表面分析技術在半導體材料中的應用

文/趙磊

對于半導體材料而言，其屬于電子器件與電路的關鍵組成部分，對微電子技術水平的提升具有十分關鍵的影響與作用。隨著器件集成度的增加，器件尺寸不斷變小。器件生產加工階段，材料表面或是界面特性對于器件工作性能、使用年限、安全可靠性等眾多方面起到決定性作用，甚至超過半導體材料產生的作用影響。

1 常用表面分析技術

1.1 二次離子質譜SIMS

SIMS具備良好的靈敏度以及較大的縱向深度分辨率，材料處于納米范圍內出現的變化，可以通過高分辨率予以清晰直觀的呈現。因此，該技術成為表面分析技術中應用非常廣泛的技術。二次離子，是由于材料受到相應能量的離子不斷轟擊，彼此之間發生碰撞現象而形成的。達到一定速度時進入二次離子電鏡系統，通過電磁場作用發生偏轉現象，從而根據質量特征將離子進行有效分離。利用轉換系數能夠將分析樣品中存在的二次離子數轉換成元素的濃度，轉換系數由標準樣品經過分析測試獲得。若雜質濃度不足材料密度1%，轉換系數RSF則為常數。基于此，SIMS是針對濃度不足1%元素進行定量分析的重要方法，同標準誤差σ進行對比，通常能夠有效控制于5%范圍內。

1.2 飛行時間二次離子質譜TOF-SIMS

TOF-SIMS主要是指二次離子受到電場作用產生不同速度，從而對質量各不相同離子進行有效分離的分析技術。TOF-SIMS具備良好的質量分辨率，測量質量范圍相對較廣，通常情況下，可以對材料表面單一原子層進行有效分析。針對部分元素靈敏度較高，能夠處于PPM水平，TOF-SIMS通常能夠提供表面元素相對值或單一元素表面二維圖像，部分特殊情況下同樣能夠提供定量分析。TOF-SIMS適用于對表面玷污等情況進行分析，例如對Li、Na、Mg、Al表面金屬玷污分析優勢較為明顯。其不僅能能夠對 元素進行分析，還能夠對微區做出有效分析。除此之外，也能夠對光刻處理之后表面殘留有機物做出準確分析。

1.3 X射線光電子能譜XPS

受到X光照射作用， 電子受激從材料表面位置產生發射，且其中存在少數攜帶元素特征值。比如Si2p電子的束縛能為99.3eV，而位于SiO2中能量則變化成103.5eV。電子束縛能作為元素特征值，同時還涵蓋元素化學信息。比如，對于顏色各不相同的一對Si晶片做出有效分析，Si2p電子能譜可以清晰直觀的顯示Si晶片表面下部位置存在一層SiO2。通過Si+4發射出的能量的電子不斷變多。正常顏色硅位于表面位置產生大量電子，表面位置經過自然氧化產生SiO2膜，表面下部位置則為純凈Si。

XPS對介質膜進行分析應用十分廣泛，可以對SiON薄膜厚度以及N劑量做出準確的分析檢測，且相對誤差較小，僅為0.2%。

1.4 俄歇電子能譜AES

AES即俄歇電子能譜，AES具備較大縱深分辨率。能夠達到毫微米數量級。因為電子處于固體內部存在較小的自由程，唯有近表面位置存在的部分原子層內電子可以通過初始能量逸出。AES同時具備較大面積分辨率，能夠達到亞微米數量級，其通常決定于激發電子束，并使毫微米范圍存在的電子束形成聚焦點。不過對于AES面積分辨率而言，主要為聚焦電子束同檢測器性能共同產生的結果。AES通常使用圓筒鏡型分析器，其可以獲得良好靈敏度。不過，原子位置被束縛的電子通過對光子進行有效吸收，可形成光電子。若光電子具備充足能量，電子既可以脫離元素束縛發生逸出，動能則是光子能量同束縛能之間存在的差值。

AES可以對元素周期表存在的氦以上元素進行有效檢測，檢測限達到0.1～1百分原子數。由于AES對單原子層僅可做出部分檢測，元素靈敏度不高成成為主要影響因素。不過AES卻具備穩定的成像效果。元素縱深分布圖示性能穩定，具備定量分析的優勢特點。通過定位方式應用AES，可以對極小面積范圍內存在的全部元素進行準確有效的探測，同時還能夠通過檢測器針對單一元素，沿片子表面進行精準正確的掃描繪圖。

