二次离子质谱仪（S IM S ）的原理及应用

营养师

二次离子质谱仪（SIMS）作为表面分析领域的关键技术，以其高灵敏度和高分辨率在材料科学研究中占据重要地位。尤其在半导体材料的分析中，SIMS因其对微量元素的精确测量能力而成为不可或缺的工具。
半导体材料的导电性受微量掺杂元素的影响，而这些掺杂元素的浓度往往极低，且需要在微小区域内进行分析。传统的分析技术往往难以满足这些要求，而SIMS则能够应对这一挑战。它的高灵敏度使得即使是ppm甚至ppb级别的元素浓度也能够被准确测量，而高分辨率则能够精确揭示材料中的纵向分布信息。
随着技术的不断进步，现代SIMS已经具备了更高的分析精度和更小的分析区域。这使得SIMS在材料掺杂、杂质沾污等方面的分析中具有了不可替代的地位。无论是在实验室研究还是工业生产中，SIMS都发挥着重要作用，为半导体技术的发展提供了有力支持。
此外，SIMS还分为静态和动态两种类型。静态SIMS主要用于表面化学状态的分析，而动态SIMS则能够提供材料纵向分布的信息。这两种类型的SIMS各有其特点和应用领域，共同构成了表面分析领域的强大工具库。
综上所述，二次离子质谱仪（SIMS）以其高灵敏度和高分辨率在半导体材料分析中具有独特优势。随着技术的不断发展，SIMS将在更多领域展现其应用价值，为科学研究和技术进步做出更大贡献。
SIMS 基本原理
1  一次离子与固态材料的相互作用
固体材料在离子的轰击下溅射出各种各样的粒 子，包括电子、离子、分子离子和中性的原子及分子。 入射的一次离子的能量一般控制在 400EV- 15keV。 入射离子经过碰撞将能量传给固体中的原子。当能 量大于晶格束缚能时，原子就会被从晶格中撞出。撞 出的原子称为反冲原子 R（ecoil）在运动中再将能量 通过碰撞传给其它原子，由此而产生级连 C（ascade） 碰撞。当这一能量传递在表面结束而且其能量大于 表面束缚能时，则表面的原子就会被撞出，如图一所 示。由此可见出射粒子一是来自于表面第一原子层； 二是由次级碰撞所产生而非由入射离子与表面原子  的直接碰撞。
晶体在离子的轰击下将产生两个现象。一是离 子注入；二是溅射，即表面原子被撞出。通过对离子 能量和入射角度的选择可以控制哪一现象为主。

SIMS一般一次离子的能量为几千 eV，而入射角度， 即入射离子与表面垂直的角度，约为 25- 60 度。当 入射与出射达到平衡后，表面将形成一层入射离子 与晶体材料的混合体。例如，Si 材料在氧离子的轰击 下，设溅射产额是二分之一，即每入射两个氧离子有 一个 Si 原子被撞出。平衡时，即入射的氧等于出射 的氧，这时的表面就变成了 SiO2。
用，人们提出了两个相关的理论解释。一个称为BondBreaking。这种理论类似于离子键理论。晶体中的原子与氧形成极性键，由于氧的电子亲合力极强，出射的粒子将把电子留给氧原子而成为正离子。这一解释基本说明了碱金属和金属元素在氧离子轰击下具有高的离子产额，而电子亲合力强的非金属元素则不然。因此,分析这些元素一般采用氧作为一次离子。另一个称为ElectronTunneling。这一理论认为铯的存在改变了表面功函数，从而提高了电子穿透隧道的几率。当电负性强的元素离开表面时，容易得到电子成为负离子。在应用中对电子亲合力强的元素一般采用铯作为一次离子。二次离子为荷负电的粒子。

这两种理论都具有很大的限制。有很多现象还 不能给以解释，甚至有些是相反的。但是，在实际应 用中采用氧或铯作为一次离子可以对从 H 到 U 的 所有元素进行分析。
2、二次离子质谱仪
图一 入射离子与固体材料的相互作用

动态SIMS有两类。一类是应用磁偏转来得到质谱；另一类是通过四极子 Q（uadruple）中的振荡电场得到质谱。图二给出它们的示意图。

SIMS 是由离子源、一次离子电镜、样品室、二次 离子电镜、能谱仪、质谱仪、二次离子探测器组成。磁 偏转 SIMS 的特点是具有高的传输率，可以收集到 40%的二次离子。另一个最主要的优点是高质量分
辨率，即 M/?M 可以达到 10，000 。而 QUADSIMS 只 有 300。而且它的传输率也只有 1%。其优点是可以 对非导体进行分析。表一给出这两种 SIMS 在性能 上的比较。
表一 磁偏转 SIMS（CAMECA）
与 4 极子 SIMS（QUADSIMS）比较


4、SIMS 的应用
SIMS 主要应用于对掺杂、杂质沾污和材料成份 的定量分析。由于它具有极高的灵敏度，特别适合于 对半导体材料的分析。由于理论上还不能对二次离 子数与浓度的关系进行计算，定量分析是通过对标 准样品的测量来进行的。在浓度低于 1%的情况下， 离子的产额与浓度呈线性关系。通过标准样品可以

计算出所分析元素相对于材料的元素离子产额的相 对系数。利用这一系数便可将分析样品的二次离子 数转换成元素的浓度。
图三给出一个典型的 P 在 Si 中注入后的分布。 左边是 SIMS 的原始结果离子数 VS 时间的关系曲 线。小的插图是经过离子轰击后的分析区域，呈现出 一个正方型的坑。通过对标准样品的分析，将离子数 转换成浓度；通过测量溅射坑深度，将时间转换为深 度。我们便得到了右边的结果，P 掺杂浓度的纵向分 佈曲线。
1、 高精度分析（HPIC）
Evans 分析集团拥有一套标准的 HPIC 测量程 序，在 P 和 As 注入剂量的测定中，其精度相对标准


