5. Chemische Dotierstoffanalyse
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Vorlesung “Charakterisierung von Halbleitermaterialien II” 5. Chemische Dotierstoffanalyse Materials for Electronics and Energy Technology 5. Chemische Dotierstoffanalyse Grundlagen Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Massenspektrometrie Mittels Elektronen- und Röntgenspektroskopie lassen sich keine geringen Konzentrationen im ppm/ppb-Bereich nachweisen. Trägt man die Probe physikalisch ab und misst die Massen der atomaren Zersetzungsprodukte, so kann man Elemente auch in sehr geringen Konzentrationen nachweisen. Dafür gehen natürlich Information über die Atomumgebung in der Probe verloren und dir Probenoberfläche wird zerstört. – Röntgen- und Elektronenspektroskopie – Massenspektrometrie Durch kontinuierlichen Abtrag der Probe lassen sich Tiefenprofile, durch wandernden Abtrag Oberflächenprofile messen. – Aufbau und Massentrennsysteme – Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) – Glimmentladungs-Masenspektrometrie (GDMS) – weitere Methoden Der Abtrag erfolgt unter Vakuum, und meist wird eine kontaminierte Oberflächenschicht vor der eigentlichen Messung abgetragen (gesputtert). – weitere Verfahren zur Dotierstoffanalyse (c) 2011 PD Dr. M. Bickermann, I-MEET, Uni Erlangen 5. Chemische Dotierstoffanalyse Grundlagen 5. Chemische Dotierstoffanalyse Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Messverfahren: Die Masse von Atomen und Molekülen lässt sich praktisch nicht messen. Aber elektrisch geladene Ionen bewegen sich im elektrischen/magnetischen Feld proportional zu ihrem Masse/Ladungsverhältnis (m/z). Massentrennsysteme Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann 1. Sektorfeld-Massenspektrometer Am teuersten, aber auch am genauesten (m/Dm bis 100000). typischer Messaufbau Daher werden entweder gleich Ionen erzeugt oder die herausgeschlagenen Fragmente ionisiert und anschließend im elektrischen/magnetischen Feld getrennt. Die Anzahl der schließlich im Detektor (Faraday-Cup, Daly-Cup oder Elektronenvervielfacher) landenden Ionen ist proportional zur Konzentration im Halbleiter. Teilchenverbünde (”Fragmente”) müssen dabei gesondert berücksichtigt werden. Elektrostatisches Feld: Trennung nach Teilchenenergie E = ½ m v². Magnetisches Feld: Trennung nach Impuls p = m v. Kopplung beider Felder: Geschwindigkeits- und Richtungsfokussierung, d.h. Erhöhung der Ausbeute bei gleichbleibend hoher Genauigkeit. 5. Chemische Dotierstoffanalyse Massentrennsysteme 5. Chemische Dotierstoffanalyse Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Massentrennsysteme 2. Quadrupol-Massenspektrometer 3. Flugzeit (TOF)-Massenspektrometer (m/Dm etwa 4000) (m/Dm etwa 10000) Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Die Ionen beschreiben eine Sinus-Bahn im Quadrupol, aber nur diejenigen mit der richtigen Geschwindigkeit erreichen den Detektor. Die Frequenz des Wechselfeldes bestimmt, welche Ionen (m/z-Verhältnis) den Detektor erreichen. Alle anderen werden aus dem Quadrupol herausbeschleunigt. Die Trennung erfolgt im elektrischen Feld (E = ½ m v²) über die Geschwindigkeit v bzw die Flugzeit t ~ Öm/z. Dazu werden Ionenspiegel benutzt (siehe Bild). Die Geschwindigkeit wird in eine parallele Ablenkung umgewandelt. Alle Massen können simultan über Mikrokanal-Detektoren ausgewertet werden. Þ schnelle Messungen, aber gepulster, d.h. langsamer Abtrag! 5. Chemische Dotierstoffanalyse Auswertung 5. Chemische Dotierstoffanalyse Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Massenspektrum von Silizum mit Wasserstoff und Phosphordotierung Anwendungsbeispiele Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann 1. Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) Probe wird mit fokussierten Ionen + + beschossen (Ar+, O+ 2 , Ga , Cs ) Þ lokaler Abtrag Auflösung bis ca. 50 nm Ideal für Tiefen- und Oberflächenprofile Nur 10% der Fragmente sind ionisiert Þ abhängig von der Ionisierungseffizienz der Fragmente Þ Nach-Ionisieren der Fragmente mittels Laserstrahl oder Plasma: SNMS (”Neutralteilchen-MS”) Die hohe Auflösung m/Dm ist notwendig, um unterschiedliche Ionen und Fragmente mit gleichem m/z-Verhältnis über den atomaren Massedefekt zu trennen. Bei der Auswertung müssen alle potentiellen Cluster/Fragmente und die Isotopenverhältnisse der beteiligten Atome berücksichtigt werden! Elementkonzentrationen von 1014 – 1016 cm–3 können detektiert werden Þ Dennoch: Quantitative Analysen nur mit Referenzmessungen (Standards bekannter Zusammensetzung und gleicher Gitterstruktur) möglich. 