3D عمق الشخصي إعادة بناء الشوائب المنفصلة باستخدام مطياف الكتلة الأيونية الثانوية
Summary
تصف الطريقة المقدمة كيفية تحديد وحل القطع الأثرية للقياس المتعلقة بمطياف الكتلة الأيونية الثانوية وكذلك الحصول على توزيعات 3D واقعية للشوائب / dopants في مواد الحالة الصلبة.
Abstract
يجمع البروتوكول المقدم بين حدود الكشف الممتازة (1 جزء في المليون إلى 1 جزء في البليون) باستخدام مطياف الكتلة الأيونية الثانوي (SIMS) مع دقة مكانية معقولة (~ 1 ميكرومتر). علاوة على ذلك ، فإنه يصف كيفية الحصول على توزيعات واقعية ثلاثية الأبعاد (3D) للشوائب / dopants المنفصلة في مواد الحالة الصلبة. غالبا ما يكون من الصعب تحقيق إعادة بناء ملف تعريف عمق 3D المباشر بسبب أدوات القياس المتعلقة ب SIMS. تظهر هنا طريقة لتحديد هذا التحدي وحله. تمت مناقشة ثلاث قضايا رئيسية ، بما في ذلك أ) عدم انتظام الكاشف الذي يتم تعويضه عن طريق تصحيح المجال المسطح. ب) مساهمة خلفية الفراغ (تعداد الأكسجين الطفيلي من الغازات المتبقية الموجودة في غرفة التحليل) يتم تقديرها وطرحها ؛ و iii) أداء جميع الخطوات خلال فترة زمنية مستقرة لمصدر الأيونات الأساسي. يستخدم النقش الكيميائي الرطب للكشف عن موضع وأنواع الخلع في المادة ، ثم يتم تثبيت نتيجة SIMS على الصور التي تم الحصول عليها عن طريق المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). وبالتالي ، يمكن أن يرتبط موضع الشوائب المتكتلة بموضع بعض العيوب. الطريقة سريعة ولا تتطلب مرحلة تحضير عينة متطورة ؛ ومع ذلك ، فإنه يتطلب مصدر أيون عالي الجودة ومستقر ، ويجب إجراء القياس بالكامل بسرعة لتجنب تدهور معلمات الحزمة الأولية.
Introduction
قياس الطيف الكتلي الأيوني الثانوي (SIMS) هو تقنية معروفة تستخدم لمراقبة التلوث مع حدود كشف ممتازة1،2،3،4،5،6. يمكن أن تكون مساهمة الخلفية الفراغية مشكلة بالنسبة للعناصر الخفيفة (مثل الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين) ، والتي قد تكون موجودة في شكل غازات متبقية في غرفة القياس. بيريز وآخرون وضعوا سابقا تقنية لتقدير المساهمة الأساسية. وبالتالي ، يمكن تحديد تركيز واقعي للذرات الملوثة7.
في العديد من المواد ، لا يكون توزيع الذرات الملوثة موحدا. حالة نيتريد الغاليوم (GaN) مثيرة للاهتمام بشكل خاص ، حيث من المتوقع أن يزين الأكسجين بشكل أساسي الخلع اللولبي والمختلط8،9،10،11. بالنظر إلى أن معظم الطرق التحليلية تفتقر إلى الحساسية أو الدقة المكانية للكشف عن الذرات الملوثة منخفضة التركيز ، فمن الضروري تطوير إجراء قياس SIMS قادر على توطين 3D للشوائب المنفصلة12.
في حين أن العديد من مطياف SIMS مجهز بكاشفات حساسة للموضع ، فإن إعادة البناء المباشر ثلاثي الأبعاد (3D) لملف تعريف العمق غير كاف للحصول على توزيع واقعي لذرات الأكسجين في عينة GaN. قد يؤدي نقص الكاشف إلى تشويه الصورة ومنع الباحثين من الحصول على توزيع واقعي للذرات الملوثة. ومع ذلك ، فإن المشكلة الكبيرة هي مساهمة الخلفية الفراغية ، حيث عادة ما تنشأ >90٪ من أعداد الأكسجين المسجلة من الغازات المتبقية الموجودة في غرفة التحليل. تظهر هنا طريقة لتحديد كل من هذه التحديات وحلها بشكل مناسب.
يمكن اختبار عدم انتظام الكاشف على رقاقة سيليكون فارغة. حتى وقت التكامل الطويل يمكن أن يؤدي إلى ملاحظة بعض عدم انتظام صورة الأيونات الثانوية ، بسبب الحساسية المتفاوتة لكل قناة في كاشف لوحة microchannel. لذلك ، هناك حاجة إلى تصحيح المجال المسطح للحصول على صور عالية الجودة لتوزيعات 3D للذرات المنفصلة.