2 實驗

研究選用晶片全部為非摻半絕緣，晶向是（100）砷化鎵拋光片，依次記為A～E五項，不采取任何處理。

表1：表面晶體完整性XRD分析結果

表2：表面Ga/As比與氧含量

表3：SIMSprofile圖得出的氧化層厚度

表面痕量玷污，通過飛行時間二次離子質譜儀（TOF-SIMS）檢測；真空度超過10-7Pa，離子源選用Ar離子源。

表面晶體完整性，通過X射線雙晶衍射儀（XRD）測試；氧元素深度分布情況選取4f二次離子質譜儀（SIMS）進行測量。

表面鎵砷與氧化層厚度等，通過X射線光電子能譜儀（XPS）分析。分析室真空度超過10-7Pa，X射線為AlKa（1462.6eV）；窄掃描通能35.7eV；Ag3d5/2的半高寬是1.0eV；介于30-50eV范圍區間記錄As3d譜，介于10-30eV范圍區間記錄Ga3d譜。結合能選取GaAs的As3d（41.1eV）進行校正。

3 結果與討論

3.1 TOF-SIMS分析表面污染物

對于常用表面分析技術而言，因為XPS與AES檢測限的影響，不適用于對表面污染進行分析。TXRF主要對表面重金屬污染物進行分析檢測，無法檢測全部元素，無法獲取化合物信息。TOF-SIMS靈敏度與分辨率相對較高，檢測限是109個原子?cm-2，可以對全部元素記性分析，獲取化合物信息，并對有機與無機污染做出準確檢測。

通過進行檢測，除Ga、As與氧化物，表面均殘留有機污染物，主要是由于晶片制備階段溶劑產生的殘留。并未檢測金屬離子存在殘留，證明晶片可以有效去除金屬離子，具有一定的效果，不過還需重視對有機污染的有效清除。

3.2 XRD分析表面晶體完整性

通過X光衍射儀，對結晶體做出分析檢測，會形成相應的衍射峰，測試條件一致情況下，晶體結構較為完整且排列有序，衍射峰半高寬相對較窄，相反則會較寬。

通過表1得知，處理工藝處在區別，晶片半高款同樣存在差距。A晶片表面晶體不具備良好完整性，E晶片表面晶體具備最優完整性。

3.3 XPS分析表面化學元素組成與價態

對于XPS而言，信息深度為有限的幾個原子層，可以對氫與氦除外的全部元素進行有效檢測，不但可以獲取表面元素組成與實際含量，還可以獲取元素化學價態的具體信息。

通過實驗得知，Ga通過兩種化合態共同構成，高結合能位置的譜峰較大，同Ca2O3相對應，右側低結合能位置譜峰為相對較小，保持GaAs狀態；As3d譜圖體現各不相同狀態，處于高峰至低峰變化過程為的依次順序。

通過表2得知，對大多數晶片而言，表面鎵砷比同化學計量比存在較大偏差，唯有D、E采取專門處理之后，同化學計量比存在較小偏差。與此同時，樣品鎵砷比高，則氧含量大。證明表面氧化成為導致表面鎵富集的關鍵因素。選取氬離子進行連續轟擊處理，全部樣品氧含量出現不同程度的減少，減少幅度同氧化層厚度存在聯系，介紹幅度較高，氧化層相對較薄。因此，可以得知C、D氧化層相對較薄。

3.4 SIMS分析氧深度分布

SIMS對大部分元素含量進行檢測，且動態檢測范圍相對較廣，可以對全部元素進行有效檢測。對于固體材料元素或是痕量元素而言，是對其深度分布情況進行有效檢測的的關鍵方法。

表3主要表示由SIMS譜圖獲取的氧化層實際厚度值。能夠得知，對于B氧元素而言，其分布范圍曲線減少速度相對較為緩慢，分布范圍相對較大，表面氧化層實際厚度約為對于D氧元素而言，其分布曲線明顯較陡，減少速度相對較快，表面氧化層實際厚度約為同XPS分析結果保持相同。

4 結語

綜上所述，通過上述分析研究能夠得知，對于砷化鎵拋光片表面特性的表征而言，本文應用的表面分析技術，具備的優勢特點各有不同。表面分析技術的合理應用，對于掌握晶片表面痕量污染與元素分布情況以及化學構成等眾多性質，具有十分重要的作用。有利于增強對不同處理技術原理的深入了解與認識，有利于增強對晶片表面生產加工工藝與器件制作工藝的優化改良。