שחזור פרופיל עומק תלת ממדי של זיהומים מופרדים באמצעות ספקטרומטריית מסת יונים משנית
Summary
השיטה המוצגת מתארת כיצד לזהות ולפתור ממצאי מדידה הקשורים לספקטרומטריית מסות יונים משנית וכן להשיג התפלגות תלת ממדית מציאותית של זיהומים / דופנטים בחומרי מצב מוצק.
Abstract
הפרוטוקול המוצג משלב מגבלות גילוי מצוינות (1 ppm עד 1 ppb) באמצעות ספקטרומטריית מסות יונים משנית (SIMS) עם רזולוציה מרחבית סבירה (~1 מיקרומטר). יתר על כן, הוא מתאר כיצד להשיג התפלגות תלת ממדית מציאותית (3D) של זיהומים / דופנטים מופרדים בחומרי מצב מוצק. שחזור פרופיל עומק תלת-ממדי ישיר הוא לעתים קרובות קשה להשגה עקב ממצאי מדידה הקשורים ל- SIMS. מוצגת כאן שיטה לזהות ולפתור אתגר זה. שלושה נושאים עיקריים נדונים, כולל א) אי אחידות של הגלאי להיות פיצוי על ידי תיקון שדה שטוח; 2) תרומת רקע ואקום (ספירות חמצן טפיליות מגזים שיוריים הנמצאים בתא הניתוח) מוערכת ומופחתת; ו-iii) ביצוע כל השלבים בטווח זמן יציב של מקור היונים הראשי. תחריט כימי רטוב משמש כדי לחשוף את המיקום ואת סוגי הנקע בחומר, ואז תוצאת SIMS מונחת על גבי תמונות המתקבלות באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). לפיכך, המיקום של זיהומים agglomerated יכול להיות קשור למיקום של פגמים מסוימים. השיטה מהירה ואינה דורשת שלב הכנת מדגם מתוחכם; עם זאת, הוא דורש מקור יונים איכותי ויציב, ויש לבצע את המדידה כולה במהירות כדי למנוע הידרדרות של פרמטרי הקרן העיקריים.
Introduction
ספקטרומטריית מסת יונים משנית (SIMS) היא טכניקה ידועה המשמשת לניטור זיהום עם מגבלות גילוי מצוינות 1,2,3,4,5,6. תרומת רקע ואקום יכולה להיות בעייתית עבור יסודות אור (למשל, מימן, פחמן, חנקן, חמצן), אשר עשויים להיות נוכחים בצורה של גזים שיוריים בתא מדידה. פרס ואחרים ביססו בעבר טכניקה להערכת תרומת רקע; לפיכך, ריכוז מציאותי של אטומים מזהמים ניתן לקבוע7.
בחומרים רבים, התפלגות האטומים המזהמים אינה אחידה. המקרה של גליום ניטריד (GaN) מעניין במיוחד, שכן הוא צפוי כי חמצן בעיקר מקשט בורג ונקעים מעורבים 8,9,10,11. בהתחשב בכך שרוב השיטות האנליטיות חסרות רגישות או רזולוציה מרחבית לאיתור אטומים מזהמים בריכוז נמוך, חיוני לפתח הליך מדידת SIMS המסוגל ללוקליזציה תלת ממדית של זיהומים מופרדים12.
בעוד ספקטרומטרים רבים של SIMS מצוידים בגלאים רגישים למיקום, שחזור תלת ממדי ישיר (3D) של פרופיל עומק אינו מספיק כדי להשיג פיזור מציאותי של אטומי חמצן בדגימת GaN. חוסר שלמות של הגלאי עלול לעוות את התמונה ולמנוע מהחוקרים להשיג התפלגות מציאותית של אטומים מזהמים. עם זאת, בעיה גדולה היא תרומת רקע ואקום, שכן בדרך כלל >90% מספירות החמצן הרשומות מקורן בגזים שיוריים הנמצאים בתא הניתוח. מוצגת כאן שיטה לזהות ולפתור כראוי כל אחד מהאתגרים הללו.
אי אחידות של הגלאי ניתן לבדוק על פרוסת סיליקון ריקה. אפילו זמן אינטגרציה ארוך יכול להוביל לתצפית של אי אחידות מסוימת של תמונת יונים משנית, בשל רגישות משתנה של כל ערוץ בגלאי לוחות מיקרו-ערוציים. לכן, תיקון שדה שטוח נדרש כדי לקבל תמונות באיכות גבוהה של הפצות 3D של אטומים מופרדים.
תרומת רקע ואקום קשורה לשטף של אטומים מזהמים מהוואקום הנספח לאזור הניתוח. בהתחשב בכך שהתהליך הוא דינמי (כלומר, משטח הדגימה מפוזר כל הזמן על ידי הקרן הראשונית), ניתן להניח כי לכל נקודה באזור המנותח יש את אותה הסתברות לספוח אטומי חמצן אלה. יתר על כן, הם כמעט מיד מפוצצים ואין להם מספיק זמן להפריד. לכן, גישה סטטיסטית היא היעילה ביותר. חיסול אקראי של 90% (או יותר) מספירות החמצן אמור לחשוף אזורים שבהם מצטבר חמצן.
