Устройство для анализа состава и распределения примесей в твердом теле

Устройство для анализа состава и распределения примесей в твердом теле

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s G 01 N 23/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4839737/25 (22) 25.06.90 (46) 07,08.92. Бюл, N. 29 (71) Специализированное конструкторскотехнологическое бюро с опытным производством Института электроники им, У.А.Арифова (72) А.З.Ильясов, А.В.Михайлин и P.À.Ñaäûков (56) Технология ионного легирования. Под ред, С.Памбы, M. Советское радио, 1975, с.

48.

J.Н. Patterson, А. Turkevich, Е,Franzgrote. Journ. Geophys. Research.

1968, ч 70, N6,,р, 1311. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА СОСТАВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ В

ТВЕРДОМ ТЕЛЕ (57) Использование; изобретение относится к области неразрушающих методов анализа

Изобретение относится к области методом анализа состава и распределения примесей в веществе с помощью заряженных частиц с массой m > 1 (ионов) и может быть использовано для определения состояния и поведения различных примесей в веществе в зависимости от характера технологической обработки при производстве, например, полупроводниковых приборов. а также при проведении исследовательских работ в области физики твердого тела.

Известно устройство для анализа состава и распределения примесей в твердом теле, содержащее в качестве источника заряженных частиц ускоритель ионов, держатель исследуемого образца, детектор и

„,5U„„1753381 Al состава и распределения примесей в веществе с использованием заряженных частиц.

Сущность изобретения: устройство включает в себя вакуумную камеру 1, радионуклидный источник 4 ионов, держатель 5 исследуемого образца и детектор 2 ионов, а также блоки 7, 8 регистрации и обработки сигналов, причем источник ионов расположен между детектором ионов и держателем образца на одной оси с ними, детектор ионов снабжен ограничительной диафрагмой. Геометрические параметры устройства выбраны из условия, что минимальный ( MMH) и максимальный (Омакс ) углы, образованные направлениями вылетевшего из источника и рассеянного на мишени иона, который может быть зарегистрирован детектором, находятся в диапазоне:

3,09 Йу(3,02 рад, 2,70 6,щ 2,53 рад, 2 ил. электронно-регистирующую аппаратуру, в котором исследуемыми образцами являются последовательно стравливаемые слои облученного материала.

Недостатками указанного технического решения являются низкое быстродействие и точность определейия местоположения примесей по глубине, обусловленные необходимостью проведения послоййого химического стравливания поверхности.

Процесс травления может длиться несколько часов, а точность локалйзации примесей определяется режимбм травления и, как правило, не превышает значейий 1-2 мкм.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому ре175338i

20 рассеянных частиц

<а 5

50

55 эультату является устройство, содержащее вакуумную камеру, держатель исследуемого образца, четыре радионуклидных источника заряженных частиц с коллиматорами, детектор рассеянных частиц, расположенный перед источниками, и регистрирующее устройство, состоящее из спектрометрического усилительного тракта и анализатора импульсов, выход которого может быть подсоединен к Э BM для обработки измеренных спектров. . Недостатки этого технического реше. ния — низкая экспрессность и связанная с этим точность проведения анализов, обусловленная снижением потока заряженных частиц, падающих на исследуемый образец, за счет коллимации источника и использованием расположения детектора, при котором регистируется лишь малая часть

Цель изобретения — повышение экспрессности при сохранении точности анализа.

На фиг. 1 приведены аппаратурные спектры, полученные с помощью известного (спектр а) и описываемого (спектр б) устройств; на фиг. 2 — схема устройства.

Устройство содержит вакуумную камеру 1; в которой расположен детектор 2 рассеянных частиц (например, полупроводниковый детектор поверхностно-барьерного типа), рабочая поверхность которого выполнена в виде круга или кольца для повышения эффективности регистрации, с диафрагмой 3, определяющей углы рассеяния ионов гелия, источник 4 ионов гелия и держатель 5; предназначенный для крепления исследуемого образца 6, Источник 4 ионов расположен между детектором

2 рассеянных частиц и держателем 5 и на одной оси с ними, причем ось источника ионов перпендикулярна поверхности образца. Диафрагма 3 выполнена в виде кольца (например, иэ тантала или алюминия, толщиной 0,1 мм) или из.набора тонких ко- 45 лец и используется для предотвращения па-. разитного рассеяния, что является обычйым методическим приемом, Выход детектора 2 соединен с блоком регистрации, состоящим из спектрометрического усилителя 7, выполненного из двух секций — предусилителя и основного усилителя (не обозначены) (блок регистрации) и анализатора 9 импульсов (блок обработки сигналов), На фиг. 2 показаны два крайних случая рассеяния ионов гелия в предлагаемом устройстве, соОТВЕТСТВУЮЩЕЕ уГЛаМ бм11ин И бмакс

Угол б „,к, образуется траекториями иона гелия, вылетевшего из к 1ей точки источника, определяемой радиусом г„, испытавшего рассеяние на противоположной ей относительно оси симметрии крайней точке образца, определяемой радиусом гв, и пролетевшего после рассеяния в непосредственной близости от точки, определяемой радиусом rg, причем она лежит на одном радиусе с точкой вылета иона.

