前 言
對于半導體器件而言，在管芯表面覆蓋鈍化膜的保護措施是非常必要的，鈍化膜是器件的最終的鈍化層和機械保護層，可以起到電極之間的絕緣作用，減弱和穩定半導體材料的多種表面效應，防止管芯受到塵埃、水汽酸氣或金屬顆粒的沾污，一般采用CVD 工藝（化學氣相沉積，Chemical Vapor Deposition）生長二氧化硅或氮化硅作為鈍化膜，對于不同器件鈍化膜的組分、厚度有差異，鈉離子在鈍化膜中的遷移率較高，對器件性能影響大，又大量存在于環境之中，很容易造成污染，所以鈉離子的含量成為評價鈍化工藝質量好壞的一個重要標志1～5，對于鈍化膜中鈉離子的檢測也就很重要。二次離子質譜（SIMS）6分析具有靈敏度高、微區分析、深度剖析的優點，是檢測鈍化膜中鈉離子濃度分布的有效手段，可以給出鈉離子在鈍化膜中的實際的分布。本工作采用二次離子質譜法對二氧化硅鈍化膜中鈉離子濃度進行檢測。
1 實驗部分
1.1 儀器
法國CAMECA公司的IMS-4fE/7 型二次離子質譜儀，配備雙等離子源和銫離子源，中和電子槍。
1.2 樣品
樣品結構：SiO2/Si膜，采用CVD方法在拋光硅晶片上生長的二氧化硅薄膜，厚度在1000埃至5000埃之間，
樣品處理：為避免表面沾污對于測試結果的影響，使用去離子水對樣品清洗，在105℃烘烤1h以上。并在樣品表面濺射生長0.5nm左右的金，以增加樣品的導電性。
1.3 實驗方法
1.3.1 儀器測試條件 二次離子質譜儀實驗條件的選擇對于測試的靈敏度、穩定性、深度分辨率等影響很大。調節、設定各項參數達到測試要求。
真空度：
一次離子束：O2+離子、能量：15keV，束流強度：300nA、束斑直徑：30?m， 掃描面積：250?m×250?m。
二次離子束：正離子23Na+、30Si+，能量5000 keV，分析圓形區域直徑60?m。
檢測器：
電子倍增器：檢測5E5計數率以下的二次離子。
法拉第杯：檢測5E5計數率以上的二次離子。
中和電子槍：電子能量1 0 keV、圓形區域直徑300?m、束流20?A。
1.3.2 測試步驟 將樣品（標準樣品和待測樣品）裝入樣品架，引入樣品過渡倉進行預抽真空，同時使用樣品倉內的紅外燈照射烘烤，達到半個小時，且真空度優于1e-7torr后，即可以將樣品導入樣品室，進行測試。采用相同的試驗條件對同一組樣品檢測。
2 結果與討論
SIMS深度剖析給出的原始測試結果數據是監測元素二次離子強度對濺射時間的曲線，反映元素濃度的相對變化趨勢，對深度和濃度定標后，可以得到元素濃度對深度的分布圖。
本實驗采用氧一次離子束，所以氧在硅中的背景較高，另外，本實驗條件下，在二氧化硅中，高濃度氧會增加硅離子的產額，造成在二氧化硅中硅離子信號強度高于其在硅中的強度，這樣在剖析結果中可以看到，剖析到SiO2/Si界面處，硅離子和氧離子的強度同時降低。
2.1 荷電效應的消除
在不加電子槍的情況下，當剖析二氧化硅層時，由于二氧化硅層導電性能差，離子濺射綜合效應所產生多余正電荷不能隨時導走。隨著剖析的進行，產生電荷積累，樣品濺射面的電位發生改變，二次離子能量變化超出二次離子光學系統的允許范圍，二次離子傳輸效率減低，這樣就造成接收到二次離子強度降低很多，信號失真，加中和電子槍后，在離子濺射的同時，低能電子束噴射到離子濺射區域，中和掉多余的正電荷，二次離子能量在允許變化范圍內，強度信號不會有明顯的失真[7]。圖1和圖2分別是加中和電子槍前后同一樣品的測試原始圖，圖1中在SiO2表層中硅的離子強度信號較小，在接近SiO2/Si界面即鈉離子信號的峰值位置時，信號強度增加接近正常，這顯然與樣品實際情況不一致，圖2是加中和電子槍后的真實情況，可以看出硅離子強度在SiO2中是穩定的，反映了樣品實際結構。
一般認為，對于SiO2/Si樣品，在SiO2中硅離子計數強度的偏差小于5%時，說明中和效果較好，測試結果失真程度在可以接受的范圍內。
2.2 深度與濃度定標
2.2.1 深度定標 根據表面輪廓儀測得總坑深以及橢偏儀測得SiO2膜厚，可以將濺射時間轉換成深度分布。
2.2.2 濃度定標[8～10] SIMS定量通常采用標樣法，測試已知體濃度或面密度的標樣，根據測試結果計算出相對靈敏度因子（RSF）， 就可以將未知濃度樣品的原始測試數據轉化濃度定量結果。相對靈敏度因子的數值會因同位素離子種類及儀器的測試條件選擇而異，每次測試時，樣品與標樣必須在相同的測試條件檢測。
圖3是圖2樣品濃度對深度的結果。
2.3 檢測限
從鈉離子的濃度對深度分布圖（圖3）中可以看出，用二次離子質譜法深度剖析鈉的檢測限低于2e13atoms/cm3。
2.4 鈉離子的面密度
已知鈉離子的濃度，可以通過積分計算出鈉離子的面密度。面密度是用來表征離子污染程度的重要參數。
2.5 鈉離子分布規律
圖4是對雙層鈍化二氧化硅膜的剖析，可以看出在兩層鈍化膜之間的界面也存在鈉沾污，通過對多個樣品測試，發現鈉離子經常分布在表面和界面。如圖4，這說明，在鈍化膜生長過程中不易引入鈉離子，鈍化膜之前表面沾污是鈉離子污染的重要來源。
3 結論
本研究采用樣品表面噴金和中和電子束的方法可以有效消除分析鈍化膜絕緣層時產生的荷電效應而引起的離子信號畸變，在鈍化層中二次離子信號穩定。采用二次離子質譜檢測鈍化層中鈉離子靈敏度較高，可以給出鈍化膜中鈉離子濃度分布，也可以得到鈉離子沾污的面濃度，體濃度的檢測限可以達到2E13atoms/cm3，可以檢出面密度在1E9atoms/cm2的沾污，是監測鈉沾污的有效檢測手段。