使用XPS和SIMS测量ALD薄膜中的氢，碳，氧和铁污染

应用笔记

ALD对半导体的污染

• ALD可以生产高，H，C，O和金属的薄膜。
• 在大多数情况下，不希望有高含量的H，C，O和金属 半导体 影片。
• 改进的等离子体源减少 污染 在基于氮化物的ALD生长膜[1]中。
• XPS 通常用于准确的组合物配置文件。 然而，对于H，C和O浓度的5为％或更低，则XPS变为背景限制。
• SIMS 精确的H，C和O曲线5在％和更低时需要分析。
• 诸如Fe的痕量金属可以在/ cm下测量到1E15₃ .

XPS深度剖析

合成深度配置文件

光电子发射强度对表面化学的依赖性很小。 强度主要取决于表面浓度。 因此，已知XPS提供非常好的定量 成分测量。 通过用分析循环交替溅射蚀刻表面来完成深度分布。 无论材料如何，结果都是浓度与深度分布，并且具有良好的定量。 然而，在一些材料中，优先溅射一种元素而不是另一种元素可以改变原始组成。

ALD薄膜中的成分的XPS

• 样品210的组成分布对于In，Al和N具有良好的准确度。表面上显示氧置换氮的分布可能是真实的。
• 样品219显示通过AlGaN层的N的不均匀分布。 由于光谱干扰，衬底GaN未被量化。

ALD薄膜中碳和氧的XPS

• ALD薄膜在生长期间倾向于包含相对高水平的H，C和O.
• ALD膜组合物通常由XPS测量，因为其具有固有的定量性质。 因此，经常可以看到XPS的C和O轮廓。
• XPS具有高C和O背景。 10 at％的水平可能是真实的，5 at％的水平可能是真实的，而2-3 at％可能是背景。
• 样品210显示C为10 at％，O为2至6 at％– C为实数，O为背景。
• 样品219显示C为2 at％，O为6至8 at％– C和O均受背景强烈影响。

ALD分析技术

XPS（X射线光电子能谱）

• XPS为元素Li到U提供调查分析功能
• 结合能测量提供氧化态信息
• 深度剖面本质上是定量的，受优先溅射效应的影响

SIMS（二次离子质谱）

• SIMS可以检测周期表中的每个元素，包括具有ppm到ppt检测限的H.
• 深度剖面显示层结构，掺杂剂和污染物。
• 可以分析从1.2 nm到10μm的层。

SIMS DEPTH PROFILING

跟踪元素深度配置文件

SIMS对周期表中的每个元素（包括H）具有ppm至ppt的检测限。初级离子束溅射蚀刻样品表面，两者都从样品材料中产生离子，可以进行质量分析以确定元素。 溅射蚀刻形成一个能够深度采样的凹坑。 SIMS量化取决于标准。 标准必须在相同的基质材料中具有感兴趣的元素。 量化通常从1 at％到跟踪水平有效。

ALD薄膜中碳和氧的SIMS

• SIMS结合了薄膜的高深度分辨率和对H，C和O的非常好的检测限，使SIMS成为ALD污染物深度剖析的非常好的选择。
• H的检测限为1E17 at / cm³。 C的检测限为2E15 at / cm³。 O的检测限为1E15 at / cm³.
• 由于良好的真空系统，高溅射速率和对这些元件的良好灵敏度，H，C和O的检测极限非常好。
• 样品210和219中报道的C和O浓度远高于背景。

ALD胶片中成分的SIMS

• EAG开发了一种名为“PCOR-SIMS”的协议。 我们使用SIMS测量本身来测量层组成。
• 我们测量成分，因此我们可以使用正确的灵敏度因子来测量掺杂剂或污染物。
• 我们在每个数据点测量成分，使我们能够在每个数据点使用正确的灵敏度因子。 结果是逐点正确的SIMS - 或PCOR-SIMS。

SIMS的H，C，O和Fe配置文件

• H，C和O可以与非常好的深度分辨率和非常好的检测限一起测量。
• 痕量金属型材需要单独测量。 这里看到的配置文件是一个叠加层。
• 金属与型材的选择取决于所使用的沉积设备和前体气体。

ALD分析中的背景来源

来自H，C，N和O的背景来自仪器真空系统中的残余气体。 气体到达样品表面，粘在表面上的可能性取决于气体，样品材料和表面状况。 新鲜溅射的表面增加了气体粘附的可能性。

XPS背景

在XPS深度剖析中，表面被溅射蚀刻，溅射停止，并且分析循环开始。 在分析循环期间，来自真空的气体有机会积聚在表面上。

SIMS背景

在动态SIMS（TOF除外）中，表面连续溅射，因此背景是残余气体到达速率和样品溅射速率之间的平衡。 样品溅射速率远高于残余气体到达速率，因此动态SIMS背景比XPS低几个数量级。

讨论

深度剖面分析的XPS选择

• 对于胶片成分，XPS是一个不错的选择。 无论材料如何，元素量化都是相同的，因此所有材料的量化精度都很好。 然而，必须注意优先溅射，其中一种元素优先于另一种元素被去除，从而改变表面组成。
• 对于大气元素C和O，XPS可以提供​​低至10 at％浓度的良好定量准确度。 在较低浓度下，仪器背景开始影响测量。

深度剖面分析的SIMS选择

• 对于大气元素H，C和O，SIMS可提供出色的检测限。 对于ALD中的准确配置文件，背景不是问题。
• 可以对金属杂质进行分析并精确量化。
• 对于薄膜成分，当材料系统已经用标准校准时，SIMS可以提供​​量化。
• 可以使用高深度分辨率协议来分析非常薄的薄膜。 2nm电影甚至更少，可以分析提取实际分布信息。

参考文献：
[1] C. Ozgit-Akgun，E。Goldenberg，A。Kemal Okyay和N. Biyikli，J。Mater。 化学。 C 2（2014）2123。