碳化硅晶體中硼含量的SIMS定量分析方法研究

王東雪

摘 要：采用SIMS相對靈敏度因子法，對碳化硅中硼含量的定量分析方法進行了系統的研究。通過對離子注入的參考樣品進行SIMS深度剖析測得RSF值，實現了碳化硅中硼雜質含量的精確定量檢測。碳化硅中硼的檢測限可達到1e14atoms/cm3。

關鍵詞：碳化硅；二次離子質譜；定量分析；硼摻雜

Abstract：SIMS relative sensitivity factor method was used to study the measurement method of boron content in silicon carbide. RSF was calculated by depth profiling the related ion-implanted sample. Precise quantitative analysis of Boron impurity content in Silicon Carbide was realized. Detection limit of Boron in Silicon Carbide is 1E14 atom/cm3.

Key words：silicon carbide； secondary ion mass spectrometry；quantitative analysis；boron doping

碳化硅（SiC）作為第三代寬帶隙半導體材料，以其優良的物理化學特性和電學特性受到國際上廣泛重視。它的寬禁帶，飽和載流子漂移速度、較大的導熱率，高臨界擊穿電場，低介電常數、高硬度、抗磨損等優異特性，是制造高溫、高輻射條件下工作的高頻大功率器件和高功率密度、高集成度電子器件的新型優良半導體材料。

二次離子質譜（SIMS）能分析全部元素、同位素以及化合物，具有很高的檢測靈敏度，能直接測量三維微區成分，已成為半導體雜質分析中不可缺少的手段。

但由于二次離子發射的影響十分復雜，特別是基體化學環境常對二次離子產額有強烈的影響，這種基體效應（matrix effect）使SIMS定量分析更加困難[ 1 ]。

本文選用體材料碳化硅，用二次離子質譜儀分析了注入的非金屬硼原子在碳化硅中的深度分布，并對碳化硅中硼的定量分析進行了實驗研究。通過對相對靈敏度因子（RSF）的測定，定量地分析了碳化硅中硼的含量。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

在高真空條件下，氧離子源產生的一次離子，經過加速、純化、聚焦后，轟擊樣品表面，濺射出多種粒子，將其中的離子（即二次離子）引出，通過質譜儀將不同荷質比的離子分開，記錄并計算每個樣品的硼與硅（11B+/14Si+）的二次離子強度比，然后利用相對靈敏度因子法進行定量。

1.2 儀器與實驗條件

實驗所用儀器為法國CAMECA公司生產的IMS-4F型動態雙聚焦二次離子質譜儀，并且具有較高的靈敏度和較好的深度分辨本領。對于硼元素的測量，為提高檢測的靈敏度，采用O2+作為一次離子束，檢測11B的正二次離子，一次離子能量為15kev，束流為900nA，掃描面積為250μm×250μm。

2 SIMS分析結果與討論

2.1 SiC中B的SIMS定量分析方法

二次離子質譜定量分析，指的是通過有效實驗，盡可能收集某種元素的二次離子信號強度，以此判斷樣品中元素的原子濃度。因為粒子產生濺射，還有二次離子的發射機制相對比較復雜，所發生的基體效應較為顯著，若僅依靠理論，對SIMS定量分析中原子電離幾率的參數進行相互比較會有一定難度，因此我們可以選擇一種靈敏度因子法對元素中的濃度進行確立。

在對實踐進行分析過程中，選取基體材料的某種不變元素作為參考的依據，利用即將測定的元素與元素的二次離子的強度消除儀器參數的影響，這能夠從很大程度上降低基體效應測量的難度，所得測試結果相對準確。

所謂相對靈敏度是指一種元素相對于另一種元素（通常稱為參考元素）的靈敏度比值。相對靈敏度因子的定義為：

2.2 SiC中B定量分析的參考物質

實驗所用的參考物質校準法對于參考的物質有較強的依賴性，通常有以下幾項要求：

1）與即將測定的物品基體具有一定相似性，防止產生基體效應；

2）基體的表面較為平整，橫向的排列具有均勻性；

3）穩定性較強；

4）摻雜物質濃度的最大不能超過1%，防止會對基體的成分和濺射速度產生影響；摻雜物質濃度的最小值應該比儀器的測定成分大，約100倍，以此確保精準度[ 3 ]。

所用參考物質幾乎能夠劃分為摻雜與離子注入兩類，這兩類參考物質方法在SIMS定量分析中已經得到了實際應用，但是因為無論是哪種離子，都會被注入的不同的基體之中，而且摻雜的劑量與濃度都能夠通過離子注入參數，便于進行控制，所以在進行半導體微量雜志的SIMS定量分析時，離子注入的參考物質就會得到更加廣泛的使用。

2.3 圖形對比與結果分析

對取自同一碳化硅片的一組樣品進行了SIMS測試，計算得出B濃度的平均值2.1E16 atoms/cm3，高純碳化硅樣片中B的濃度為1.0E14 atoms/cm3。

3 實驗總結

二次離子質譜法可以很好的運用在碳化硅材料中B雜質的定量分析中，有助于對碳化硅材料各方面性能的評測。

參考文獻：

[1] 查良鎮.二次離子質譜.陸家和，陳長彥主編.表面分析技術.北京：電子工業出版社，1987.

[2] 鄒慶生.二次離子質譜定量分析的應用和基礎研究.{博士論文}北京：清華大學，1996.

[3] 鄒慶生，查良鎮，劉容等.真空科學與技術，1996.