Способ послойного анализа твердых веществ

 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии вторичных ионов и может быть использовано для концентрационных распределений элементов по глубине в массивных объектах и тонких пленках, а также для изучения диффузионных процессов. Цель изобретения - повышение точности послойного анализа. Образцы из твер-: дых веществ, например окиси кремния и монокристаллического кремния, подвергают легированию эталонным элементом, бором, последовательно бомбардируя поверхность ионами различных значений 20,35, 50, 75 и 10 кэВ (Е,-ЕУ) п дозами в диапазоне частиц/см. Значения энергии выбирают из условия разрешения по глубине твердого вещества максимумов расйределений внедренных атомов эталонного элемента и соответствия первога максимума глубине, не § меньшей глубины поверхностного слоя, при распылении которого происходит стабилизация параметров потоков вторичных ионов. Реперные точки, по которым можно судить о толщине распыленного слоя, - это максимумы и минимумы. Зная концентрацию бора и глубины залегания экстремальных значений, определяют точность и послойное разрешение анализа по временным зависимостям потоков вторичных ионов бора и компонент, содержащихся в кремнии и окиси кремния, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЪЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3763694/24-21 .(22) 30.05.84 (46) 30.12.85. Бюл.М - 48 (71) Опытное конструкторско-технологическое бюро с Опытным производством Института металлофизики АН УССР, (72) В.М.Коляда, Ф.Ф.Комаров, И.С.Ташлыков и С.П.Ченакин (53) 621.384.6(088.8) (56) l. Мейер Дж. и др. Ионное легирование полупроводников. — М.:

Мир, 1973.

2. Черепин В.Т., Васильев М.А.

Вторичная ионно-ионная эмиссия металлов и сплавов. К.: Наукова думка, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 813240-, кл. G 01 Й 27/00, 1978 (прототип). (54) СПОСОБ ПОСЛОЙНОГО АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ. (57) Изобретение относится к области масс-спектрометрии вторичных ионов и может быть использовано для концентрационных распределений элементов по глубине в массивных объектах и тонких пленках, а также для изучения диффузионных процессов. Цель (5i)4 Н Ol 3 49/26 G Ol N 27/62 изобретения — повышение точности послойного анализа. Образцы из твер-. дых веществ, например окиси кремния и монокристаллического кремния, подвергают легированию эталонным элементом, бором, последовательно бомбардируя поверхность ионами различных. значений 20,35, 50, 75 и

10 кэВ (Е,-Е ) и дозами в диапазоне

10 -10 частиц/см . Значения энерБ !6

2 гии выбирают из условия разрешения по глубине твердого вещества максимумов распределений внедренных атомов эталонного элемента и соответствия первого. максимума глубине, не меньшей глубины поверхностного слоя, при распылении которого происходит стабилизация параметров потоков вторичных ионов. Реперные точки, по которым можно судить о толщине распыленного слоя, — это максимумы и минимумы. Зная концентрацию бора и глубины залегания экстремальных значений, определяют точность и послойное разрешение анализа по временным зависимостям потоков вторичных ионов бора и компонент, содержащихся в кремнии и окиси кремния.

1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1201920

Изобретение относится к масс-спек трометрии вторичных ионов и может быть использовано для анализа концентрационных распределений элементов по глубине в массивных объектах и тонких пленках, а также для изуче» ния диффузионных процессов.

Послойный анализ заключается в последовательном распылении тонких слоев твердого вещества первичными ионами, определении концентрации элементов или фаз в каждом слое и глубины залегания слоев, отсчитываемой от исходной. поверхности, а точность послойного анализа включает точности определений концентраций и глубин залегания.

Цель изобретения — повышение точности послойного анализа за счет применения ионно-лучевого легирования с переменной энергией первичных ионов эталонного элемента и сопоставлении временных зависимостей потоков вторичных ионов, а также расширение функциональных возможностей, На фиг.1 представлено распределение внедренных атомов эталонного элемента бора в окиси кремния; на фиг.2 — результаты легирования ионами бора монокристалла кремния.

Пробег ионов К в веществе зависит от массы М, энергии Е< и заряда

Е< иона, массы М> и плотности ) вещества где Ы вЂ” коэффициент, а распределение внедренных ионов по глубине вещества, близкое к гауссовому, может быть расчитано по формуле (х-Кш)

N(x) =йе ьк „ где х — глубина;

R — глубина расположения максимума распределения; й„- разброс пробегов;

R — средняя концентрация внедренных ионов на глубине

Г23 .

Возникающие в процессе ионнолучевого легирования радиационные дефекты типа вакансий и внедренных атомов повышают на несколько порядков коэффициенты диффузии внедренных элементов. Максимум распре" деления ионно-легированного элемен"

45 та смещен относительно максимума распределения дефектов вглубь вещества. Поэтому для снижения влияния радиационных дефектов на распределение внедренных ионов ионна-лучевое легирование при нескольких значениях энергии ионов проводят в порядке повышения энергии. При этом максимум распределения эталонного элемента формируется вне зоны максимальной концентрации дефектов, возникших от предшествующего легирования.

Разрешение по глубине твердого тела максимумов распределения внедренных атомов эталонного элемента означает отсутствие взаимного перекрытия этих максимумов, что выполняется при выборе таких значений энергий, при которых разность пробегов Rù иона с соседними по значению энергиями соизмерима с полушириной пика распределения на половине высоты максимума К „ (см. фиг. 1, величин 8, R щ, R д) .

