SIMS测量激光诱导扩散Zn的浓度分布

摘 要：通过SIMS对激光诱导扩散杂质浓度分布的研究，提出了一个测量扩散区只在mm量级或10mm量级范围内的杂质浓度分布的方法。首先利用光刻的方法在基片表面标识出扩散窗口，然后进行激光诱导处理。用SIMS对制成的扩散样品定量分析，通过扫描探针显微镜测量刻蚀深度，由此实现了微小扩散区掺杂浓度-深度分布的研究。

关键词：激光诱导扩散，微小扩散区，二次离子质谱仪

中图分类号：TN304.07 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)07-0021-04

1 引言

在半导体平面工艺中，器件的许多性能指标主要由扩散工艺决定，扩散层的结深和杂质分布情况直接决定器件的频率、放大、击穿等电参数。因而研究半导体的扩散杂质分布和控制方法对改进器件特性是十分有益的。但在单片光电集成器件的制作中，如采用常规热扩散工艺，很难解决光电器件工艺的兼容性这一难题。与常规扩散工艺相比，激光诱导扩散技术具有独特的优越性[1]，可以对处理区域高定域，使高温区域局限于处理区。当进行扩散处理时，该技术可使扩散高温区域限制在制作光器件的微小空间范围内，其余区域都维持在近室温状态，也就不会对同一基片上已做成的集成电路在性能方面产生负面影响，从而有效地解决单片OEICs中光、电两部分难以兼容这一瓶颈问题。为此我们对InP中的激光诱导Zn扩散开展了研究。

激光诱导扩散与常规闭管扩散的工艺条件存在巨大的差异，尤其扩散中温度场的分布。对于后者，整个封闭管中温度场是基本均匀的，自然地，基片是等温体，进而各点扩散系数也呈定值；而对于前者，由于激光束的强度一般是高斯分布，即使用二元光学波前整形等方法使光强分布由高斯分布变为近似平顶形分布，在平行于衬底表面的平面内也仍然存在一定的温度波动，至于在垂直于衬底表面的方向上，由于激光入射面和背面的边界条件迥然不同，也必然存在温度场的方向导数。不难看出，在激光诱导扩散中，在衬底的各个方向上温度都是不均匀的，这必将导致扩散系数的变化，所以激光诱导扩散系数的杂质浓度分布就与常规闭管扩散存在较大差异。为研制成高质量的光电器件，必须要对激光诱导扩散的杂质浓度分布进行测量研究。常规扩散杂质浓度分布的测量有阻容法、阳极氧化法、四探针测电阻率法等，但是这些方法的一个共同点就是要求样品的测量面积比较大，而激光诱导扩散区在微米量级或10mm量级，所以用常规方法很难测定。众所周知，二次离子质谱（SIMS）具有较高的灵敏度、良好的深度分辨率、可进行全元素分析 [2,3]，更重要的是可以对mm量级的扩散区的杂质浓度进行测定分析。因此笔者采用SIMS测量激光诱导扩散的杂质浓度分布。

2 实验

2.1 样品制备

激光诱导扩散点直径一般在μm量级或10 mm量级范围内，经过扩散的点很难用肉眼区分开来，这就使得在进行SIMS分析时聚焦的离子束的轰击在激光诱导的扩散点上带来了极大的困难。为了解决这一矛盾，我们首先对基片进行了光刻处理。

其次是激光诱导扩散样品的制备 。扩散前用离心式涂胶机在InP表面制备含Zn的SiO2 乳胶膜。用HD-42型CO2激光器发出10.6mm光功率密度合适的激光束照射在制备好的含Zn的SiO2乳胶膜上，使得聚焦的激光束刚好落在扩散窗口内，在激光辐射区就会产生Zn向InP衬底的扩散。把激光曝光后的样品在1:10的HF去离子水溶液中浸泡30s，去掉InP表面的SiO2，再用去离子水洗净，在80℃ 烘箱中烘20～30min，整个扩散诱导就完成了。其中不同样品的实验条件如表1所示。

2.2 SIMS测量

在实验中所利用的仪器设备是MICOLAB MKⅡ，其质量分析器是四极滤质器，所用的离子为Ga +，分析室真空度达到10-9Pa量级。

实验所用的样品包括用MOCVD方法使得Zn在 InP中均匀扩散的1＃样品，其Zn的掺杂浓度是已知的，和激光诱导扩散的待测样品2＃、3＃、4 ＃和5＃，其扩散浓度未知。

