所提出的方法描述了如何识别和解决与二次离子质谱相关的测量伪影,以及如何获得固态材料中杂质/掺杂剂的真实 3D 分布。
所提出的方案结合了使用二次离子质谱(SIMS)的出色检测限(1 ppm至1 ppb)和合理的空间分辨率(~1 μm)。此外,它还描述了如何获得固态材料中分离杂质/掺杂剂的真实三维 (3D) 分布。由于与SIMS相关的测量伪影,通常很难实现直接的3D深度剖面重建。这里介绍的是一种识别和解决这一挑战的方法。讨论了三个主要问题,包括 i) 通过平场校正补偿探测器的不均匀性;ii) 估计和减去真空背景贡献(分析室中存在的残余气体中的寄生氧计数);iii)在一次离子源的稳定时间跨度内执行所有步骤。湿化学蚀刻用于揭示材料中位错的位置和类型,然后将SIMS结果叠加在通过扫描电子显微镜(SEM)获得的图像上。因此,团聚杂质的位置可能与某些缺陷的位置有关。该方法速度快,不需要复杂的样品制备阶段;然而,它需要高质量、稳定的离子源,并且必须快速进行整个测量,以避免主光束参数恶化。
二次离子质谱(SIMS)是一种用于污染监测的知名技术,具有出色的检测限1,2,3,4,5,6。对于轻元素(例如氢、碳、氮、氧)来说,真空背景贡献可能是有问题的,这些元素可能以残余气体的形式存在于测量室中。Peres等人之前建立了一种估计背景贡献的技术;因此,可以确定污染原子的实际浓度7.
在许多材料中,污染原子的分布并不均匀。氮化镓(GaN)的情况特别有趣,因为据预测,氧主要装饰螺杆和混合位错8,9,10,11。考虑到大多数分析方法缺乏检测低浓度污染原子的灵敏度或空间分辨率,因此必须开发一种能够对分离杂质进行 3D 定位的 SIMS 测量程序12。
虽然许多SIMS光谱仪都配备了位置敏感探测器,但深度剖面的直接三维(3D)重建不足以获得氮化镓样品中氧原子的真实分布。探测器的缺陷可能会使图像失真,并阻止研究人员获得污染原子的真实分布。然而,一个很大的问题是真空背景贡献,因为通常>90%的登记氧计数来自分析室中存在的残余气体。这里介绍的是一种识别和充分解决这些挑战的方法。
探测器的不均匀性可以在空白硅晶圆上进行测试。由于微通道板检测器中每个通道的灵敏度不同,即使是较长的积分时间也会导致观察到一些二次离子图像的不均匀性。因此,需要平场校正来获得偏析原子三维分布的高质量图像。
真空背景贡献与从真空吸附到分析区域的污染原子通量有关。考虑到该过程是动态的(即样品表面不断被主光束溅射),可以假设分析区域的每个点吸附这些氧原子的概率相同。此外,它们几乎立即被溅射,没有足够的时间进行分离。因此,统计方法是最有效的。随机消除 90%(或更多)的氧计数应揭示氧聚集的区域。
应该注意的是,主光束的稳定性对于这种类型的实验至关重要。一段时间后,光束的强度和均匀性会变差,从而降低图像质量。因此,必须估计光束稳定运行的时间跨度,并在光束变得不稳定之前进行所有实验。该协议可以很容易地用于其他材料和检测预计分布不均匀的元素。将其与湿化学蚀刻相结合特别有趣,湿化学蚀刻揭示了位错的位置和类型。因此,团聚杂质的位置可以与缺陷的位置相关联。
探测器的不均匀性和真空背景贡献问题很容易通过平场校正和寄生计数的减法来解决。减法程序并不完美,因为它可能会减去氧气聚集的贡献。相反,在另一个位置,它将使背景计数不受影响;因此,一些人为计数可能仍然存在,而一些实际计数会减少。然而,它足够高效和灵敏,可以提供可接受的结果。
初级光束不稳定性是最成问题的,因为初级光束参数的劣化会使二次离子图像模糊;因此,无法获得有关样品的可靠信息。协议中的第3.2节尤为重要。例如,对于对准良好的光束,第一个 30Si2– 二次离子图像反映了检测器的不均匀性,但一段时间后,图像将开始发生变化。这是由初级光束参数的劣化(即初级电流损耗、散焦、位置漂移等)引起的。因此,估计光束稳定性的时间跨度非常重要。建议在光束初始化后 2-3 小时开始实验,因为它通常更稳定。
如果实验是在光束的稳定时间跨度内进行的,但结果仍然不令人满意,建议考虑主光束的质量。对于较小的初级光束,仅通过观察二次离子图像来确认足够的质量更具挑战性。因此,建议在溅射~1μm非常平坦的材料(即空白硅晶圆)后,在陨石坑底部进行原子力显微镜粗糙度测试。如果均方根粗糙度大于 1 nm,则需要进一步优化主光束。
光束的大小限制了该方法的横向分辨率。SIMS可以对比束尺寸小的特征进行成像,但二次离子图像将继承一次离子束的形状和大小。如果两个特征之间的距离小于光束的大小,二次离子图像将使它们模糊在一起。尽管存在这些问题,该方法仍允许用户获得固态样品中杂质/掺杂剂的真实 3D 分布。此外,原子的任何空间偏析都可以与缺陷和界面的位置相关联。
对于基于 GaN 的结构(即氧装饰),作为局部非辐射复合中心的位错负责 n 型电导率。对于其他材料,掺杂剂/污染原子分布的任何不均匀性都可能对器件的性能产生重大影响。因此,该协议对于生长和处理程序的故障分析和优化特别有用。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了国家科学中心(NCN)在2018/31/D/ST5/00399和OPUS10 2015/19/B/ST7/02163项目SONATA14的部分支持。
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 |