Угол 0«, oáðàçóåòcÿ траекториями иона гелия, также вылетевшего из крайней точки источника, определяемой радиусом г11, испытавшего рассеяние на одной из точек образца, лежащих по другую сторону оси (величина ее радиуса не имеет принципиального значения, так как получаемые углы Омин будут иметь близкие значения), и пролетевшего после рассеяния в непосредственной близости от крайней точки однОго иэ колец диафрагмы с радиусом rg, причем точка рассеяния и точка с радиусом rg лежат с одной стороны оси, а точка вылета — с другой.

При определении углов О,„и

0ìÂêñ предполагается, что указанные точки и ось симметрии устройства лежит в одной плоскости.

Геометрические параметры устройства связаны следующими соотношениями

III C

rg =2 (l — n — h)ctg — "" ru (2)

Омин где rg — внутренний диаметр диафрагмы; го — радиус исследуемого образца;

Й11 — радиус корпуса источника; гн — радиус активного пятна источника;

h — высота корпуса источника;

n — расстояние от задней плоскости корпуса источника до рабочей поверхности детектора;

I расстояние от образца до рабочей поверхности детектора;

Омин, Омакс — соответственно минимальный и максимальный углы, образованные направлениями вылетевшего из источника и рассеянного на мишени иона, который может быть зарегистриован детектором: 3,09 « Matc «3, 02 рад, 2,70 «Омин «2,53 рад.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы выбрать геометрию измерений, позволяющую наиболее полно, с наименьшими потерями использовать для анализа поток частиц, вылетающих из источника, сохранив необходимую разрешающую способность устройства, и таким образом повысить точность и экспрессность по сравнению с известным устройством.

1753381

В отличие от известного устройства в описываемом устройстве облучение исследуемого образца производится неколлимиp0BBHHblM пучком ионов, что увеличивает коэффициент использования потока вылетающих из источника частиц.

Устройство позволяет регистрировать ионы, рассеянные в заданном диапазоне

О,щ(, >О > О и,, Таким образом, надо выбрать оптимальный диапазон углов, при котором сохранялась бы как необходимая разрешающая способность устройства, так и статистическая точность, Йиакс должен иметь значение, при котором была бы достаточная величина сечения рассеяния и сохранялась бы необходимая статистическая точность.

0M«:.äoëæåH быть не меньше того значения, при котором сохраняется разрешающая способность устройства.

В случае использования, например, источника ионов гелия типа ФАКТ-1 О,„с 3.,09 рад, ибо сечение рассеяния в этом диапазоне углов резко возрастает. Здесь же следует добавить, что угол Ом ко зависит от соотношения радиусов источника Во и го.

Кроме тото, углы большие О „, трудно реализовать практически, ибо для этого потребуется увеличение размеров образца для сохранения статистической точности.

Омин 2,53 рад, ибо при выборе меньших углов Омно разброс энергий рассеянных ионов будет больше разброса энергий ионов, вылетающих из источника ионов гелия, например ФАКТ-.1, и приведет к значительному ухудшению разрешающей способности устройства по массам исследуемых элементов.

Действительно, энергия рассеяния ионов Е1 однозначно связана с углом рассеяния О и массой атомов мишени М2 посредством так называемого кинематического фактора К

Е1= К Ео, гдеK=(М +М м1 сов О+(м — M1 з!и L9)2)1 2

М1+М2

Ер — энергия падающих ионов;

M1 — масса, иона.

В выбранном диапазоне углов разброс энергий рассеянных ионов, обусловленный указанным диапазоном углов, не превышает 100 кэВ и меньше разброса энергий ионов гелия, вылетающих из радионуклидного источника ионов гелия, например,"тйпа

ФАКТ-1, составляющего 100-200 кэВ, и не оказывает существенного влияния на форму энергетического спектра (точность измерения ухудшается при этом до 156 кэВ вместо, например, 120 кэВ), Здесь же следует массам, Исходя из выбранного диапазона углов были установлены зависимости (1) и (2), определяющие взаимное расположение ос15 новных компонентов устройства, Поскольку облучение образца происходит неколлимированным расходящимся потоком ионов гелия, то на каждой точке поверхности образца может произойти рас20 сеяние в диапазоне указанных углов; Выбирать радиус образца существенно меньше определяемого формулой (1) нецелесообразно, ибо при этом будет уменьшаться количество актов рассеяния, а следовательно, 25 и статистическая точность.