根据分析需要，选取了SIMS深度分析的工作方式[5]。深度分析，就是指离子束以大斑点或较小斑点轰击样品，此焦斑中心也刚好落在扩散窗口内，溅射出的二次离子进入双聚焦质谱计，将磁分析器的磁场强度调至对应于某一特定质量数的数值，并使其固定不变，随着样品不断地被离子束溅射剥离和对二次离子地连续分析，可得到某一特定元素深度分布曲线，直接反映了个元素在样品中的纵向分布结构。在标准样品的配合下就可以对此元素做定量分析。

首先对1#样品进行SIMS测量，其In的计数是130k，电压是8kV，发射电流是5.5mA，靶电流是36nA，刻蚀时间是100s。二次离子计数与刻蚀时间关系。

再对待测的2＃、3＃、4＃和5＃样品进行 SIMS测量，其In的计数都是100k，电压、发射电流、靶电流和刻蚀时间与1＃样品的实验条件保持一致。二次离子计数与刻蚀时间的关系。

比较以上，激光诱导扩散时：（a）在相同的控制温度和相同的涂胶转速下，扩散时间越长的和其二次离子溅射强度越强；（b）在相同控制温度和相同扩散时间的情况下，转速越慢的，其二次离子溅射强度越强；（c）在相同扩散时间和相同涂胶转速下，控制温度是500℃的二次离子溅射强度远大于控制温度是550℃的。在相同的试验条件下，二次离子溅射强度越强的说明在单位体积内所含Zn的离子数越多。综合以上比较，可以得到比较好的激光诱导扩散的控制参数，因此我们选取2＃样品进行杂质浓度分析。

3 杂质浓度分析

利用二次离子质谱对扩散样品进行定量分析 [5]，其定量的目的是，从一元素的二次离子强度测量值（I+M ），求该元素在样品中的含量（浓度CM ）,也就是说，要确定I+M 和CM之间的关系。一般原理上表达了这个关系

经验方法的基本概念是：在仪器及试验条件保持恒定，备有符合要求的标样，并假设标样与未知样对同一元素的原子溅射率（SM）和二次离子电离率（R+）的影响基本相同的前提下，避开括号中各个因子复杂的物理基础，利用标样中已知的C M与测得的I+M求出括号里的数值，再以此从未知样中测得I+M去求C M。经验方法中至关重要的问题是制备一系列的标准样，其元素含量范围、基质物理、化学性质与未知样品相似并且微观均匀。在仪器和试验条件方面，必须保持离子轰击条件（离子束纯度、能量、束流密度）一致、样品真空环境一致、仪器的探测率及能量通带一致等。

根据灵敏度因子的定义，我们把（1）式中括号内部分（即kM）看作是灵敏度因子

从物理角度上讲，灵敏度因子表示在固定的仪器和试验条件下，一定样品中，一定元素单位浓度所提供的二次离子流强度。

但是地讲，对于同一样品，某一元素 I+M的离子产率不但随元素不同差别很大，而且对样品表面物理、化学状况非常敏感，然而又可近似认为这些变化对同一样品中的不同元素的影响基本上是相同的。为了在方法上消去这些变化对分析所带来的共同影响,人们采取了相对灵敏度因子法。所谓相对灵敏度是指一种元素相对于另一种元素(通常称为参考元素)的灵敏度比值（又叫相对灵敏度因子RSF）。通过实验，人们发现对给定的分析元素与基体(参考元素)以及束， RSF有固定值，且只与待测元素的电离能或电子亲和能有关。做定量分析时

利用日本精工SPA400型扫描探针显微镜，对刻蚀的深度进行测量，测量得到在100s的刻蚀时间下，其刻蚀深度是500nm，我们假设在一定的实验条件下其刻蚀速率是恒定的，所以可以得到刻蚀速率为5nm/s。因此，可以在标准样品的基础上得到在激光诱导下，Zn在InP基片中的扩散浓度-深度分布曲线。

利用光刻的方法标识出扩散窗口，使得在制备样品时聚焦激光束以及在SIMS测量过程中粒子束都落在此扩散窗口内，这就解决了微小扩散区内对准的问题。通过SIMS对微小扩散区掺杂物质的定量分析，并利用扫描探针显微镜对其刻蚀深度进行测量，就可以分析出微小扩散区内杂质浓度-深度的分布情况。

4 结论

通过SIMS对激光诱导扩散杂质浓度分布的研究，提供了一个测量微小扩散区不均匀杂质浓度分布的有力手段。这对于我们研究性能良好的光电器件有重要的意义。