二次离子质谱仪（SIMS）分析技术及其在半导体产业中的应用

昌鹏

摘  要：二次离子质谱仪（SIMS）是一种成熟的应用广泛的表面分析技术，具有高灵敏度（ppm-ppb）和高分辨率。本文介绍了SIMS基本原理和分类及其在半导体产业中材料分析、掺杂和杂质沾污等方面的应用。

关键词：SIMS;半导体;表面分析;材料分析

1 前言

SIMS作为一种成熟的表面分析技术已经发展了半个世纪，最初主要是用在半导体产业的工艺研发、模拟和失效分析等，在近二、三十年来得到迅速发展，并逐渐推广到应用于金属、多层膜、有机物等各个领域。SIMS具有很高的微量元素检测灵敏度，达到ppm-ppb量级。其检测范围广，可以完成所有元素的定性分析，并能检测同位素和化合物。SIMS具有高的深度分辨率，通过逐层剥离实现各成分的纵向分析，深度分辨率最高能到一个原子层。

半导体材料通过微量掺杂改变导电性质和载流子类型，并且特征尺寸降到亚微米乃至纳米量级。上述特点使SIMS在半导体生产中的材料分析、掺杂和杂质沾污等方面得到广泛应用。

2 SIMS基本原理

SIMS是溅射和质谱仪的结合，可识别样品中的元素，因此是许多分析方案的首选测试手段。作为半定量的手段，在SIMS质谱图中二次离子的峰值并不能直接反应样品中元素的浓度。SIMS原理示意图如图1所示。能量在250 eV到30 keV的离子束轰击样品表面即可产生溅射现象。一次离子进入基体后会产生大量高强度但存在时间短促的碰撞级联，基体中的原子发生位置迁移。接近表面的原子得到足够能量会离开样品表面，称为溅射原子。溅射原子会以原子或分子团的形式离开表面并带上正电或负电，经过电场和磁场的筛选和偏转输入到质谱仪，由此SIMS可以得到样品表面的元素组成和分布。

图1 SIMS原理示意图

3 SIMS仪器类型

SIMS机台主要部分包括离子源、一次电镜、二次电镜、样品交换室、质谱仪、信号探测器等，整个腔体处于高真空状态之下。一次离子源分为液态金属离子源（Ga、In、Au、Bi）、气体离子源（O2、N2、Ar）、表面电离源（Cs、Rb）。液态金属离子源得到的束流直径最小，能达到50 nm，但是不能提高离子产率。而气体离子源和表面电离源能提高离子产率数个量级，其束流直径是数微米级别。目前主流SIMS的一次离子源为氧源和Cs源，氧源可提高正离子产率，Cs源可提高负离子的产率，实现对所有元素的分析。

根据一次束能量和分析纵向，二次离子质谱可分为动态SIMS和静态SIMS。根据质谱分离方式的不同，SIMS又可分为磁质谱、四级杆质谱仪和飞行时间分析质谱仪。其中磁质谱和四级杆质谱仪属于动态SIMS，飞行时间质谱仪属于静态SIMS。磁质谱仪分离不同质核比的离子到不同的抛物线轨迹上，通过在不同位置设置探测器可同時得到几种元素。其具有高达40%的传输率，质量分辨率达到10000。四级杆质谱仪通过在四极杆上施加一对交流和直流电压来达到分离某一特定质量的原子。在某个时间只能得到一种元素，其他元素都会被阻挡。四级杆质谱仪传输率约1%，分辨率仅300。飞行时间分析质谱仪将二次离子束加速到具有数keV的动能，不同质量的离子具有不同的速度，离子飞行时间仅取决于质量。其最大特点是没有二次离子的损失，每个数据点包含全谱图信息。通过降低脉冲频率可扩大质量分析范围，离子利用率最高，能实现对样品的全谱分析。

4 SIMS在半导体工艺中的主要应用

SIMS定性分析能根据所获得的二次离子质谱图进行元素鉴定。样品在受到离子照射时，除产生一价离子，还会产生二价离子、原子团离子、分子离子等，这些离子会影响质谱的正确鉴定。与此同时，应考虑同位素效应，SIMS中同位素比例接近自然丰度。SIMS定量分析涉及到将二次离子信号转变为浓度，需要在相同条件下测试标准样品得到相对灵敏度因子（RSF）。RSF与离子的有效产率有关，对于每种元素各不相同，同一元素在不同测试条件下也会有差异。在浓度深度曲线中，还需将原始数据中x轴的时间转换为深度，可通过测量坑深实现。

SIMS在半导体生产中应用包括：离子注入机台能量、计量、均匀性校准，掺杂与结构分析、杂质污染分析和失效分析。

离子注入的浓度和深度对半导体器件性能有极大影响，利用SIMS对掺杂元素的极高灵敏度特点可对掺杂元素的深度分布进行分析，从而确定在生产中离子注入机台参数是否正确，并确定新机台是否可以投入生产。比如注入角度不同，则会导致离子浓度在特定深度的浓度不同，可能导致电路不能正常开启。

SIMS可以监控CVD沉积工艺的质量，对掺杂元素均匀性、分布和生长比率等进行分析。通过SIMS结果的分析帮助工程师调节生长条件，确定最佳沉积工艺条件。

SIMS可分析表面杂质污染，用来判断芯片有源区是否洁净，以确保器件的电性质量及可靠性，比如一些金属污染会导致漏电流变高，使器件失效。另外，可以通过表面杂质污染来判断光阻厚度是否足够阻挡离子注入。如果能检测到离子注入的元素，则说明光阻厚度不够。

除此之外，SIMS可被用于多层结构的分析，在深度校准之后可验证其结构，并检查掺杂的均一性。在多层结构情况中，离子在每层的溅射速率和有效离子产率的差异都忽略不计，虽然没有完全定量，但也能基本上确定结构。一些新的SIMS测试方法也得到应用，比如从晶圆背面开始测试到正面的测试方法，可用于超浅结注入的浓度深度曲线测量。

5 结束语

随着我国半导体事业的飞速发展，二次离子质谱仪越来越多地出现在晶圆代工厂和科研院所，有力支持了产品的开发、质量管控和良率提升，相信SIMS会在其他材料分析领域得到更多的应用。

参考文献

[1] 周强.二次离子质谱（SIMS）分析技术及应用进展[J].质谱学报，2004，25（2）：113—118

[2] 田春生.二次离子质谱仪（SIMS）的原理及应用[J].中国集成电路，2005（8）：74-78.