王東雪

摘 要：采用SIMS相對靈敏度因子法，對碳化硅中硼含量的定量分析方法進行了系統(tǒng)的研究。通過對離子注入的參考樣品進行SIMS深度剖析測得RSF值，實現(xiàn)了碳化硅中硼雜質(zhì)含量的精確定量檢測。碳化硅中硼的檢測限可達到1e14atoms/cm3。

關(guān)鍵詞：碳化硅；二次離子質(zhì)譜；定量分析；硼摻雜

Abstract：SIMS relative sensitivity factor method was used to study the measurement method of boron content in silicon carbide. RSF was calculated by depth profiling the related ion-implanted sample. Precise quantitative analysis of Boron impurity content in Silicon Carbide was realized. Detection limit of Boron in Silicon Carbide is 1E14 atom/cm3.

Key words：silicon carbide； secondary ion mass spectrometry；quantitative analysis；boron doping

碳化硅（SiC）作為第三代寬帶隙半導體材料，以其優(yōu)良的物理化學特性和電學特性受到國際上廣泛重視。它的寬禁帶，飽和載流子漂移速度、較大的導熱率，高臨界擊穿電場，低介電常數(shù)、高硬度、抗磨損等優(yōu)異特性，是制造高溫、高輻射條件下工作的高頻大功率器件和高功率密度、高集成度電子器件的新型優(yōu)良半導體材料。

二次離子質(zhì)譜（SIMS）能分析全部元素、同位素以及化合物，具有很高的檢測靈敏度，能直接測量三維微區(qū)成分，已成為半導體雜質(zhì)分析中不可缺少的手段。

但由于二次離子發(fā)射的影響十分復雜，特別是基體化學環(huán)境常對二次離子產(chǎn)額有強烈的影響，這種基體效應（matrix effect）使SIMS定量分析更加困難[ 1 ]。

本文選用體材料碳化硅，用二次離子質(zhì)譜儀分析了注入的非金屬硼原子在碳化硅中的深度分布，并對碳化硅中硼的定量分析進行了實驗研究。通過對相對靈敏度因子（RSF）的測定，定量地分析了碳化硅中硼的含量。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

在高真空條件下，氧離子源產(chǎn)生的一次離子，經(jīng)過加速、純化、聚焦后，轟擊樣品表面，濺射出多種粒子，將其中的離子（即二次離子）引出，通過質(zhì)譜儀將不同荷質(zhì)比的離子分開，記錄并計算每個樣品的硼與硅（11B+/14Si+）的二次離子強度比，然后利用相對靈敏度因子法進行定量。

1.2 儀器與實驗條件

實驗所用儀器為法國CAMECA公司生產(chǎn)的IMS-4F型動態(tài)雙聚焦二次離子質(zhì)譜儀，并且具有較高的靈敏度和較好的深度分辨本領(lǐng)。對于硼元素的測量，為提高檢測的靈敏度，采用O2+作為一次離子束，檢測11B的正二次離子，一次離子能量為15kev，束流為900nA，掃描面積為250μm×250μm。

2 SIMS分析結(jié)果與討論

2.1 SiC中B的SIMS定量分析方法

二次離子質(zhì)譜定量分析，指的是通過有效實驗，盡可能收集某種元素的二次離子信號強度，以此判斷樣品中元素的原子濃度。因為粒子產(chǎn)生濺射，還有二次離子的發(fā)射機制相對比較復雜，所發(fā)生的基體效應較為顯著，若僅依靠理論，對SIMS定量分析中原子電離幾率的參數(shù)進行相互比較會有一定難度，因此我們可以選擇一種靈敏度因子法對元素中的濃度進行確立。

在對實踐進行分析過程中，選取基體材料的某種不變元素作為參考的依據(jù)，利用即將測定的元素與元素的二次離子的強度消除儀器參數(shù)的影響，這能夠從很大程度上降低基體效應測量的難度，所得測試結(jié)果相對準確。

所謂相對靈敏度是指一種元素相對于另一種元素（通常稱為參考元素）的靈敏度比值。相對靈敏度因子的定義為：

2.2 SiC中B定量分析的參考物質(zhì)

實驗所用的參考物質(zhì)校準法對于參考的物質(zhì)有較強的依賴性，通常有以下幾項要求：

1）與即將測定的物品基體具有一定相似性，防止產(chǎn)生基體效應；

2）基體的表面較為平整，橫向的排列具有均勻性；

3）穩(wěn)定性較強；

4）摻雜物質(zhì)濃度的最大不能超過1%，防止會對基體的成分和濺射速度產(chǎn)生影響；摻雜物質(zhì)濃度的最小值應該比儀器的測定成分大，約100倍，以此確保精準度[ 3 ]。

所用參考物質(zhì)幾乎能夠劃分為摻雜與離子注入兩類，這兩類參考物質(zhì)方法在SIMS定量分析中已經(jīng)得到了實際應用，但是因為無論是哪種離子，都會被注入的不同的基體之中，而且摻雜的劑量與濃度都能夠通過離子注入?yún)?shù)，便于進行控制，所以在進行半導體微量雜志的SIMS定量分析時，離子注入的參考物質(zhì)就會得到更加廣泛的使用。

2.3 圖形對比與結(jié)果分析

對取自同一碳化硅片的一組樣品進行了SIMS測試，計算得出B濃度的平均值2.1E16 atoms/cm3，高純碳化硅樣片中B的濃度為1.0E14 atoms/cm3。

3 實驗總結(jié)

二次離子質(zhì)譜法可以很好的運用在碳化硅材料中B雜質(zhì)的定量分析中，有助于對碳化硅材料各方面性能的評測。

參考文獻：

[1] 查良鎮(zhèn).二次離子質(zhì)譜.陸家和，陳長彥主編.表面分析技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，1987.

[2] 鄒慶生.二次離子質(zhì)譜定量分析的應用和基礎(chǔ)研究.{博士論文}北京：清華大學，1996.

[3] 鄒慶生，查良鎮(zhèn)，劉容等.真空科學與技術(shù)，1996.