表面分析技术在半导体材料中的应用

文/赵磊

对于半导体材料而言，其属于电子器件与电路的关键组成部分，对微电子技术水平的提升具有十分关键的影响与作用。随着器件集成度的增加，器件尺寸不断变小。器件生产加工阶段，材料表面或是界面特性对于器件工作性能、使用年限、安全可靠性等众多方面起到决定性作用，甚至超过半导体材料产生的作用影响。

1 常用表面分析技术

1.1 二次离子质谱SIMS

SIMS具备良好的灵敏度以及较大的纵向深度分辨率，材料处于纳米范围内出现的变化，可以通过高分辨率予以清晰直观的呈现。因此，该技术成为表面分析技术中应用非常广泛的技术。二次离子，是由于材料受到相应能量的离子不断轰击，彼此之间发生碰撞现象而形成的。达到一定速度时进入二次离子电镜系统，通过电磁场作用发生偏转现象，从而根据质量特征将离子进行有效分离。利用转换系数能够将分析样品中存在的二次离子数转换成元素的浓度，转换系数由标准样品经过分析测试获得。若杂质浓度不足材料密度1%，转换系数RSF则为常数。基于此，SIMS是针对浓度不足1%元素进行定量分析的重要方法，同标准误差σ进行对比，通常能够有效控制于5%范围内。

1.2 飞行时间二次离子质谱TOF-SIMS

TOF-SIMS主要是指二次离子受到电场作用产生不同速度，从而对质量各不相同离子进行有效分离的分析技术。TOF-SIMS具备良好的质量分辨率，测量质量范围相对较广，通常情况下，可以对材料表面单一原子层进行有效分析。针对部分元素灵敏度较高，能够处于PPM水平，TOF-SIMS通常能够提供表面元素相对值或单一元素表面二维图像，部分特殊情况下同样能够提供定量分析。TOF-SIMS适用于对表面玷污等情况进行分析，例如对Li、Na、Mg、Al表面金属玷污分析优势较为明显。其不仅能能够对 元素进行分析，还能够对微区做出有效分析。除此之外，也能够对光刻处理之后表面残留有机物做出准确分析。

1.3 X射线光电子能谱XPS

受到X光照射作用， 电子受激从材料表面位置产生发射，且其中存在少数携带元素特征值。比如Si2p电子的束缚能为99.3eV，而位于SiO2中能量则变化成103.5eV。电子束缚能作为元素特征值，同时还涵盖元素化学信息。比如，对于颜色各不相同的一对Si晶片做出有效分析，Si2p电子能谱可以清晰直观的显示Si晶片表面下部位置存在一层SiO2。通过Si+4发射出的能量的电子不断变多。正常颜色硅位于表面位置产生大量电子，表面位置经过自然氧化产生SiO2膜，表面下部位置则为纯净Si。

XPS对介质膜进行分析应用十分广泛，可以对SiON薄膜厚度以及N剂量做出准确的分析检测，且相对误差较小，仅为0.2%。

1.4 俄歇电子能谱AES

AES即俄歇电子能谱，AES具备较大纵深分辨率。能够达到毫微米数量级。因为电子处于固体内部存在较小的自由程，唯有近表面位置存在的部分原子层内电子可以通过初始能量逸出。AES同时具备较大面积分辨率，能够达到亚微米数量级，其通常决定于激发电子束，并使毫微米范围存在的电子束形成聚焦点。不过对于AES面积分辨率而言，主要为聚焦电子束同检测器性能共同产生的结果。AES通常使用圆筒镜型分析器，其可以获得良好灵敏度。不过，原子位置被束缚的电子通过对光子进行有效吸收，可形成光电子。若光电子具备充足能量，电子既可以脱离元素束缚发生逸出，动能则是光子能量同束缚能之间存在的差值。

AES可以对元素周期表存在的氦以上元素进行有效检测，检测限达到0.1～1百分原子数。由于AES对单原子层仅可做出部分检测，元素灵敏度不高成成为主要影响因素。不过AES却具备稳定的成像效果。元素纵深分布图示性能稳定，具备定量分析的优势特点。通过定位方式应用AES，可以对极小面积范围内存在的全部元素进行准确有效的探测，同时还能够通过检测器针对单一元素，沿片子表面进行精准正确的扫描绘图。

