제시된 방법은 2차 이온 질량 분석법과 관련된 측정 아티팩트를 식별 및 해결하고 고체 물질에서 불순물/도펀트의 사실적인 3D 분포를 얻는 방법을 설명합니다.
제시된 프로토콜은 2차 이온 질량 분석법(SIMS)을 사용하는 우수한 검출 한계(1ppm – 1ppb)와 합리적인 공간 분해능(~1μm)을 결합합니다. 또한 고체 물질에서 분리된 불순물/도펀트의 사실적인 3차원(3D) 분포를 얻는 방법을 설명합니다. 직접 3D 깊이 프로파일 재구성은 SIMS 관련 측정 아티팩트로 인해 달성하기 어려운 경우가 많습니다. 여기에 제시된 방법은 이 문제를 식별하고 해결하는 방법입니다. 세 가지 주요 문제가 논의되며, 여기에는 i) 플랫 필드 보정에 의해 보상되는 검출기의 불균일성; ii) 진공 배경 기여도(분석 챔버에 존재하는 잔류 가스의 기생 산소 수)를 추정하고 뺍니다. iii) 1차 이온 소스의 안정적인 시간 범위 내에서 모든 단계의 수행. 습식 화학 에칭은 재료의 위치와 전위 유형을 밝히는 데 사용되며, SIMS 결과는 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 얻은 이미지에 겹쳐집니다. 따라서 응집된 불순물의 위치는 특정 결함의 위치와 관련될 수 있습니다. 이 방법은 빠르며 정교한 시료 전처리 단계가 필요하지 않습니다. 그러나 고품질의 안정적인 이온 소스가 필요하며 기본 빔 매개변수의 열화를 방지하기 위해 전체 측정을 신속하게 수행해야 합니다.
2차 이온 질량 분석법(SIMS)은 검출 한계가 1,2,3,4,5,6인 오염 모니터링에 사용되는 잘 알려진 기술입니다. 진공 배경 기여는 측정 챔버에 잔류 가스 형태로 존재할 수 있는 가벼운 원소(예: 수소, 탄소, 질소, 산소)에 문제가 될 수 있습니다. Peres et al.은 이전에 배경 기여도를 추정하는 기술을 확립했습니다. 따라서, 오염 원자의 현실적인 농도를 결정할 수 있다7.
많은 물질에서 오염 원자의 분포는 균일하지 않습니다. 질화 갈륨 (GaN)의 경우는 산소가 주로 나사 및 혼합 전위 8,9,10,11을 장식하는 것으로 예측되기 때문에 특히 흥미 롭습니다. 대부분의 분석 방법은 저농도 오염 원자를 검출하기 위한 감도 또는 공간 분해능이 부족하다는 점을 고려할 때, 분리된 불순물의 3D 위치 파악이 가능한 SIMS 측정 절차를 개발하는 것이 필수적이다12.
많은 SIMS 분광기에는 위치 감지 검출기가 장착되어 있지만 깊이 프로파일의 직접적인 3차원(3D) 재구성은 GaN 샘플에서 산소 원자의 현실적인 분포를 얻기에 충분하지 않습니다. 검출기의 불완전성은 이미지를 왜곡하고 연구원이 오염 원자의 사실적인 분포를 얻지 못하게 할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 등록된 산소 수의 >90%가 분석 챔버에 존재하는 잔류 가스에서 발생하기 때문에 진공 배경 기여도가 가장 큰 문제입니다. 여기에는 이러한 각 문제를 식별하고 적절하게 해결하는 방법이 제시되어 있습니다.
검출기의 불균일성은 블랭크 실리콘 웨이퍼에서 테스트할 수 있습니다. 통합 시간이 길더라도 마이크로채널 플레이트 검출기에서 각 채널의 감도가 다르기 때문에 일부 2차 이온 이미지 불균일성이 관찰될 수 있습니다. 따라서 분리된 원자의 3D 분포에 대한 고품질 이미지를 얻기 위해서는 평면 필드 보정이 필요합니다.
진공 배경 기여는 분석 영역에 흡착된 진공에서 오염된 원자의 흐름과 관련이 있습니다. 프로세스가 동적이라는 점을 고려하면(즉, 샘플 표면이 1차 빔에 의해 지속적으로 스퍼터링됨) 분석된 영역의 각 지점이 이러한 산소 원자를 흡착할 확률이 동일하다고 가정할 수 있습니다. 더욱이, 그들은 거의 즉시 스퍼터링되고 분리할 시간이 충분하지 않습니다. 따라서 통계적 접근 방식이 가장 효율적입니다. 산소 수의 90%(또는 그 이상)를 무작위로 제거하면 산소가 응집된 영역이 드러납니다.
