二次離子質譜儀（SIMS）分析技術及其在半導體產業中的應用

昌鵬

摘? 要：二次離子質譜儀（SIMS）是一種成熟的應用廣泛的表面分析技術，具有高靈敏度（ppm-ppb）和高分辨率。本文介紹了SIMS基本原理和分類及其在半導體產業中材料分析、摻雜和雜質沾污等方面的應用。

關鍵詞：SIMS;半導體;表面分析;材料分析

1 前言

SIMS作為一種成熟的表面分析技術已經發展了半個世紀，最初主要是用在半導體產業的工藝研發、模擬和失效分析等，在近二、三十年來得到迅速發展，并逐漸推廣到應用于金屬、多層膜、有機物等各個領域。SIMS具有很高的微量元素檢測靈敏度，達到ppm-ppb量級。其檢測范圍廣，可以完成所有元素的定性分析，并能檢測同位素和化合物。SIMS具有高的深度分辨率，通過逐層剝離實現各成分的縱向分析，深度分辨率最高能到一個原子層。

半導體材料通過微量摻雜改變導電性質和載流子類型，并且特征尺寸降到亞微米乃至納米量級。上述特點使SIMS在半導體生產中的材料分析、摻雜和雜質沾污等方面得到廣泛應用。

2 SIMS基本原理

SIMS是濺射和質譜儀的結合，可識別樣品中的元素，因此是許多分析方案的首選測試手段。作為半定量的手段，在SIMS質譜圖中二次離子的峰值并不能直接反應樣品中元素的濃度。SIMS原理示意圖如圖1所示。能量在250 eV到30 keV的離子束轟擊樣品表面即可產生濺射現象。一次離子進入基體后會產生大量高強度但存在時間短促的碰撞級聯，基體中的原子發生位置遷移。接近表面的原子得到足夠能量會離開樣品表面，稱為濺射原子。濺射原子會以原子或分子團的形式離開表面并帶上正電或負電，經過電場和磁場的篩選和偏轉輸入到質譜儀，由此SIMS可以得到樣品表面的元素組成和分布。

圖1 SIMS原理示意圖

3 SIMS儀器類型

SIMS機臺主要部分包括離子源、一次電鏡、二次電鏡、樣品交換室、質譜儀、信號探測器等，整個腔體處于高真空狀態之下。一次離子源分為液態金屬離子源（Ga、In、Au、Bi）、氣體離子源（O2、N2、Ar）、表面電離源（Cs、Rb）。液態金屬離子源得到的束流直徑最小，能達到50 nm，但是不能提高離子產率。而氣體離子源和表面電離源能提高離子產率數個量級，其束流直徑是數微米級別。目前主流SIMS的一次離子源為氧源和Cs源，氧源可提高正離子產率，Cs源可提高負離子的產率，實現對所有元素的分析。

根據一次束能量和分析縱向，二次離子質譜可分為動態SIMS和靜態SIMS。根據質譜分離方式的不同，SIMS又可分為磁質譜、四級桿質譜儀和飛行時間分析質譜儀。其中磁質譜和四級桿質譜儀屬于動態SIMS，飛行時間質譜儀屬于靜態SIMS。磁質譜儀分離不同質核比的離子到不同的拋物線軌跡上，通過在不同位置設置探測器可同時得到幾種元素。其具有高達40%的傳輸率，質量分辨率達到10000。四級桿質譜儀通過在四極桿上施加一對交流和直流電壓來達到分離某一特定質量的原子。在某個時間只能得到一種元素，其他元素都會被阻擋。四級桿質譜儀傳輸率約1%，分辨率僅300。飛行時間分析質譜儀將二次離子束加速到具有數keV的動能，不同質量的離子具有不同的速度，離子飛行時間僅取決于質量。其最大特點是沒有二次離子的損失，每個數據點包含全譜圖信息。通過降低脈沖頻率可擴大質量分析范圍，離子利用率最高，能實現對樣品的全譜分析。

4 SIMS在半導體工藝中的主要應用

SIMS定性分析能根據所獲得的二次離子質譜圖進行元素鑒定。樣品在受到離子照射時，除產生一價離子，還會產生二價離子、原子團離子、分子離子等，這些離子會影響質譜的正確鑒定。與此同時，應考慮同位素效應，SIMS中同位素比例接近自然豐度。SIMS定量分析涉及到將二次離子信號轉變為濃度，需要在相同條件下測試標準樣品得到相對靈敏度因子（RSF）。RSF與離子的有效產率有關，對于每種元素各不相同，同一元素在不同測試條件下也會有差異。在濃度深度曲線中，還需將原始數據中x軸的時間轉換為深度，可通過測量坑深實現。

SIMS在半導體生產中應用包括：離子注入機臺能量、計量、均勻性校準，摻雜與結構分析、雜質污染分析和失效分析。

離子注入的濃度和深度對半導體器件性能有極大影響，利用SIMS對摻雜元素的極高靈敏度特點可對摻雜元素的深度分布進行分析，從而確定在生產中離子注入機臺參數是否正確，并確定新機臺是否可以投入生產。比如注入角度不同，則會導致離子濃度在特定深度的濃度不同，可能導致電路不能正常開啟。

SIMS可以監控CVD沉積工藝的質量，對摻雜元素均勻性、分布和生長比率等進行分析。通過SIMS結果的分析幫助工程師調節生長條件，確定最佳沉積工藝條件。

SIMS可分析表面雜質污染，用來判斷芯片有源區是否潔凈，以確保器件的電性質量及可靠性，比如一些金屬污染會導致漏電流變高，使器件失效。另外，可以通過表面雜質污染來判斷光阻厚度是否足夠阻擋離子注入。如果能檢測到離子注入的元素，則說明光阻厚度不夠。

除此之外，SIMS可被用于多層結構的分析，在深度校準之后可驗證其結構，并檢查摻雜的均一性。在多層結構情況中，離子在每層的濺射速率和有效離子產率的差異都忽略不計，雖然沒有完全定量，但也能基本上確定結構。一些新的SIMS測試方法也得到應用，比如從晶圓背面開始測試到正面的測試方法，可用于超淺結注入的濃度深度曲線測量。

5 結束語

隨著我國半導體事業的飛速發展，二次離子質譜儀越來越多地出現在晶圓代工廠和科研院所，有力支持了產品的開發、質量管控和良率提升，相信SIMS會在其他材料分析領域得到更多的應用。

參考文獻

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