图四 SIMS 对 As 注入剂量的测定。
图中列出了对来自五台离子注入机样品的分析结果


图三 P 在 Si 中分布的 SIMS 原始图和数据处理后的结果。
插图是离子溅射留下的坑。

误差 σ≤2%，而对 B 的测量其 σ≤1% 。高精度 分析主要应用在对掺杂剂量和分布的测定。 HPIC 广泛应用于对离子注入机的校准，例如， 注入剂量参数的一致性。图四给出对五台离子 注入机 AS 剂量的测定结果。其结果显示相对 标准误差 σ=0.31%。由于在实验误差范围内，结 论是这五台离子注入机的剂量控制参数是一致 的。
一台离子注入机在使用前有三个参数需要 校准，注入剂量、能量和均匀度。表二给出对一 12 英吋晶圆 P 注入剂量的测量结果。从左至右
共测量了五个点。其 σ=0.31%。结果证明离子注入的 剂量在整个晶片范围是均匀一致的。
HPIC 的另一应用是对分布的测量。象 PN 结结 深的测定、退火后的再分布。图五给出样品经过四种 不同退火条件后注入的 B 元素再分布的结果。其中
表二 12 英吋晶片 P 注入剂量均匀性的测量结果


Wafer1 与 Wafer2  的扩散前沿相差只有 10!。

唯一的选择。特别是过渡族金属沾污，它们在禁带中 产生深能级成为复合中心，导致漏电流升高、击穿电 压下降、等一系列后果，因此，对此类元素沾污的控 制一直是 IC 制造中的重要考量之一。
表三列出主要元素在 SI 中的最低可测量浓度。 对过渡族金属元素，如 Cr、Fe、Ni、Cu 等测量极限低 于 ppm，而 Cr 低到十亿分之一
pb）。Au 是另一个 有害元素，其测量极限可以低到 ppb 数量级。
SIMS 在杂质沾污分析上的另一特点是提供纵 向分布的信息。图六是对 SOI 样品的分析结果。从图 中可以看出在 SiO2/Si 界面 Si 一侧有 Fe 的沾污。这 一结果可以帮助制造者找到沾污的来源。
2  杂质沾污的分析
与金属材料不同，在半导体材料中微量元素的

3 微区分析
微区在这里定义为 10μm左右。SIMS 分析区


图五 B 在 Si 中的分布曲线。四个样品掺杂了相同剂量的 B，但经历了不同的退火条件。图中可以看出其 B 的扩散
深度随退火条件而变化。其中样品 #1 与样品 #2 扩散深
度只差 10"  ，而 SIMS 可以将这一差别清楚的分辨出来。 沾污可以导致器件性能的退化甚至失效。所谓微量 是指在百万分之一
pm）数量级。对如此低浓度的 杂质进行测量，特别是还要找出它的分布，SIMS 是


图六 Fe 在 SO I 样品中的沾污
域的尺度是由一次离子束的聚焦决定的。目前，无  论是氧还是铯最小可以聚焦到 1μm。因此，最小的 分析区域一般要大于 10μm。
图七给出对 B 的微区分析实例。在这一分析中 采用氧为一次离子。离子扫描范围为 10X10μm2。二
表三 Si 中的最低可测量浓度，atom/cm3


次离子是从中心半径为 3μm 的区域内得到。其中圆 形区为 B 掺杂区。这种分析大多数情况是针对接近 制成的样品的分析。常常与质量控制或失效分析有 关。
4  失效与解剖分析
在失效分析方面 SIMS 能够提供多方面的信 息。例如，掺杂与分布是否满足设计要求、工艺过程 中是否在有源区引入了沾污等等。从这一角度说，与 一般 SIMS 的应用没有什么区别。但由于失效分析 往往面对的是将要或已制成的样品，因此，在分析前 需要先对样品进行处理，使其满足 SIMS 分析对样 品的要求。对样品的处理包括化学和机械两个方面。 目前，EVANS 发展出一套对样品的处理方法。在失 效与解剖分析中将不可能变为可能。
作为一个实例，图八给出一个对发光器件解剖


图七 B 掺杂的微区分析实例。在这一分析中采用氧为 一次离子。离子扫描范围为 10X10μm2。二次离子是从 中心半径为 3μm 的区域内得到。


图八 发光器件的解剖分析。元素是以 A，B，C，D 来代替的。
插图显示的是处理后的样品和 SIMS 分析后留下的溅射坑。
管芯从基座上取下，然后将它固定在一片光滑的半导 体芯片上。用适当的方法将管芯保护起来后，将表面 的金属电极和介质膜去掉。之后便可以进行 SIMS 分 析了。图八给出这一器件的结构。其中的插图显示经 过处理后的样品及 SIMS 分析后留下的溅射坑，其尺 度大约为 50X50μm2。对结构、掺杂、沾污等的分析可 以在一个样品上完成。这在失效与解剖分析上是十分 重要的。因为不同的样品结果可能是不一样的。
五、结束语
SIMS 在 IC 研发与生产中能够提供多种多样

信息。这些信息在新产品的开发、产品质量的控制中 往往是不可缺少的。由于时间和篇幅的考量，本文对 SIMS 的介绍是相当不完整的。有兴趣的读者可以从 我们的网站 http://www.eaglabs.com 得到更多的信息。我们 也将在今后的文章中提供更多有关 SIMS 的应用。C I

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