Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Het inherente probleem bij het bepalen van een diepteprofiel met behulp van sputtering is de interactie van de ionen bundel met het substraat. De botsingscascade veroorzaakt door het invallende ion, leidt niet alleen tot het sputteringsproces (d.i. de emissie van de gesputterde atomen uit de buitenste laag van het substraat) maar tegelijkertijd tot een niet te verwaarlozen herverdeling van de dieper gelegen atomen in het bulkmateriaal en bijgevolg tot een verstoring van de initiële concentratieprofielen in het substraat. Deze interacties zijn dus van primordiaal belang voor het begrijpen van verstorende effecten ten aanzien van diepteresolutie. De grootte van deze verstoring is afhankelijk van zowel de botsingscascade als de thermodynamische processen die specifiek zijn voor elk systeem. De emissie van een verstrooid deeltje is echter maar een gedeelte van het Secundaire Ionen Massa Spectrometrie (SIMS)-proces. Even belangrijk is de bijkomende ionisatiestap die nodig is om een verstrooid ion te vormen, die door de massaspectrometer kan gedetecteerd worden. Rekening houdend met de complexiteit en de nauwe interacties van de verschillende geïmpliceerde processen, blijkt het moeilijk om een volledig model op te bouwen enkel gebaseerd op SIMS-profielen. Een betere benadering voor dit probleem bestaat erin om bijkomende analysetechnieken te combineren teneinde informatie over de afzonderlijke processen te verwerven. Door SIMS met RBS te combineren kan informatie over de verschillende fundamentele processen afzonderlijk worden verkregen. De in-situ RBS metingen leveren directe informatie op over de distributie van de atomen in de veranderde laag. Het verschil tussen twee RBS profielen opgemeten voor en na een sputterinterval, is bijgevolg kenmerkend voor de veranderingen die door de kleine supplementaire primaire ionendosis wordt veroorzaakt. Deze benadering zal nieuw inzicht in de dynamica van de veranderde laag geven, welke zal toestaan om de bestaande sputter modellen te evalueren. In dit werk worden sputterexperimenten op Si, SiGe, Ge en HfOx/Si structuren gerapporteerd waarbij een primaire zuurstofbundel werd gebruikt bij verschillende invalshoeken en energieën. Uit de resultaten van de verschillende experimenten blijkt dat de bestaande macroscopische sputteringsmodellen ontoereikend zijn om al de waarnemingen uit te leggen. Bijkomende mechanismen voor materiaalverlies moeten in rekening gebracht worden om de harde data te verklaren. An inherent problem of profiling with sputtering techniques is the interaction of ions of the sputter-beam with the sample. The collision cascade induced by the incoming ion is not only causing the sputter process, but simultaneously it redistributes the subsurface atoms in the altered layer. This is distorting the original concentration profiles. The importance of the distortion is dependent as well on the collision cascade as on thermo-dynamical processes typical for the different analyzed systems. The emission of a sputtered particle is only one part of the SIMS-process. Equally important is the ionization step that is needed to produce a sputtered ion. Most of primary oxygen SIMS-profile interpretation problems are a combination of sputter yield and ionization probabilities variations. Nevertheless cosmetic operations, as the lowering of the primary beam energy or the variation of the primary impact angle, will allow to enhance the depth resolution of SIMS. Taking the complexity and the close interaction of the different involved processes into account, it is difficult to build a complete model based on SIMS profiles alone. A more appropriate approach for this problem consists in combining complementary analysis techniques to acquire information about the separate processes. By combining SIMS with RBS information can be obtained about the individual processes separately. The in-situ RBS measurements will give us the direct information of the redistribution of the atoms in the altered layer. The differences between two RBS-profiles alternated with a sputter-interval are consequently characteristic for the changes induced by a small supplementary primary ion dose. This approach will give new insights in the dynamics of the altered layer, which will allow to evaluate the existing models for sputtering. Experiments are performed on pure Si, SiGe, pure Ge and HfOx/Si stacks with oxygen primary beams at different impact angle and energy. The results reported in this work shows that the existing macroscopic sputtering models are oversimplifying the microscopic reality. One must introduce additional mechanisms of material lost next to the single knock-on events, to explain the different observations. Secondaire ionen massa spectrometrie (SIMS) is een analysetechniek die, door zijn hoge gevoeligheid en zijn goede diepteresolutie, een belangrijke rol