Mikroelektronik cihazların agresif boyut küçültmesi, katkılayıcı dağılım birleşim bölgesi derinliğinin yüksek konsantrasyon ve tutarsızlık ile birlikte aşamalı olarak azaltılmasını gerektirmektedir. Aşırı düşük enerji ışın demeti hattı ya da plazma batırma iyon yerleştirme ve flaş yahut LAZER tavlama gibi inovatif tavlama yaklaşımları Silisyumun en üst 20 nm’sinde hapsedilmiş aşırı sığ dağılımların elde edilmesine olanak tanımaktadır. Bununla birlikte, yüksek katkılayıcı doz ve konsantrasyonların ölçülmesi, birleşim bölgesi derinliğinin berlienmesi ve katkılayıcı dağılımların tutarsızlığının değerlendirilmesi için bu süreçlerin yeterli derecede karakterize edilmesi gerekmektedir.
İkincil iyon kütle spektrometrisi (SIMS) bu bilgiyi sunabilecek bir teknik olmakla birlikte nihai derinlik çözünürlüğü ve niceliklendirme protokolü mecburidir. O2+ birincil iyonlarla püskürtme ve pozitif ikincil iyonları toplama
mükemmel belirleme sınırlarına imkan verir. İki püskürtme koşulu seçilebilmektedir (Şekil 3.5.8):
1. ‘tamamen oksitleyici koşul’da kontrollü oksijen sızıntısı erozyon alanı üzerine akıtılır: en iyi belirleme sınırları ve derinlik çözünürlükleri bu
~ 124 ~
şekilde elde edilebilmektedir ancak yüzeydeki bor ayrışması doğal ok- oksit/silisyum arayüz miktarının doğru bir şekilde belirlenmesine engel olmaktadır.
2. ‘Tamamen oksitleyici olmayan koşul’da püskürtme odacığında aşırı yüksek vakum bulundurma: belirleme sınırları bir önceki koşuldan daha kötüdür ancak profilin en üst nm’sinde özellikle de doğal oksit/silisyum arayüzde hassasiyet elde edilebilmektedir.
Ultra düşük darbe enerjisi ve açılı duruş, SIMS birincil iyonlarının düşük penetrasyon derinliği ve sonuçtaki mükemmel derinlik çözünürlüğü ile azaltılmış iyon karıştırma derinliğini sağlamalıdır. Bununla birlikte, topoğrafyanın krater tabanı üzerinde erken bir zamanda oluşması püskürtmenin kararlılığını etkileyebilmekte ve derinliğe, konsantrasyon hassasiyetine, özellikle de aşırı yüksek vakumda erozyona tesir edebilmektedir. Normal örnek ekseni çevresinde bir rotasyon uygulama imkanı sayesinde en iyi derinlik hassasiyetine ve çözünürlüğe olanak tanıyan bu topoğrafyanın önlenmesi veya azaltılması sağlanır.
Şekil 3.5.8 2 ila 0.2 keV arasında değişen enerji yerleştirmesi ile 1x1015 at/cm-2 doz
silikonda bor derinlik profili (Solda: aşırı yüksek vakum/’tamamen oksitleyici olmayan’ koşullarda elde edilen profiller; sağda: O2‘ye batırma/’tamamen oksitleyici’ koşulda elde
edilen profiller. Her iki koşulda da püskürtme esnasında örnek rotasyonu kullanılmıştır.)
Aşırı düşük enerjili püskürtme, açılı etki ve örnek rotasyonunun birleştirilmiş etkileri, Silisyumun krater tabanlarında gözlemlenen dalgacıkların veya diğer topoğrafyanın erken dönemde oluşmasını engelleyerek ‘oksitleyici olmayan’ O2+
püskürtme durumunda dahi en iyi derinlik çözünürlüğünün elde edilmesini sağlar [13;14].
~ 125 ~
Tamamlayıcı tekniklerle çapraz kontrol miktar belirleme sonuçlarını geliştiren miktar belirleme protokolleri, silisyumda veya diğer yarı iletkenlerde katkılayıcı dağılımların kesin bir fotoğrafını elde etmek için uygunabilmektedir.