5. Chemische Dotierstoffanalyse 5. Chemische Dotierstoffanalyse Anwendungsbeispiele Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Anwendungsbeispiele Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Bestimmung von Stickstoffkonzentration und Schichtdicke einer dotierten SiC-Epitaxieschicht an fünf Punkten auf der Oberfläche Þ laterale Variation der Dotierung und Schichtdicke TOF-SIMS einer MoSi2 Schicht auf Si zeigt eine Fluorverunreinigung an der Grenzfläche SIMS-Tiefenprofile (”dynamische SIMS”) von ionenimplantierten Siliziumproben 5. Chemische Dotierstoffanalyse Anwendungsbeispiele 5. Chemische Dotierstoffanalyse Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Anwendungsbeispiele Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Nachweisgrenzen (EG) für Spurenelemente in SiC mittels GDMS 2. Glimmentladungs-Massenspektrometrie (GDMS) Probe dient als Kathode einer (kalten) Glimmentladung in einer Argon-Atmosphäre Þ Zerstäubung des gesamten Probenvolumens Þ Ionisation durch Stöße mit Argon-Ionen Isolierende Proben werden in eine Gallium- oder IndiumMatrix eingepresst. Durch großvolumigen Abtrag ist Messung sehr geringer Konzentrationen möglich. GDMS-Verfahren mit Tiefenprofil-Messung: Probe als Wafer in eine Flachzelle eingebaut; es wird ein Krater mit mehreren Millimetern Durchmesser “gesputtert” bei dynamischer Messung. 100 (0,005 ppm wt. V in SiC entspricht etwa 1014 cm –3 ) Fehler bei standard-freier Messung ca. 10...50% Þ meist ausreichend, wesentlich besser als SIMS amu 5. Chemische Dotierstoffanalyse Anwendungsbeispiele 5. Chemische Dotierstoffanalyse Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Anwendungsbeispiele Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann 3. weitere Methoden Spurenelemente in einer Si-Epitaxieschicht (GDMS-Tiefenprofil) – Spark Source Mass Spectrometry: Funkererosion (vergleichbar mit GDMS) – Laser Source Mass Spectrometry: Laserablation – Inertgasanalyse (”Leco Method”): Detektion leichter Elemente durch schnelle Verdampfung C, S: Probe wird unter Sauerstoff im Ofen verbrannt N, O, H: Probe wird im Graphittiegel bei >2500°C unter Ar (oder He) sublimiert Þ große Probenmengen (0,5..5 g) nötig Þ aber bessere Genauigkeit bei leichten Elementen als bei SIMS und GDMS – ICP-MS (Induktiv gekoppeltes Plasma): Feinst zerstäubtes Pulver wird in eine Plasmafackel (> 6000°C) geblasen und über eine Ionenoptik dem Analysator zugeführt Þ für klassische Halbleiter nur bedingt geeignet, für Nanopartikel ideal 5. Chemische Dotierstoffanalyse Anwendungsbeispiele 5. Chemische Dotierstoffanalyse Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Literatur Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Literatur zur Massenspektrometrie von Halbleitern SSMS-Analyse von Kohlenstoff in VGF-GaAs Nach sorgfältiger Kalibrierung, UHV (< 10 –11 mbar!) und Berücksichtigung aller Fragmente können Verunreinigungen im ppb-Bereich nachgewiesen werden. – H. Budzikiewicz, M. Schäfer, Massenspektrometrie, Wiley-VCH, Weinheim 2005. – E. de Hoffmann, V. Stroobant, Mass Spectrometry: Principles and Applications, Wiley-VCH, Weinheim 2003. – R. G. Wilson, Ion implantation and secondary ion mass spectrometry of compound semiconductors, Solid-State Electronics 39 (1996) 1113. – D.J. O'Connor, B.A. Sexton, R.S.C. Smart, Surface analysis methods in materials science, Springer Series in Surface Sciences 23, Springer-Verlag, Berlin 2003. – J.R. de Laeter, Applications of Inorganic Mass Spectrometry, Wiley-VCH, Weinheim 2001. – F. Adams, R. Gijbels, R. Van Grieken (Hrsg.), Inorganic Mass Spectrometry, John Wiley & Sons, Chichester 1988. – G.E. McGuire, Characterization of Semiconductor Materials - Principles and Methods, Volume 1, William Andrew Publishing/Noyes, Norwich (NY), USA 1989. – J.H. Gross, Mass Spectrometry: A Textbook, Springer-Verlag, Heidelberg 2004 (Schwerpunkt auf Methoden für organische Materialien).