ترتبط مساهمة خلفية الفراغ بتدفق الذرات الملوثة من الفراغ الممتز إلى منطقة التحليل. بالنظر إلى أن العملية ديناميكية (أي أن سطح العينة يتم رشه باستمرار بواسطة الحزمة الأولية) ، يمكن افتراض أن كل نقطة من المنطقة التي تم تحليلها لها نفس الاحتمال لامتصاص ذرات الأكسجين هذه. علاوة على ذلك ، يتم التخلص منها على الفور تقريبا وليس لديها الوقت الكافي للفصل. لذلك ، فإن النهج الإحصائي هو الأكثر كفاءة. يجب أن يكشف التخلص العشوائي من 90٪ (أو أكثر) من عدد الأكسجين عن المناطق التي يتكتل فيها الأكسجين.
تجدر الإشارة إلى أن استقرار الحزمة الأولية أمر بالغ الأهمية لهذا النوع من التجارب. بعد مرور بعض الوقت ، تتدهور شدة وتجانس الحزمة ، مما يقلل من جودة الصورة. لذلك من الضروري تقدير الفترة الزمنية للتشغيل المستقر للحزمة وإجراء جميع التجارب قبل أن تصبح الحزمة غير مستقرة. يمكن استخدام البروتوكول بسهولة للمواد الأخرى والعناصر المكتشفة التي يتوقع فيها التوزيع غير المنتظم. من المثير للاهتمام بشكل خاص الجمع بين هذا والنقش الكيميائي الرطب ، والذي يكشف عن مواقع وأنواع الخلع. وبالتالي ، يمكن ربط موضع الشوائب المتكتلة بموضع العيوب.
Protocol
Representative Results
Discussion
من السهل حل مشكلات عدم انتظام الكاشف ومساهمة الخلفية الفراغية عن طريق تصحيح المجال المسطح وطرح الأعداد الطفيلية ، على التوالي. إجراء الطرح ليس مثاليا ، لأنه قد يطرح مساهمة حيث تم تكتل الأكسجين. في المقابل ، في الموضع الآخر ، سيترك عدد الخلفية غير متأثر ؛ وبالتالي ، قد تظل بعض التهم الاصطناعية موجودة بينما يتم تقليل بعض الأعداد الحقيقية. ومع ذلك ، فهي فعالة وحساسة بما يكفي لتقديم نتائج مقبولة.
عدم استقرار الحزمة الأولية هو الأكثر إشكالية ، حيث أن تدهور معلمات الحزمة الأولية سيؤدي إلى طمس صورة الأيونات الثانوية ؛ وبالتالي ، لا يمكن الحصول على معلومات موثوقة حول العينة. القسم 3.2 في البروتوكول مهم بشكل خاص. على سبيل المثال ، بالنسبة لحزمة محاذاة جيدا ، تعكس أول صورة أيون ثانوية 30Si2– عدم انتظام الكاشف ، ولكن بعد مرور بعض الوقت ، ستبدأ الصورة في التغيير. يحدث هذا بسبب تدهور معلمات الحزمة الأولية (أي فقدان التيار الأولي ، وإلغاء التركيز ، وانحراف الموضع ، وما إلى ذلك). لذلك من المهم تقدير الفترة الزمنية لاستقرار الحزمة. ينصح ببدء التجربة بعد 2-3 ساعات من تهيئة الحزمة ، لأنها عادة ما تكون أكثر استقرارا.
إذا تم إجراء التجربة خلال فترة زمنية مستقرة للحزمة وكانت النتيجة لا تزال غير مرضية ، ينصح بالنظر في جودة الحزمة الأولية. بالنسبة لحزمة أولية صغيرة ، يكون من الصعب تأكيد الجودة الكافية من خلال مراقبة صورة أيونية ثانوية فقط. لذلك ينصح بإجراء اختبارات خشونة مجهر القوة الذرية في قاع الحفرة بعد رش ~ 1 ميكرومتر من مادة مسطحة جدا (أي رقاقة سيليكون فارغة). إذا كان متوسط خشونة الجذر التربيعي أعلى من 1 نانومتر ، فيجب إجراء مزيد من التحسين للحزمة الأولية.
يحد حجم الحزمة من الدقة الجانبية لهذه الطريقة. يمكن ل SIMS تصوير ميزات أصغر من حجم الحزمة ، لكن صورة الأيونات الثانوية سترث شكل وحجم الحزمة الأيونية الأولية. إذا كانت المسافة بين معلمين أصغر من حجم الحزمة ، فستقوم صورة الأيونات الثانوية بطمسهما معا. على الرغم من هذه القضايا ، تسمح الطريقة للمستخدمين بالحصول على توزيع 3D واقعي للشوائب / dopants في عينات الحالة الصلبة. علاوة على ذلك ، يمكن ربط أي فصل مكاني للذرات بموضع العيوب والواجهات.