2 实验

研究选用晶片全部为非掺半绝缘，晶向是（100）砷化镓抛光片，依次记为A～E五项，不采取任何处理。

表1：表面晶体完整性XRD分析结果

表2：表面Ga/As比与氧含量

表3：SIMSprofile图得出的氧化层厚度

表面痕量玷污，通过飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）检测；真空度超过10-7Pa，离子源选用Ar离子源。

表面晶体完整性，通过X射线双晶衍射仪（XRD）测试；氧元素深度分布情况选取4f二次离子质谱仪（SIMS）进行测量。

表面镓砷与氧化层厚度等，通过X射线光电子能谱仪（XPS）分析。分析室真空度超过10-7Pa，X射线为AlKa（1462.6eV）；窄扫描通能35.7eV；Ag3d5/2的半高宽是1.0eV；介于30-50eV范围区间记录As3d谱，介于10-30eV范围区间记录Ga3d谱。结合能选取GaAs的As3d（41.1eV）进行校正。

3 结果与讨论

3.1 TOF-SIMS分析表面污染物

对于常用表面分析技术而言，因为XPS与AES检测限的影响，不适用于对表面污染进行分析。TXRF主要对表面重金属污染物进行分析检测，无法检测全部元素，无法获取化合物信息。TOF-SIMS灵敏度与分辨率相对较高，检测限是109个原子•cm-2，可以对全部元素记性分析，获取化合物信息，并对有机与无机污染做出准确检测。

通过进行检测，除Ga、As与氧化物，表面均残留有机污染物，主要是由于晶片制备阶段溶剂产生的残留。并未检测金属离子存在残留，证明晶片可以有效去除金属离子，具有一定的效果，不过还需重视对有机污染的有效清除。

3.2 XRD分析表面晶体完整性

通过X光衍射仪，对结晶体做出分析检测，会形成相应的衍射峰，测试条件一致情况下，晶体结构较为完整且排列有序，衍射峰半高宽相对较窄，相反则会较宽。

通过表1得知，处理工艺处在区别，晶片半高款同样存在差距。A晶片表面晶体不具备良好完整性，E晶片表面晶体具备最优完整性。

3.3 XPS分析表面化学元素组成与价态

对于XPS而言，信息深度为有限的几个原子层，可以对氢与氦除外的全部元素进行有效检测，不但可以获取表面元素组成与实际含量，还可以获取元素化学价态的具体信息。

通过实验得知，Ga通过两种化合态共同构成，高结合能位置的谱峰较大，同Ca2O3相对应，右侧低结合能位置谱峰为相对较小，保持GaAs状态；As3d谱图体现各不相同状态，处于高峰至低峰变化过程为的依次顺序。

通过表2得知，对大多数晶片而言，表面镓砷比同化学计量比存在较大偏差，唯有D、E采取专门处理之后，同化学计量比存在较小偏差。与此同时，样品镓砷比高，则氧含量大。证明表面氧化成为导致表面镓富集的关键因素。选取氩离子进行连续轰击处理，全部样品氧含量出现不同程度的减少，减少幅度同氧化层厚度存在联系，介绍幅度较高，氧化层相对较薄。因此，可以得知C、D氧化层相对较薄。

3.4 SIMS分析氧深度分布

SIMS对大部分元素含量进行检测，且动态检测范围相对较广，可以对全部元素进行有效检测。对于固体材料元素或是痕量元素而言，是对其深度分布情况进行有效检测的的关键方法。

表3主要表示由SIMS谱图获取的氧化层实际厚度值。能够得知，对于B氧元素而言，其分布范围曲线减少速度相对较为缓慢，分布范围相对较大，表面氧化层实际厚度约为对于D氧元素而言，其分布曲线明显较陡，减少速度相对较快，表面氧化层实际厚度约为同XPS分析结果保持相同。

4 结语

综上所述，通过上述分析研究能够得知，对于砷化镓抛光片表面特性的表征而言，本文应用的表面分析技术，具备的优势特点各有不同。表面分析技术的合理应用，对于掌握晶片表面痕量污染与元素分布情况以及化学构成等众多性质，具有十分重要的作用。有利于增强对不同处理技术原理的深入了解与认识，有利于增强对晶片表面生产加工工艺与器件制作工艺的优化改良。