1차 빔의 안정성은 이러한 유형의 실험에 매우 중요하다는 점에 유의해야 합니다. 일정 시간이 지나면 빔의 강도와 균질성이 저하되어 이미지 품질이 저하됩니다. 따라서 빔의 안정적인 작동 시간을 추정하고 빔이 불안정해지기 전에 모든 실험을 수행하는 것이 중요합니다. 이 프로토콜은 불균일한 분포가 예상되는 다른 재료 및 검출된 원소에 쉽게 사용할 수 있습니다. 이를 습식 화학 에칭과 결합하는 것은 특히 흥미로운데, 이는 전위의 위치와 유형을 보여줍니다. 따라서, 응집된 불순물의 위치는 결함의 위치와 상관될 수 있다.
검출기의 불균일성과 진공 배경 기여 문제는 각각 플랫 필드 보정과 기생 수 빼기로 쉽게 해결할 수 있습니다. 뺄셈 절차는 산소가 응집된 기여도를 뺄 수 있으므로 완벽하지 않습니다. 반대로 다른 위치에서는 배경 카운트에 영향을 주지 않습니다. 따라서 일부 인위적인 카운트는 여전히 존재할 수 있지만 일부 실제 카운트는 감소할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 수용 가능한 결과를 제공할 수 있을 만큼 효율적이고 민감합니다.
1차 빔 불안정성이 가장 문제가 되는데, 1차 빔 파라미터의 열화로 인해 2차 이온 이미지가 흐려지기 때문입니다. 따라서 샘플에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 얻을 수 없습니다. 프로토콜의 섹션 3.2는 특히 중요합니다. 예를 들어, 잘 정렬된 빔의 경우 처음 30Si 2– 2 차 이온 이미지는 검출기의 불균일성을 반영하지만 일정 시간이 지나면 이미지가 변경되기 시작합니다. 이는 1차 빔 파라미터의 열화(즉, 1차 전류 손실, 디포커싱, 위치 드리프트 등)로 인해 발생합니다. 따라서 빔 안정성의 시간 범위를 추정하는 것이 중요합니다. 빔 초기화 후 2-3시간 후에 실험을 시작하는 것이 일반적으로 더 안정적이므로 시작하는 것이 좋습니다.
실험이 빔의 안정적인 시간 범위 내에서 수행되고 결과가 여전히 만족스럽지 않은 경우 기본 빔의 품질을 고려하는 것이 좋습니다. 작은 1차 빔의 경우, 2차 이온 이미지만 관찰하여 충분한 품질을 확인하는 것이 더 어렵습니다. 따라서 매우 평평한 재료(즉, 빈 실리콘 웨이퍼)의 ~1μm를 스퍼터링한 후 분화구 바닥에서 원자력 현미경 거칠기 테스트를 수행하는 것이 좋습니다. 제곱 평균 제곱근 거칠기가 1nm를 초과하면 1차 빔의 추가 최적화가 필요합니다.
빔의 크기는 이 방법의 측면 해상도를 제한합니다. SIMS는 빔 크기보다 작은 특징을 이미지화할 수 있지만 2차 이온 이미지는 1차 이온 빔의 모양과 크기를 상속합니다. 두 특징 사이의 거리가 빔의 크기보다 작으면 2차 이온 이미지가 두 특징을 함께 흐리게 합니다. 이러한 문제에도 불구하고 이 방법을 통해 사용자는 고체 상태 샘플에서 불순물/도펀트의 사실적인 3D 분포를 얻을 수 있습니다. 또한, 원자의 모든 공간적 분리는 결함 및 계면의 위치와 상관 관계가 있을 수 있습니다.
GaN 기반 구조(즉, 산소 장식)의 경우 국소 비방사성 재조합 센터 역할을 하는 전위가 n형 전도도를 담당합니다. 다른 재료의 경우 도펀트/오염 원자 분포의 불균일성은 장치의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 이 프로토콜은 고장 분석과 성장 및 처리 절차의 최적화에 특히 유용합니다.
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 2018/31/D/ST5/00399 및 OPUS10 2015/19/B/ST7/02163 프로젝트에서 미국 국립과학센터(NCN)SONATA14 부분적으로 지원되었습니다.
Heating plate with ceramic top plate | IKA – Werke GmbH | 3644200 | for defect selective etching; yellow MAG HP 7 |
Hydrochloric acid (HCl) solution 35-38% | Chempur | 115752837 | for etchant removal; pure p.a.; CAS: 7647-01-0 |
Magnesium oxide (MgO) | Chempur | 116140200 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1309-48-4 |
Potassium hydroxide (KOH) | POCH S.A. | 746800113 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1310-58-3 |
Sodium hydroxide (NaOH) | POCH S.A. | 810925112 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1310-73-2 |
Secondary ion mass spectrometer | CAMECA | IMS SC Ultra | |
Scanning electron microscope | Hitachi | SU8230 |