Для монокристаллических твердых веществ дополнительное условие на отсутствие взаимного перекрытия максимумов эталонного элемента заключается в ограничении нижнего предела энергии ионно-лучевого

Ф легирования, при котором разрешается максимум каналированных ионов (Е ) с этой энергией и максимум неканалированных ионов с максимальной энергией (Е4) (см. Фиг.2, энергии Е и

Е4

При распылении поверхности ионнолегированного вещества наблюдается максимум потоков вторичных ионов, обусловленный окислением поверхности и насыщением ее ионами первичного пучка. После распыления слоя (обычно толщиной 500-10001) параметры потоков вторичных ионов стабилизируются. Следовательно, первый максимум распределения эталонного элемента должен находиться на глубине не меньшей этого слоя R .

Распределение эталонного элемента по глубине вещества, введенного при различных энергиях, имеет две характерные особенности — максимумы и минимумы между ними. Местонахождение этих особенностей, как отмечалось, определяется по табличным и расчетным данным и может быть проверено ядерно-физическими метода30

55 ми. Исходя из этого послойное распределение компонент твердого веще1 ства определяют сопоставлением временных зависимостей потоков вторичных ионов этих компонент с экстремальными значениями потока вторичных ионов эталонного элемента.

Повьппение точности послойного акали"а решается изменением энергии ионно-лучевого легирования эталонным элементом и сопоставлением вре менных зависимостей потоков вторичных ионов °

Пример. Образцы из твердых веществ — окиси кремния и монокристаллического кремния — подвергают ионно-лучевому легированию бором, последовательно бомбардируя поверхность ионами с энергией 20,35,50,75 и 100 кэВ (Е,-Е ) и дозами в диапазрне 10 -10 частиц/см . Значения

15 18 г энергий выбраны нз выражения (2) таким образом, что максимумы распределения внедренных атомов разрешаются друг относительно друга (см. фиг.1 и 2, результаты ионно"лучевого легирования ионами бора образцов соответственно из окиси кремния и монокристалла кремния в режиме каналирования вдоль оси (Ю>} . На фиг.1 и 2 показаны суммарные значения концентрации, значения

k ln ) p h ee

Минимальная энергия ионов бора взята из условия расположения первого максимума на глубине (фиг.1), равной сумме толщины поверхностного слоя, при распылении которого происходит стабилизация параметров вторичной ионной эмиссии (глубина п,1 плюс слой, равный полуширине на половине высоты максимума распределения бора (R>j.

Реперные точки, по которым можно судить о толщине распыленного слоя, это максимумы и минимумы. Зная концентрацию бора (суммированием отдельных распределений) и глубины залегания экстремальных значений, легко определить точность и послойное разрешение анализа по временным зависимостям потока вторичный ионов бора и компонент, содержащихся в кремнии и окиси кремния.

Учитывая, что в окиси кремния 8„; при Е = 20.кэВ составляет 1100 А, :а при Ег = 35 кэВ К = 1600 А, минимум между двумя максимумами

1201920 4 расположен на глубине 1350 А. Таким образом, расстояние между экстремумами и, соответственно, разрешение по глубине составляет 250 А. Это дает воэможность определять толщину распыленных слоев с относительной погрешностью 25Х.

По сравнению с прототипом, использование предлагаемого техни10 ческого решения, заключающегося в ионно-лучевом легировании твердого вещества ионами с несколькими значениями энергии и в сопоставлении временных зависимостей потоков вто15 ричных ионов компонент твердого вещества с экстремальными значени.— ями потока вторичных ионов эталонного элемента, позволяет снизить измеряемую толщину слоев до 250 А и та2О ким образом повысить точностЬ послойного анализа с 100 до 25Х, что отвечает требованиям элементного анализа примесей в металлах, сплавах н полупроводниках и дает экономи25 ческий эффект в сфере производства и контроля материалов микроэлектроники и эмиссионной техники, например при отбраковке и сортировке кремния с примесью бора. формула изобретения

1. Способ послойного анализа твердых веществ, включающий ионно-лучевое легированне твердого вещества заданным количеством атомов эталонного элемента, распыление ионно-легированного слоя пучком первичных ионов и определение концентрации твердого вещества в слое по потокам вторичных ионов эталонного элемента и исследуемых компонентов, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повьппения точности послойного анализа, ионно-лучевое легирование проводят при нескольких значениях энергии в порядке ее повыпения, причем значения энергии выбирают из условий разрешения по глубине твердого вещества максимумов распределений внедренных атомов эталонного элемента, и соответствия первого максимума глубине, не меньшей глубины поверхностного слоя, при распылении которого происходит стабилизация параметров потоков вторичных ионов, а послойное распределение компонен:тов твердого вещества определяют

;сопоставлением временных зависимос1201920

ГпуИна легира3ания борам, R.

Риг. 1

Глубина легира5ания баром, Ю

Фи3. g

ВНИИПИ Заказ 8098/54 Тираж б78 Пощщсное

Филиал ППП Патент, r.Óçòîðîä, ул.Проектная, 4 тей потоков вторичных ионов этих компонентов с экстремальными значе-. ниями потока вторичных ионов эталонного элемента ° 1

2. Способ по п.1, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможнос-тей эа счет обеспечения возможности анализа образца на большую глубину при анализе монокристаллических,твердых веществ, ионно-лучевое легирование проводят вдоль одной из ниэкоиндексных кристаллографических осей под углом, меньшим критического угла каналирования, а распыление ионно-легированного слоя проводят при углах бомбардировки пучком первичных ионов, превышающих

10 двойное значение критического угла каналирования.