Глава 2. Розвиток методики МСВН для дослідження профілів розподілу домішок в
шаруватих структурах з діелектричними шарами.
Вступ
Для дослідженя профілів розподілу домішок використовуються різні методи:
зворотнє резерфордівського розсіювання іонів (ЗРІ), оже – електронна
спектроскопія (ОЕС), рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (РФЕС) і.т.д.
Кожна з цих методик має ряд недоліків, серед яких основним є низька чутливість
методів для визначення малих концентрацій домішок. При використання для
домішкового аналізу методик з високою чутливістю та високою роздільною
здатністю по глибині, таких як мас-спектрометрія вторинних іонів (ВІМС),
можливо отримати інформацію про реальний розподіл домішок в структурах після
різного типу обробок. Метод ВІМС має також ряд недоліків: вплив розпилюваної
матриці та її стану на формування вторинних іонів, ефекти іонно-пучкового
перемішування, великий розкид коефіцієнтів іонізації для різних елементів,
недостатня роздільна здатність по глибині на границях поділу фаз, формування
мікрорельєфу і т. п..
Особливо актуальними є дослідження профілів розподілу домішок після іонної
імплантації. Як правило, форма такого розподілу описується функцією Гауса (або
Пірсона), параметри якої визначаються величинами проекційної глибини
проникнення Rp та середньоквадратичного відхилення DRр, яке характеризує
ступінь “розмиття” профілю. При використанні малих енергій (1-10 кеВ) величина
Rp в кремнії складає 2-10 нм для типових (As, Sb) домішок, які використовуються
в мікроелектроніці. Тому для досліджень таких профілів необхідно розвивати
методи з високою роздільною здатністю по глибині. В даній роботі, в якості
такого методу для дослідження профілів розподілу домішок використовувався
унікальний метод мас-спектрометрії вторинних пост-іонізованих нейтральних
часток (МСВН). Такий вибір зумовлений, з одного боку, високою роздільною
здатністю методу МСВН по глибині (менше 2 нм) [88,89,90] і, з іншого боку
достатньою чутливістю для аналізу профілів розподілу домішок в імплантованих
структурах. Метод МСВН має перевагу порівняно з ВІМС внаслідок відсутності
ефекту матриці та сильної варіації факторів відносної чутливості (ФВЧ), які
утруднюють проведення кількісного аналізу [91]. Зменшення вказаних ефектів
обумовлено розділенням процесів розпилення та іонізації. Для визначення
швидкості розпилення зразків і контролю форми кратерів використовувався метод
профілометрії.
2.1 Особливості досліджень профілів розподілу домішок при іонному розпиленні.
В методі мас-спектрометрії вторинних пост-іонізованих нейтральних часток, пучок
первинних іонів Ar+ формується внаслідок прикладання негативної електричної
напруги між “стінкою” високочастотної (27 МГц) плазми низького тиску (3.26ґ10-3
mbar) та досліджуваним зразком [92]. Досліди проводились на установці INA-3,
схематичне зображення якої показано на рисунку 2.1.1.
При взаємодії первинних іонів з поверхнею мішені значна частина їх кінетичної
енергії передається атомам зразка, в результаті чого відбувається вибивання
останніх. Частина вибитих атомів є позитивними чи негативними іонами, які не
приймають участь в формуванні сигналу. Позитивні іони не можуть покинути деяку
область поблизу зразка внаслідок дії затримуючого їх поля, а негативно
заряджені іони мають інші траєкторії руху в камері аналізу. Нейтральні атоми
проходячи через камеру плазми іонізуються в ній внаслідок електронної ударної
іонізації.
Саме ці пост-іонізовані частинки, що пропускаються через іонно-оптичну систему
та квадрупольний мас-сепаратор і формують досліджуваний сигнал. Густина струму
вторинних пост-іонізованих часток X-елементу, що входить до складу мішені
I(X0), може бути представлена у вигляді [93,94]:
I(X0) = IPYCxa0xh0x(1 - a+x - a-x - amx) (1.2.1)
Рис.2.1.1. Зображення поперечного перерізу МСВН INA3 установки.
де IP – густина струму розпилюючого пучка первинних іонів; Y – загальний
коефіцієнт розпилення мішені; Cx – концентрація X – елементу в мішені; a0x –
імовірність пост-іонізації; h0x – коефіцієнт пропускання приладу; a+x і a-x –
імовірність розпилення часток у вигляді позитивно і негативно заряджених іонів;
amx – ймовірність пост-іонізації частини атомів елементу X зв’язаних в кластер.
Якщо вважати, що розпилення є рівноважним і відповідно кластерна емісія
пост-іонізованих часток незначна то amx « 1. А крім того, a±x « 1, то рівняння
(1.2.1) можна записати у вигляді :
I(X0) = IPYCxD0x (1.2.2)
Де D0x =a0xh0x – фактор детектування.
Коефіцієнт розпилення мішені Y визначається як відношення кількості розпилених
частинок до кількості первинних іонів. Він залежить від великої кількості
параметрів [95,96] : від енергії зв’язку і маси атомів в мішені, енергії та
маси бомбардуючого іона, а також від деяких параметрів, що враховують взаємодію
між двома частинками.
Даних по коефіцієнту пропускання досить не багато і вони суттєво відрізняються
від приладу до приладу. В першому наближенні h0x ~ 1/R, де R – роздільна
здатність по масам. В квадрупольних мас – спектрометрах коефіцієнт пропускання
близький до одиниці, що значно обмежує їх роздільну здатність по масам, хоча і
покращує чутливість приладу [95]. Необхідно відмітити, що h0x залежить не
тільки від геометричних та електронно-оптичних властивостей приладу, а й від
кінетичної енергії вторинних іонів (або пост-іонізованих нейтральних частинок)
та кута вибивання частинок [97].
Незважаючи на те, що вказаний метод використовується вже два десятиріччя і
аналізу процесів, що супроводжують іонне розпилення підкладок присвячена велика
кількість робіт, врахування всіх факторів, які можуть
- Київ+380960830922