한 요소에 대한 높은 감지 감도의 독특한 기능으로 인해, 2 차 이온 질량 분석법 (SIMS) 을위한 필수 도구 성격 묘사 도펀트 및 불순물의 SiC 재료

SiC의 얕은 도너 인 질소는 모든 SiC 웨이퍼 및 에피 층에 항상 미량의 불순물로 존재합니다. 설계 및 그 작동에 따라, SiC 성장 시스템은 상당한 양의 질소를 함유 할 수 있으며, 이는 성장 된 물질에서 변동하는 질소 잔류 도핑을 초래할 것이다. 낮고 제어 된 질소 배경은 반 절연 웨이퍼 및 저 도핑 에피 층의 재현성있는 성장에 필요합니다. 이 결정에서 질소의 SIMS 피드백은 보상 메카니즘 및 공정 조건에 대한 이해를 제공 할 수있다.

수년 동안, SIMS는 E17 ~ E19 atoms / cm의 수준에서 질소 농도를 결정하기 위해 일상적으로 사용되어왔다.3 좋은 정밀도. 오늘날의 최첨단 SiC 성장은 5 × 10 주위에 도핑 된 반 절연 크리스탈을 생성 할 수 있습니다.15 원자 / cm3 이하. 그것은 SIMS가 낮은 수준의 질소 농도를 측정하는 데 더 나은 정밀도를 요구합니다.

업그레이드 된 SIMS 장비 (개선 된 진공 및 향상된 1 차 빔 강도) 및 개선 된 분석 프로토콜을 통해 2-5E15 atoms / cm의 N 검출 한계를 달성 할 수 있습니다3 우수한 깊이 분해능을 유지하면서 일상적으로. 이러한 검출 한계는 매우 좋지만 낮은 수준 (<1e5atoms / cm)의 정확한 측정을위한 일상적인 방법을 제공하는 데 충분하지 않습니다.3) 탄화 규소의 질소 농도. 이러한 배경 수준에서 간단한 배경 제거 (2-5E15 atoms / cm3) 크고 정의되지 않은 오류가 발생할 수 있습니다. 매우 낮은 질소 배경 (6-8E14 atoms / cm3)는 달성 가능하지만 시간이 많이 걸리고 항상 보장받을 수는 없습니다.

그림 1 N 검출 한계는 3E15 atoms / cm3입니다. Al 도핑 된 층에서 약간의 N 오염.

그림 1 N 검출 한계는 3E15 atoms / cm입니다.3. Al 도핑 된 층에서 약간의 N 오염.

적절한 정밀도로 낮은 질소 농도를 결정하려면 [1] (a) 더 나은 신호 대 잡음비; (b) 배경 기여도는 시간이 지남에 따라 변경 될 수 있고 SIMS 샘플 홀더의 위치에 따라 달라질 수 있으므로 측정 된 신호에서 배경 기여도를 빼는 적절한 방법. 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 질소 농도가 낮은 (<5e15 원자 / cmXNUMX) 탄화 규소 샘플에 SIMS "래스터 변경"기법을 적용했습니다.3)를 사용하여 시료의 질소 농도를 확인하고 결과의 정확성을 확인하십시오. 프로파일 [2] 중 1 차 빔 래스터 크기를 변경하여 샘플의 동일한 위치에서 2 차 이온 강도 및 매트릭스 이온 강도를 분석 할 수 있기 때문에 "래스터 변경"방법은 신호에 배경 질소의 영향을 결정하고 제거하는 정확한 방법을 제공합니다. . 이 기술의 단점은 균일하게 도핑 된 시료 또는 농도가 균일 한 깊이 영역에서만 사용할 수 있다는 것입니다.