speelt in de studie van doperings- en onzuiverheidsprofielen in halfgeleiderstructuren. Het principe van SIMS berust op de interacties, die optreden gedurende het bestralen van een monster met een energetische ionenbundel. Door de botsingen die hierbij in het substraat ontstaan, wordt een fractie van de substraatatomen nabij het oppervlak geëmitteerd (sputteren). Door de geïoniseerde fractie van deze sputterflux naar massa te scheiden, bekomt men informatie over de samenstelling van het substraat. Door een zelfde plaats te blijven bombarderen verwijdert men gradueel meer en meer lagen, wat resulteert in de opbouw van een diepteprofiel. Om de gevoelighied van SIMS te maximaliseren wordt vaak gebruik gemaakt van een primaire zuurstofbundel. Het doorgronden van het SIMS proces behelst dan ook de analyse van vier processen : · Het sputterproces dat de oorspong is van het SIMS-profiel (= proces 1) · Ionisatie van de gesputterde deeltjes (=proces 2) · Atomaire verplaatsingen ten gevolge van de botsingscascade (= proces 3) · Incorporatie van de invallende deeltjes leidend tot compoundvorming (=proces 4) In principe vormen proces 1 en 2 de essentie van het SIMS-profiel. De emissie van deeltjes in functie van de primaire ionendosis en de ionisatie van de gesputterde deeltjes leiden tot een detecteerbaar signaal (tellingen i.f.v. tijd) wat mits aangepaste manipulatie kan omgezet worden in een concentratieprofiel (atoom concentratie i.f.v. diepte). proces 3 beïnvloedt het resultaat van proces 1 en leidt tot een verstoring in het opgemeten profiel door de verplaatsing van de atomen alvorens ze gesputterd worden. proces 4 beïnvloedt het resultaat van proces 2 drastisch door het zeer sterke verband tussen ionisatiegraad en oppervlakteconcentratie van zuurstof of cesium. Daarenboven kan de compoundvorming extra thermodynamische mechanismen stimuleren die leiden tot een verhoging (verlaging) van de atoomverplaatsingen en dus proces 3 beïnvloeden. De complexiteit van deze interactie leidt reeds tot een moeizame modellering van het SIMS-profiel in stationaire toestand. Bij de analyse van zeer ondiepe lagen en multi-laag structuren wordt de complexiteit nog verhoogd door het feit dat de samenstelling van het substraat en de geïncorporeerde ionen continue verandert gedurende de analyse in functie van de dosis primaire ionen (en dus diepte). Dit geeft een continue verandering in de hoeveelheid afgezette energie, de herdistributie van de componenten van het substraat, een verandering van de stochiometrie en drastische variaties in ionisatiegraad. De onontkoombare veranderingen in deze fundamentele parameters en hun interne koppeling maken de situatie zeer complex en benadrukken de nood om elk van deze processen afzonderlijk ten gronde te bestuderen. In dit werk worden sputterexperimenten op Si, SiGe, Ge en HfOx/Si structuren gerapporteerd waarbij een primaire zuurstofbundel werd gebruikt bij verschillende invalshoeken en energieën. Uit de resultaten van de verschillende experimenten blijkt dat de bestaande macroscopische verstrooiingsmodellen ontoereikend zijn om al de waarnemingen uit te leggen. Bijkomende mechanismen voor materiaalverlies moeten in rekening gebracht worden om de harde data te verklaren. In the semiconductor industry the complexity and miniaturization are continually increasing, so the requirements to the analyzing tools are growing proportionally. One of the most frequently used physical analysis techniques to measure the impurity profiles is « Secondary Ion Mass Spectrometry »(SIMS). In the past the samples were analyzed with relatively high energetic primary ion beams without looking very carefully to the transformations close to the surface and distortions to abrupt transitions. As these start to play an important role with respect to the demands of more advanced technologies, it is necessary to address in particular these effects and to secure the future applicability of SIMS by the minimization of possible profile distortions. Today and in the future complex structures with materials as SiO2, SiGe, SiGeC,… will also ask a good understanding of the ion–matrix interactions to interpret SIMS profiles. Within the present project we intend to study the disturbing factors in detail within the context of analyzing matrix elements in compound modules. In view of the complexity of the problems and their strong interactions, a fundamental study into each of the processes (compound formation, sputter yield variations, ionization potential changes…) will be pursued. The outcome of this work will be a critical assessment of the SIMS technique allowing understanding the most important profile distortions. Understanding the distortions means that we can evaluate them and try to avoid them in order to obtain a profile with minimal distortions and maximized confidence levels for use in process development and semiconductor characterization.