二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）分析技術(shù)及其在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

昌鵬

摘? 要：二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）是一種成熟的應(yīng)用廣泛的表面分析技術(shù)，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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中材料分析、摻雜和雜質(zhì)沾污等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SIMS;半導(dǎo)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(shù)已經(jīng)發(fā)展了半個(gè)世紀(jì)，最初主要是用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的工藝研發(fā)、模擬和失效分析等，在近二、三十年來得到迅速發(fā)展，并逐漸推廣到應(yīng)用于金屬、多層膜、有機(jī)物等各個(gè)領(lǐng)域。SIMS具有很高的微量元素檢測靈敏度，達(dá)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(shí)現(xiàn)各成分的縱向分析，深度分辨率最高能到一個(gè)原子層。

半導(dǎo)體材料通過微量摻雜改變導(dǎo)電性質(zhì)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(diǎn)使SIMS在半導(dǎo)體生產(chǎn)中的材料分析、摻雜和雜質(zhì)沾污等方面得到廣泛應(yīng)用。

2 SIMS基本原理

SIMS是濺射和質(zhì)譜儀的結(jié)合，可識(shí)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(zhì)譜圖中二次離子的峰值并不能直接反應(yīng)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(chǎn)生濺射現(xiàn)象。一次離子進(jìn)入基體后會(huì)產(chǎn)生大量高強(qiáng)度但存在時(shí)間短促的碰撞級聯(lián)，基體中的原子發(fā)生位置遷移。接近表面的原子得到足夠能量會(huì)離開樣品表面，稱為濺射原子。濺射原子會(huì)以原子或分子團(tuán)的形式離開表面并帶上正電或負(fù)電，經(jīng)過電場和磁場的篩選和偏轉(zhuǎn)輸入到質(zhì)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(jī)臺(tái)主要部分包括離子源、一次電鏡、二次電鏡、樣品交換室、質(zhì)譜儀、信號(hào)探測器等，整個(gè)腔體處于高真空狀態(tài)之下。一次離子源分為液態(tài)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(tài)金屬離子源得到的束流直徑最小，能達(dá)到50 nm，但是不能提高離子產(chǎn)率。而氣體離子源和表面電離源能提高離子產(chǎn)率數(shù)個(gè)量級，其束流直徑是數(shù)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(chǎn)率，Cs源可提高負(fù)離子的產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)對所有元素的分析。

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

4 SIMS在半導(dǎo)體工藝中的主要應(yīng)用

SIMS定性分析能根據(jù)所獲得的二次離子質(zhì)譜圖進(jìn)行元素鑒定。樣品在受到離子照射時(shí)，除產(chǎn)生一價(jià)離子，還會(huì)產(chǎn)生二價(jià)離子、原子團(tuán)離子、分子離子等，這些離子會(huì)影響質(zhì)譜的正確鑒定。與此同時(shí)，應(yīng)考慮同位素效應(yīng)，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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闈舛?，需要在相同條件下測試標(biāo)準(zhǔn)樣品得到相對靈敏度因子（RSF）。RSF與離子的有效產(chǎn)率有關(guān)，對于每種元素各不相同，同一元素在不同測試條件下也會(huì)有差異。在濃度深度曲線中，還需將原始數(shù)據(jù)中x軸的時(shí)間轉(zhuǎn)換為深度，可通過測量坑深實(shí)現(xiàn)。

SIMS在半導(dǎo)體生產(chǎn)中應(yīng)用包括：離子注入機(jī)臺(tái)能量、計(jì)量、均勻性校準(zhǔn)，摻雜與結(jié)構(gòu)分析、雜質(zhì)污染分析和失效分析。

離子注入的濃度和深度對半導(dǎo)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(diǎn)可對摻雜元素的深度分布進(jìn)行分析，從而確定在生產(chǎn)中離子注入機(jī)臺(tái)參數(shù)是否正確，并確定新機(jī)臺(tái)是否可以投入生產(chǎn)。比如注入角度不同，則會(huì)導(dǎo)致離子濃度在特定深度的濃度不同，可能導(dǎo)致電路不能正常開啟。

SIMS可以監(jiān)控CVD沉積工藝的質(zhì)量，對摻雜元素均勻性、分布和生長比率等進(jìn)行分析。通過SIMS結(jié)果的分析幫助工程師調(diào)節(jié)生長條件，確定最佳沉積工藝條件。

SIMS可分析表面雜質(zhì)污染，用來判斷芯片有源區(qū)是否潔凈，以確保器件的電性質(zhì)量及可靠性，比如一些金屬污染會(huì)導(dǎo)致漏電流變高，使器件失效。另外，可以通過表面雜質(zhì)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(jié)構(gòu)的分析，在深度校準(zhǔn)之后可驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)，并檢查摻雜的均一性。在多層結(jié)構(gòu)情況中，離子在每層的濺射速率和有效離子產(chǎn)率的差異都忽略不計(jì)，雖然沒有完全定量，但也能基本上確定結(jié)構(gòu)。一些新的SIMS測試方法也得到應(yīng)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(jié)注入的濃度深度曲線測量。

5 結(jié)束語

隨著我國半導(dǎo)體事業(yè)的飛速發(fā)展，二次離子質(zhì)譜儀越來越多地出現(xiàn)在晶圓代工廠和科研院所，有力支持了產(chǎn)品的開發(fā)、質(zhì)量管控和良率提升，相信SIMS會(huì)在其他材料分析領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 周強(qiáng).二次離子質(zhì)譜（SIMS）分析技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展[J].質(zhì)譜學(xué)報(bào)，2004，25（2）：113—118

[2] 田春生.二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）的原理及應(yīng)用[J].中國集成電路，2005（8）：74-78.