35

55

10

50 отметить, что энергия и тип ионов не являются определяющими параметрами для данной геометрии и в зависимости от определяемой толщины или примеси могут варьироваться. В предлагаемом техническом решении благодаря использованию, например, источника ФАКТ-1 диапазон возможных значений энергий существенно расширяется (до 4-5 МэВ), что позволяет повысить разрешающую способность по

В устройстве источник "окружен" кольцевым или круглым детектором, прйчем источник расположен перед детектором.

Такая замена позволяет значительно повысить эффективность, Это иллюстрируется фиг, 1, на которой представлены аппаратурные спектры, зарегистрированные за одинаковое время одной и той же спектрометрической аппаратурой и круглым полупроводниковым детектором при анализе образцов кремния с нанесенной на него пленкой оксида кремния и пленкой титана с помощью устройства, в котором используется 4 одинаковых радионуклидных источника ФАКТ-1, расположенных за детектором, и с помощью предлагаемого устройства с одним из этих источников

ФАКТ-1. Видно, что для достижения одинаковой статистической точности в случае известного устройства необходимо увеличить время измерения в 10 раз.

В устройстве используется кольцевой или круглый детектор, расположенный на одной оси с источником ионов и держателем образца.Указанные диапазоны углов являются установленными экспериментально компромиссными значениями,- ибо уменьшение угла рассеяния приводит к увеличению сечения рассеяния и, следовательно, скорости счета детектора, но это влечет за собой ухудшение энергетического, а следовательно, и массового разрешения. Кроме того, на скорость счета существенно влияет и величина

1753381

15

25

М2, ибо

40 телесного угла детектора, также зависящая от величины угла рассеяния.

Величина угла О акс определяется соотношением параметров источника R, и ru и лежит обычно в пределах 3,02 рад <О акс<3,09 рад. Углы Омакс меньше

3,02 рад на практике не встречаются, ибо радионуклидные источники выпускаются с возможно большим соотношением гцИ,.

Углы О акс больше 3,09 рад приводят к уменьшению телесного угла.

Выбор углов О ин больше 2,70 рад также приводит к уменьшению телесного угла (при фиксированном О акс ). Углы

|II H меньше 2.53 рад ухудшают энергетическое разрешение устройства за счет роста кинематического фактора, Так, для титана при Ео =4 МэВ, если уменьшить угол Оин, то энергия рассеяния ионов Е1 (О ) будет увеличиваться следующим образом

О = 2,53 рад, Ei = 2,9516 МэВ;

О = 2,44 рад, Е1 = 2,9760 МэВ;

О = 2,35 рад, E> = 3,0070 МэВ.

Таким образом, при уменьшении угла

О ин от 2,35 рад до 2,44 рад увеличение энергии Е будет: Е = E) (2,44 рад)- Е1(2,53 рад) = 25 кэВ, то при уменьшении угла до

2,53 рад Е = Е1 (2,35 рад) — E > (2,53 рад) = 55 кэВ, т,е. происходит увеличение разброса энергий в 2 раза.

С помощью устройства, показанного на фиг. 2, анализ осуществляется следующим образом.

Исследуемый образец 6 облучают потоком ионов, испускаемых, например, источ.ником и ионов гелия типа ФАКТ-1, которые рассеиваются на атомах основного материала и примесей или пленок, нанесенных на поверхность.

Анализируя энергетический спектр рассеянных ионов, определяют тип и концентрацию примесных атомов, Так, для случая ионов гелия с энергией 4 МэВ .при рассеянии на соседних атомах Be (М2 = 9) и Li (Mz = 7) разность энергий рассеянных ионов составит 200 кЭВ и может быть надежно определена современной аппаратурой.

Имея детектор 2 с достаточно высоким энергетическим разрешением 15-30 кэВ., можно на энергетическом спектре уверенно идентифицировать типы атомов, входящих в состав мишени, а по высоте соответствующих пиков (в случае пленок) или "ступеней" (в случае примесей) определить концентрацию или стехиометрический состав, ибо ордината (N»«) энергетического спектра пропорциональна количеству рассеивающих атомов, т.е. их концентрации, Ионы, попадая в мишень, тормозятся в ней, теряя часть своей энергии до момента, когда произойдет рассеяние. Аналогичный процесс происходит и после рассеяния до выхода иона из мишени. Поскольку ионы обладают высокой тормозной способностью, то по величине потерянной на торможение энергии можно судить о глубине залегания атома, на которой произошло рассеяние. Это позволяет определить толщины пленок или распределение по глубине залегания примесных атомов, Предположим, что атомы Mz, распределение которых по глубине основного материала Мз необходимо определить, находятся сразу у поверхности основного материала, Тогда ионы с энергией Ео будут рассеиваться на атомах М2, лежащих прямо на поверхности, и попадать в детектор, обладая энергией Е1 = К (М2)Ео. Рассмотрим теперь монослой атомов М2, лежащих на глубине х, Часть ионов проходит до этого слоя, не рассеиваясь, а лишь теряя часть своей энергии Е1 на пути х так, что когда они испытают рассеяние на атомах Mz, их энергия будет К (М2) (Е, - E1) а в детектор они попадут, потеряв еще на обратном пути часть энергии Ez и обладая таким образом энергией Е2 = К (М2) (Ес, - Е1) - Е2.

