Способ послойного анализа твердых веществ Советский патент 1985 года по МПК H01J49/26 G01N27/62 

Изобретение относится к масс-ciiefc 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 - повьшение 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 R в веществе зависит от массы М, энергии Е, и заряда И, иона, массы М и плотности а вещества

к.Л.Ц1М./мО.

где ui - коэффициентj а распределение внедренных ионов по глубине ве|щества, близкое к гауссовому, может быть расчитано по формуле

(X-Rjj;).

(2)

N(x) ne лК

где X - глубина;

глубина расположения максимума распределения; разброс пробегов; п - средняя концентрация внедренных ионов на глубине Rm И.

Возникающие в процессе ионно- лучевого легирования радиационные дефекты типа вакансий и внедренных атомов повьшают на несколько порядков коэффициенты диффузии внедренных элементов, Максимум распределения ионно-легированного элемента смещен относительно максимума распределения дефектов вглубь вещества. Поэтому для снижения влияния радиационных дефектов на распределение внедренных ионов ионно-лучевое легирование при нескольких значениях энергии ионов проводят в порядке повышения энергии. При этом максимум распределения эталон ного 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 R иона с соседними по значению энергиями соизмерима с полушириной пика распределения на половине высоты максимума Н (

фиг.1, величин R , R,Rnl.

Для монокристаллических твердых веществ дополнительное условие на отсутствие взаимного перекрытия максимумов эталонного элемента

заключается в ограничении нижнего предела энергии ионно-лучевого легирования, при котором разрешается максимум каналированных ионов с этой энергией и максимум неканалированных ионов с максимальной энергией (ЕЛ (см. фиг.2, энергии Eg и

ЧПри распылении поверхности ионно-

легированного вещества наблюдается максимз потоков вторичных ионов, обусловленный Окислением поверхности и насьш1ением ее ионами первичного пучка. Посуте распыления слоя (обычно толщиной 500-1000А параметры потоков вторичных ионов стабилизируются. Следовательно, первый максимум распределения эталонного элемента должен находиться на глубине не меньшей этого слоя Rj.

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 методами. Исходя из этого послойное распределение компонент твердого вещества определяют сопоставлением временных зависимостей потоков вторичных ионов этих компонент с экстремальными значениями потока вторичны ионов эталонного элемента. Повышение точности послойного анализа решается изменением энергии ионно-лучёвого легирования эталонным элементом и сопоставлением вре1менных 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,-ЕЙ) и дозами в диапа.1С /-ifl 1 зрне 10 -10 ® частиц/см . Значения энергий выбраны из выражения (2) таким образом, что максимумы распре деления внедренных атомов разрешают ся друг относительно друга (см. фиг.1 и 2, результаты ионно-лучевог легирования ионами бора образцов соответственно иэ окиси кремния и монокристалла кремния в режиме каналирования вдоль оси «г (|1) . На фиг.1 и 2 показаны суммарные значения концентрации, значения R , mi п. Минимальная энергия ионов бора взята из условия расположения первого.максимума на глубине R (фиг. l), равной сумме толщины поверхностного слоя, при распылении которого происходит стабилиза1щя параметров вторичной ионной эмиссии (глубина R,) плюс слой, равньгй полу ширине на половине высоты максимума 1 распределения бора (Rn). Реперные точки, по которым можно судить о толщине распьшенного слоя, это максимумы и минимзтмы. Зная концентрацию бора (сугшированием отдельных распределений) и глубины залегания экстремальных значений, легко определить точность и послойное разрешение анализа по временным зависимостям потока вторичных ионов бора и компонент, содержащихся в кремнии и окиси кремния. Учитьшая, что в окиси кремния R при Е 20 кэВ составляет И00 А, -а при Ej 35 кэВ R 1600 А, минимум между двумя максимумами 20 расположен на глубине 1350 А. Таким образом, расстояние между экстремумами и, соответственно, разрешение по глубине составляет 250 А, Этодает возможность определять толщину распыленных слоев с относительной погрешностью 25%. По сравнению с прототипом, использование предлагаемого технического решения, заключающегося в ионно-лучевом легировании твердого вещества ионами с несколькими значениями энергии и в сопоставлении време:нных зависимостей потоков вторичных ионов компонент твердого вещества с экстремальными значени.ями потока вторичных ионов эталонного элемента, позволяет снизить измеряемую толщину слоев до 250 А и таКИМ образом повысить точность послойного анализа с 1QO до 25%, что отвечает требованиям элементного анализа примесей в металлах, сплавах и полупроводниках и дает экономический эффект в сфере производства и контроля материалов микроэлектроники и эмиссионной техники, например при отбраковке и сортировке кремння с примесью бора. Формула изобретения 1 .Способ послойного анализа твердых веществ, включающий ионно-лучевое легирование твердого вещества заданным количеством атомов эталонного элемента, распьшение ионно-легированного слоя пучком первичных ионов и определение концентрации твердого вещества в слое по потокам вторичных ионов эталонного элемента и исследуемых компонентов, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности послойного анализа, ионно-лучевое легирование проводят при нескольких значениях энергии в порядке ее повышения, 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 компоненTOB твердого вещества определяют сопоставлением временных зависимое

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.