碳化硅晶體中硼含量的SIMS定量分析方法研究

王東雪

摘 要：采用SIMS相對(duì)靈敏度因子法，對(duì)碳化硅中硼含量的定量分析方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過對(duì)離子注入的參考樣品進(jìn)行SIMS深度剖析測(cè)得RSF值，實(shí)現(xiàn)了碳化硅中硼雜質(zhì)含量的精確定量檢測(cè)。碳化硅中硼的檢測(cè)限可達(dá)到1e14atoms/cm3。

關(guān)鍵詞：碳化硅；二次離子質(zhì)譜；定量分析；硼摻雜

Abstract：SIMS relative sensitivity factor method was used to study the measurement method of boron content in silicon carbide. RSF was calculated by depth profiling the related ion-implanted sample. Precise quantitative analysis of Boron impurity content in Silicon Carbide was realized. Detection limit of Boron in Silicon Carbide is 1E14 atom/cm3.

Key words：silicon carbide； secondary ion mass spectrometry；quantitative analysis；boron doping

碳化硅（SiC）作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，以其優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電學(xué)特性受到國(guó)際上廣泛重視。它的寬禁帶，飽和載流子漂移速度、較大的導(dǎo)熱率，高臨界擊穿電場(chǎng)，低介電常數(shù)、高硬度、抗磨損等優(yōu)異特性，是制造高溫、高輻射條件下工作的高頻大功率器件和高功率密度、高集成度電子器件的新型優(yōu)良半導(dǎo)體材料。

二次離子質(zhì)譜（SIMS）能分析全部元素、同位素以及化合物，具有很高的檢測(cè)靈敏度，能直接測(cè)量三維微區(qū)成分，已成為半導(dǎo)體雜質(zhì)分析中不可缺少的手段。

但由于二次離子發(fā)射的影響十分復(fù)雜，特別是基體化學(xué)環(huán)境常對(duì)二次離子產(chǎn)額有強(qiáng)烈的影響，這種基體效應(yīng)（matrix effect）使SIMS定量分析更加困難[ 1 ]。

本文選用體材料碳化硅，用二次離子質(zhì)譜儀分析了注入的非金屬硼原子在碳化硅中的深度分布，并對(duì)碳化硅中硼的定量分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)相對(duì)靈敏度因子（RSF）的測(cè)定，定量地分析了碳化硅中硼的含量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在高真空條件下，氧離子源產(chǎn)生的一次離子，經(jīng)過加速、純化、聚焦后，轟擊樣品表面，濺射出多種粒子，將其中的離子（即二次離子）引出，通過質(zhì)譜儀將不同荷質(zhì)比的離子分開，記錄并計(jì)算每個(gè)樣品的硼與硅（11B+/14Si+）的二次離子強(qiáng)度比，然后利用相對(duì)靈敏度因子法進(jìn)行定量。

1.2 儀器與實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所用儀器為法國(guó)CAMECA公司生產(chǎn)的IMS-4F型動(dòng)態(tài)雙聚焦二次離子質(zhì)譜儀，并且具有較高的靈敏度和較好的深度分辨本領(lǐng)。對(duì)于硼元素的測(cè)量，為提高檢測(cè)的靈敏度，采用O2+作為一次離子束，檢測(cè)11B的正二次離子，一次離子能量為15kev，束流為900nA，掃描面積為250μm×250μm。

2 SIMS分析結(jié)果與討論

2.1 SiC中B的SIMS定量分析方法

二次離子質(zhì)譜定量分析，指的是通過有效實(shí)驗(yàn)，盡可能收集某種元素的二次離子信號(hào)強(qiáng)度，以此判斷樣品中元素的原子濃度。因?yàn)榱Ｗ赢a(chǎn)生濺射，還有二次離子的發(fā)射機(jī)制相對(duì)比較復(fù)雜，所發(fā)生的基體效應(yīng)較為顯著，若僅依靠理論，對(duì)SIMS定量分析中原子電離幾率的參數(shù)進(jìn)行相互比較會(huì)有一定難度，因此我們可以選擇一種靈敏度因子法對(duì)元素中的濃度進(jìn)行確立。

在對(duì)實(shí)踐進(jìn)行分析過程中，選取基體材料的某種不變?cè)刈鳛閰⒖嫉囊罁?jù)，利用即將測(cè)定的元素與元素的二次離子的強(qiáng)度消除儀器參數(shù)的影響，這能夠從很大程度上降低基體效應(yīng)測(cè)量的難度，所得測(cè)試結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

所謂相對(duì)靈敏度是指一種元素相對(duì)于另一種元素（通常稱為參考元素）的靈敏度比值。相對(duì)靈敏度因子的定義為：

2.2 SiC中B定量分析的參考物質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用的參考物質(zhì)校準(zhǔn)法對(duì)于參考的物質(zhì)有較強(qiáng)的依賴性，通常有以下幾項(xiàng)要求：

1）與即將測(cè)定的物品基體具有一定相似性，防止產(chǎn)生基體效應(yīng)；

2）基體的表面較為平整，橫向的排列具有均勻性；

3）穩(wěn)定性較強(qiáng)；

4）摻雜物質(zhì)濃度的最大不能超過1%，防止會(huì)對(duì)基體的成分和濺射速度產(chǎn)生影響；摻雜物質(zhì)濃度的最小值應(yīng)該比儀器的測(cè)定成分大，約100倍，以此確保精準(zhǔn)度[ 3 ]。

所用參考物質(zhì)幾乎能夠劃分為摻雜與離子注入兩類，這兩類參考物質(zhì)方法在SIMS定量分析中已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，但是因?yàn)闊o論是哪種離子，都會(huì)被注入的不同的基體之中，而且摻雜的劑量與濃度都能夠通過離子注入?yún)?shù)，便于進(jìn)行控制，所以在進(jìn)行半導(dǎo)體微量雜志的SIMS定量分析時(shí)，離子注入的參考物質(zhì)就會(huì)得到更加廣泛的使用。

2.3 圖形對(duì)比與結(jié)果分析

對(duì)取自同一碳化硅片的一組樣品進(jìn)行了SIMS測(cè)試，計(jì)算得出B濃度的平均值2.1E16 atoms/cm3，高純碳化硅樣片中B的濃度為1.0E14 atoms/cm3。

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

二次離子質(zhì)譜法可以很好的運(yùn)用在碳化硅材料中B雜質(zhì)的定量分析中，有助于對(duì)碳化硅材料各方面性能的評(píng)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 查良鎮(zhèn).二次離子質(zhì)譜.陸家和，陳長(zhǎng)彥主編.表面分析技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，1987.

[2] 鄒慶生.二次離子質(zhì)譜定量分析的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究.{博士論文}北京：清華大學(xué)，1996.

[3] 鄒慶生，查良鎮(zhèn)，劉容等.真空科學(xué)與技術(shù)，1996.