Зная тормозную способность ионов гелия (E) Мз в материале Мз, можно определить глубину залегания х монослоя атомов

ЛЕ

Ымз где N — атомная плотность

Если число рассеивающих атомов Mz на глубинедх равно числу рассеивающих атомов М2 на поверхности, то на спектре мы получим прямоугольник или близкую ему фигуру, обусловленную разрешающей способностью детектора. Если же число атомов

М2 на глубинедх будет больше или меньше, чем на поверхность, то мы получим соответствующего вида трапецию. Таким образом, можно судить о распределении атомов М2 по глубине, анализируя ординаты спектра (N»«), и о толщине слоя, анализируя абсциссы спектра (, Е).

Точность определения положения атомов составляет 300 A и зависит от качества детектирующей аппаратуры.

Работоспособность устройства была проверена на экспериментальной установ55 ке, состоящей из.вакуумной камеры, откачиваемой с помощью вакуумного насоса и азотной ловушки до давления 10 4 мм рт,ст„ в которой размещены кольцевой или круглый полупроводниковый детектор поверх1753381 ностно-барьерного типа с диафрагмой в виде набора из 4 тонких колец из тантала толщиной 0,1 мм с радиусом отверстия гв =

=10 мм, наружным радиусом, большим, чем радиус оправки детектора, источник ионов 5 гелия ФАКТ-1 на основе радионуклида полоний-210 активностью 10 с, испускаю9 -1 щий ионы гелия с энергией 4;7 МэВ, держатель образцов, позволяющий устанавливать в нем образцы радиуса r< = 60 мм. 10

Источник ионов гелия расположен между детектором и держателем образцов и на одной оси с ними. Радиус корпуса источника

R< = 6 мм, радиус активного пятна источника

ru = 3,5 мм, высота корпуса источника h = 4 15 мм, расстояние от задней плоскости корпуса источника до рабочей поверхности детектора n = 1,5 мм, расстояние от образца до рабочей поверхности детектора = 35 мм.

При таких соотношениях конструктивных 20 элементов и диапазоне углов рассеянных ионов 2,70 рад < О 3,05 рад размеры диафрагмы г = 10 мм, а образца ro = 18 мм, Выходдетектора через вакуумный разъ-. ем соединен с входом предусилителя.типа 25

1005 А, который в свою очередь соединен со входом основного .усилителя типа БУС2-97.

Усиленные и сформированные усилителем сигналы подаются на вход анализатора импульсов, снабженного цифропечатью и ком- 30 пьютером для обработки измеренных спектров.

С помощью устройства были исследованы образцы кремния с нанесенными на него пленками оксида и оксинитрида кремния, 35 вольфрама, вольфрама-титана и платины.

Время проведения анализа в среднем . составило 60-100 мм на один образец. Точность измерения была типичной для изме40 ф рений обратного резерфордовского рассеяния и составляла 3-4 тыс. отсчетов.

Использование изобретения позволяет значительно повысить акспрессность и точность анализа, а следовательно, при одинаковой статистической точности снизить стоимость одного анализа в 10 раз, Кроме того, если учесть, что стоимость 4 источников ФАКТ-1 составляет 5% стоимость устанонки, то предлагаемое техническое решение позволяет снизить его долю до

1,5%, т,е. сэкономить 3,5% стоимости установки, Формула изобретения . Устройство для анализа состава и распределения примесей в твврдом теле, включающее вакуумную камеру, радионуклидный источник ионов, держатель исследуемого образца и детектор ионов, расположенные в вакуумной камере, и блоки регистрации и обработки сигналов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения экспрессности при сохранении точности анализа, источник ионов расположен между детектором ионов и держателем исследуемого образца на одной оси с ними, детектор ионов снабжен ограничительной диафрагмой, ось источника ионов перпендикулярна поверхности образца, а расстояния источника от детектора и держателя образца, а также размеры диафрагмы, держателя образца и источника выбраны иэ условия, что минимальный О цн и максимальный 64 кс углы, образованные направляемыми вылетевшего иэ источника и рассеянного на мишени иона, который может быть зарегистрирован детектором, находятся в диапазонах 3,09 «64акс «3,02 рад, 2,70 «Омин «2,53 рад.

1753381 бил

Составитель А. Колесников

Техред М.Моргентал Корректор А, Ворович

Редактор В, Данко

Заказ 2764 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101