실험

실험은 산소 및 / 또는 Cs 1 차 빔 소스가 장착 된 CAMECA IMS-4f 이중 초점 자기 계측기에서 수행되었습니다. 샘플은 집중된 Cs에 의해 스퍼터링되었다.+ 정사각형 영역에 래스터 된 200 차 이온 빔. 분석에 사용되는 빔 전류는 300 ~ 4500nA입니다. 스퍼터링 과정에서 형성된 XNUMX 차 이온은 – XNUMXV의 샘플 전압에 의해 샘플 표면에서 가속됩니다. XNUMX 차 이온은 정전기 분석기로 에너지를 분리하고 자기 질량 분석기에 의해 질량 / 전하 비율에 따라 질량을 분리했습니다. 분석기를 통과 한 후 이온은 패러데이 컵 (매트릭스 이온) 또는 전자 배율기 (질소 이온)를 사용하여 감지됩니다. 이 연구에 사용 된 SiC 샘플은 샘플 전체에서 균일 한 질소 수준이 낮습니다.

결과 및 토론

먼저, 시험 샘플 내의 질소 농도는 전통적인 배경 제거 방법을 사용하여 결정되었다. 새로운 Cs 소스와 UHV 챔버에서 샘플로 펌핑하는 며칠 동안 우리는 5e14 atoms / cm의 질소 배경을 얻을 수있었습니다3시험 샘플과 함께 로딩 된 도핑되지 않은 SiC 에피 샘플의 측정으로부터 결정된다. 이 시험 샘플의 질소 농도는 3.3E15 atoms / cm3. 이 값의 정밀도는 반복 측정 및 샘플 및 배경을 기준으로 ± 14 % (1σ)입니다.

래스터 변환 기술을 사용하면 SiC 샘플의 질소 농도 [N]와 기기 배경 [NB]의 해당 질소 기여도를 [2]를 사용하여 계산할 수 있습니다.

[N] = RSF × (IN1-IN2)/(나는M1-IM2)

[NB] = RSF × (IN/IM) - [N]

샘플 표면에서 질소의 흡착 속도가 일정하다고 가정합니다. 여기서 RSF는 SiC의 질소 임플란트 표준으로부터 결정된 상대 감도 계수이다. 나는N1 그리고 나N2 2 개의 상이한 래스터 크기 하에서의 질소 2 차 이온 강도이고,M1 그리고 나M2 이들 2 개의 상이한 래스터 크기 하에서 대응하는 매트릭스 2 차 이온 강도이다.

이 실험에서, 질소 농도는 질소 (N +13125 μm 래스터와 125 μm x 50 μm 래스터 (그림 50)에서의 2 차 이온 강도. 그런 다음이 샘플에서 2e1 atoms / cm15에서 3e5 atoms / cm 범위의 다양한 배경 수준에서 래스터 변경 기술을 적용했습니다3.

그림 2 N 프로파일 중 래스터 변경. 표시된 N은 50 × 50 μm 래스터에서 정량화됩니다.

그림 2 N 프로파일 중 래스터 변경. 표시된 N은 50 x 50 μm 래스터에서 정량화됩니다.

표본에 질소 농도와 백그라운드 질소 수준 결과는 아래 표에 나와 있습니다.

표본에 질소 농도와 백그라운드 질소 수준 결과는 아래 표에 나와 있습니다.

3 회의 측정으로부터 결정된 평균 질소 농도는 3.5E15 atoms / cm3 정확도는 ± 9 % (1σ)입니다. 결과는 엄청난 노력으로 이전에 얻은 데이터와 매우 잘 일치합니다. 결과는 또한 낮은 수준의 질소가 래스터 변화 기술을 사용하여 상대적으로 높은 질소 백그라운드 레벨에서도 높은 정밀도로 측정 될 수 있음을 입증했습니다.

결론

SIMS 래스터 변경 기술을 사용하여 탄화 규소 샘플에서 낮은 수준의 질소를 정밀하게 결정할 수 있음을 입증했습니다. 측정은 전통적인 배경 빼기 방법과 관련된 문제를 제거했으며 상대적으로 높은 질소 배경 조건에서 사용할 수 있습니다. 그러나이 기술은 벌크 샘플 또는 두꺼운 층 (> 2μm)으로 제한됩니다.

승인

이 연구에 사용 된 샘플을 제공 한 스웨덴의 Okmetic AB에게 감사드립니다.

 


참조

[1] RS Hockett, et al., in High Purity Silicon, Vol. VI, ECS PV 2000-17, 2000, p584

[2] A. Ishitani, et al., VLSI를위한 재료 및 공정 특성화에 관한 국제 회의 (ICMPC'88), 1988, p. 124.

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