יש לציין כי יציבות הקרן הראשונית חיונית לניסוי מסוג זה. לאחר זמן מה, עוצמת וההומוגניות של הקרן מתדרדרת, מה שמקטין את איכות התמונה. לכן חיוני להעריך את טווח הזמן של פעולה יציבה של הקרן ולבצע את כל הניסויים לפני שהקרן הופכת לבלתי יציבה. הפרוטוקול יכול לשמש בקלות עבור חומרים אחרים ואלמנטים מזוהים שבהם צפויה התפלגות לא אחידה. מעניין במיוחד לשלב זאת עם תחריט כימי רטוב, החושף את המיקומים וסוגי הנקע. לפיכך, המיקום של זיהומים agglomerated יכול להיות מתואם עם המיקום של פגמים.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעיות של חוסר אחידות של הגלאי ותרומת רקע ואקום קל לפתור על ידי תיקון שדה שטוח וחיסור של ספירות טפיליות, בהתאמה. הליך החיסור אינו מושלם, מכיוון שהוא עלול להחסיר תרומה שבה הצטבר חמצן. לעומת זאת, בעמדה השנייה, זה ישאיר את ספירת הרקע ללא השפעה; לכן, כמה ספירות מלאכותיות עדיין עשויות להיות נוכחות בעוד כמה ספירות אמיתיות מופחתות. עם זאת, הוא יעיל ורגיש מספיק כדי לספק תוצאות מקובלות.
חוסר יציבות הקרן הראשונית הוא הבעייתי ביותר, שכן הידרדרות פרמטרי הקרן הראשונית תטשטש את תמונת היונים המשנית; לפיכך, לא ניתן לקבל מידע אמין על המדגם. סעיף 3.2 בפרוטוקול חשוב במיוחד. לדוגמה, עבור קרן מיושרת היטב, תמונת היונים המשנית הראשונה של 30Si2 משקפת חוסר אחידות של הגלאי, אך לאחר זמן מה, התמונה תתחיל להשתנות. זה נגרם על ידי הידרדרות של פרמטרים הקרן הראשונית (כלומר, אובדן זרם ראשוני, defocusing, מיקום סחף, וכו ‘). לכן חשוב להעריך את טווח הזמן של יציבות הקרן. מומלץ להתחיל את הניסוי 2-3 שעות לאחר אתחול הקרן, מכיוון שהיא בדרך כלל יציבה יותר.
אם הניסוי מבוצע בטווח זמן יציב של הקרן והתוצאה עדיין אינה משביעת רצון, מומלץ לקחת בחשבון את איכות הקרן הראשונית. עבור קרן ראשונית קטנה, מאתגר יותר לאשר איכות מספקת על ידי התבוננות בתמונת יונים משנית בלבד. לכן מומלץ לבצע בדיקות חספוס במיקרוסקופ כוח אטומי בקרקעית המכתש לאחר פליטה ~1 מיקרומטר של חומר שטוח מאוד (כלומר, פרוסת סיליקון ריקה). אם ממוצע החספוס בריבוע השורש הוא מעל 1 ננומטר, נדרש אופטימיזציה נוספת של הקרן הראשית.
גודל הקרן מגביל את הרזולוציה הרוחבית של שיטה זו. SIMS יכול לצלם תכונות קטנות יותר מגודל הקרן, אך תמונת היונים המשנית תירש את הצורה והגודל של קרן היונים הראשית. אם המרחק בין שתי תכונות קטן מגודל הקרן, תמונת היונים המשנית תטשטש אותן יחד. למרות בעיות אלה, השיטה מאפשרת למשתמשים להשיג התפלגות תלת ממדית מציאותית של זיהומים / dopants בדגימות מצב מוצק. יתר על כן, כל הפרדה מרחבית של אטומים יכולה להיות מתואמת עם המיקום של פגמים וממשקים.
עבור מבנים מבוססי GaN (כלומר, מעוטרים בחמצן), נקעים הפועלים כמרכזי רקומבינציה מקומיים לא קרינתיים אחראים למוליכות מסוג n. עבור חומרים אחרים, לכל אי-הומוגניות של התפלגות האטומים המזהמים / דופנט עשויות להיות השפעות משמעותיות על ביצועי המכשיר. לפיכך, הפרוטוקול שימושי במיוחד לניתוח כשלים ואופטימיזציה של הליכי צמיחה ועיבוד.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה חלקית על ידי המרכז הלאומי למדע (NCN) במהלך SONATA14 2018/31/D/ST5/00399 ופרויקטים 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).