بالنسبة للهياكل القائمة على GaN (أي المزينة بالأكسجين) ، فإن الاضطرابات التي تعمل كمراكز إعادة تركيب محلية غير إشعاعية هي المسؤولة عن الموصلية من النوع n. بالنسبة للمواد الأخرى ، قد يكون لأي عدم تجانس في توزيع الذرات المنشطات / الملوثة تأثيرات كبيرة على أداء الجهاز. وبالتالي ، فإن البروتوكول مفيد بشكل خاص لتحليل الفشل وتحسين إجراءات النمو والمعالجة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المركز الوطني للعلوم (NCN) في غضون SONATA14 مشاريع 2018/31 / D / ST5 / 00399 و OPUS10 2015/19 / B / ST7 / 02163.
Materials
| Heating plate with ceramic top plate | IKA – Werke GmbH | 3644200 | for defect selective etching; yellow MAG HP 7 |
| Hydrochloric acid (HCl) solution 35-38% | Chempur | 115752837 | for etchant removal; pure p.a.; CAS: 7647-01-0 |
| Magnesium oxide (MgO) | Chempur | 116140200 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1309-48-4 |
| Potassium hydroxide (KOH) | POCH S.A. | 746800113 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1310-58-3 |
| Sodium hydroxide (NaOH) | POCH S.A. | 810925112 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1310-73-2 |
| Secondary ion mass spectrometer | CAMECA | IMS SC Ultra | |
| Scanning electron microscope | Hitachi | SU8230 |
References
- Wittmaack, K. High-sensitivity depth profiling of arsenic and phosphorus in silicon by means of SIMS. Applied Physics Letters. 29, 552 (1976).
- Ber, B. Y., et al. Secondary ion mass spectroscopy investigations of magnesium and carbon doped gallium nitride films grown by molecular beam epitaxy. Semiconductor Science and Technology. 13, 71-74 (1998).
- Chiou, C. Y., Wang, C. C., Ling, Y. C., Chiang, C. I. Secondary ion mass spectrometry analysis of In-doped p-type GaN films. Applied Surface Science. 203-204, 482-485 (2003).
- Emziane, M., Durose, K., Halliday, D. P., Bosio, A., Romeo, N. In situ oxygen incorporation and related issues in CdTe/CdS photovoltaic devices. Journal of Applied Physics. 100, 013513 (2006).
- Matsunaga, T., Yoshikawa, S., Tsukamoto, K. Secondary ion yields of C, Si, Ge and Cs surface density and concentration in SIMS. Surface Science. 515, 390-402 (2002).
- Gnaser, H. SIMS detection in the 1012 atoms cm−3 range. Surface and Interface Analysis. 25, 737-740 (1997).
- Peres, P., Merkulov, A., Choi, S. Y., Desse, F., Schuhmacher, M. Characterization of LED materials using dynamic SIMS. Surface and Interface Analysis. 45, 437-440 (2013).
- Arslan, I., Browning, N. D. Role of Oxygen at Screw Dislocations in GaN. Physical Review Letters. 91, 165501 (2003).
- Hawkridge, M. E., Cherns, D. Oxygen segregation to dislocations in GaN. Applied Physics Letters. 87, 221903 (2005).
- Arslan, I., Bleloch, A., Stach, E. A., Ogut, S., Browning, N. D. Using EELS to observe composition and electronic structure variations at dislocation cores in GaN. Philosophical Magazine. 86, 4727-4746 (2006).
- Hautakangas, S., et al. Gallium and nitrogen vacancies in GaN: Impurity decoration effects. Physica B: Condensed Matter. 376-377, 424-427 (2006).
- Michałowski, P. P., Złotnik, S., Rudziński, M. Three dimensional localization of unintentional oxygen impurities in gallium nitride. Chemical Communications. 55, 11539 (2019).
- Kamler, G., Weyher, J. L., Grzegory, I., Jezierska, E., Wosiński, T. Defect-selective etching of GaN in a modified molten bases system. Journal of Crystal Growth. 246, 21-24 (2002).
- Zhuang, D., Edgar, J. H., Strojek, B., Chaudhuri, J., Rek, Z. Defect-selective etching of bulk AlN single crystals in molten KOH/NaOH eutectic alloy. Journal of Crystal Growth. 262, 89-94 (2004).
- . . SC-Ultra, User’s Guide. , (2005).
- Weyher, J. v. L., et al. Orthodox etching of HVPE-grown GaN. Journal of Crystal Growth. 305, 384-392 (2007).