Cameca Sc-Ultra 300 kütle spektrometrisi, normale kıyasla ~60° açılı durumla 0.25 keV’e kadar O2+ nüfuz enerjisi sağlayabilmektedir. Örnek rotasyonu ve
oksijen taşırma ise her bir özel analitik probleme yönelik en iyi metodolojinin bulunması için püskürtme koşullarının esnekliğini mümkün kılmaktadır. Doğal oksitte ve SiO2/ Si arayüzünde yer alan NIST referans maddelerine ve
düzeltmelerine kadar izlenebilir standartlara bağlı miktar belirleme uygulanır (Şekil 3.5.9) [15].
Şekil 3.5.9 Düşük basınçlı kimyasal buhar çökeltimi ile oluşturulan B delta katkılayıcı Si örneği üzerinde elde edilen bor SIMS profili, ilk 5 delta arasında 5.8 nm mesafe bulunmaktadır. Kırmızı üçgen bölgeler delta nominal pozisyonu göstermektedir.
~ 126 ~
Sonuçlar
SIMS, 1D sınırlı maddelerin nanomateryal karakterizasyonunda kullanılabilmektedir. Aslına bakılırsa, yalnızca tanımlı bir nanoyapılar grubu rastgele nanokaplama, yüzey modifikasyonu; kuantum kuyusu, delta katkılama olarak analiz edilebilir. Bununla birlikte, kendine has özelliklerinden dolayı SIMS’in nanokarakterizasyona yönelik etkili teknikler olarak görülmesi gerekmektedir. Olağandışı hasssasiyet (milyon 1 parça-milyarda 1 parça); uygun derinlik çözünürlüğü (1 nm altında); tüm elementleri (H ve He dahil) ve izotop çokluğunu tespit edebilme imkanı SIMS’i en azından tamamlayıcı bilgileri desteklemek adına nanomateryal karakterizasyonu için gerekli olan analitik bir teknik yapmaktadır.
Halihazırda, SIMS’in sınır yanal çözünürlüğü (Ga veya Bizmut sıvı iyon kaynakları kullanılarak) 0.1 mikron civardındadır [15;16]. Yeni türde ekipmanların ve iyon kaynaklarının kullanılması, SIMS imkanlarının gerçek 3D nanoanaliz ile bir araya getirilmesini mümkün kılan güçlü bir analitik aracın elde edilmesi için daha ileri gelişmelere olanak sağlayabilir.
~ 127 ~
Kaynakça
[1] A Benninghoven et al. Secondary Ion Mass Spectrometry. John Wiley and Sons NY 1987, ISBN 0471-01056-1
[2] R. Wilson, A. Stevie, C Magee. Secondary Ion Mass Spectrometry, practical handbook. John Wiley and Sons NY 1989 ISBN 0-471-51945-6
[3] J.C. Vickerman et al. Secondary Ion Mass Spectrometry principles and applications. Oxford Science Publications Oxford 1989. ISBN0-19-855625-X. [4] H Oechsner Thin film and depth profile analysis.. Sping-Verlag Berlin 1984. ISBN 3-540-13320-8
[5] http://www.simssociety.org/employment.htm
[6] J. J. Thompson, “Rays of Positive Electricity”, Phil. Mag., 20, 252 (1910). [7] R. F. K Herzog and F. P. Viehbock, “Ion Source for Mass Spectrography”, Phys. Rev., 76, 855L (1949).
[8] H.J. Jonsson et al. Surface Sci. 180 (1987) 353.
[9] J.H. Weare. Potential energy Surfaces and Dynamic Calculations, Plenum, N.Y. 1981.
[10] D. Brune, R. Hellborg H.J. Whitlow, O. Hunderi. Surface Characterization. Wyley-VCH, Weinheim, 1997. ISBN 3-527-28843-0.
[11] J.C. Vickerman and D. Bridggs. ToF-SIMS. IM Publications 2001, ISBN 1-9010019-03-9.
[12] M. Barozzi, D. Giubertoni, M. Anderle, M. Bersani, Appl. Surf.Sci. 231- 232 (2004), p. 768-771.
[13] M. Bersani, D. Giubertoni, E. Iacob, M. Barozzi, S. Pederzoli, L. Vanzetti, M. Anderle, “Uphill diffusion of ultralow-energy boron implants in preamorphized silicon and silicon-on-insulator”. Appl. Surf. Sci. 252, 2006, 7315.
[14] D. Giubertoni, E. Iacob, P. Hoenicke, B. Beckhoff, G. Pepponi, S. Gennaro, M. Bersani, “Quantitative depth profiling of boron and arsenic ultra low energy implants by pulsed rf-GD-ToFMS”. J. Vac. Sci. Technol. B 28(1), 2010, C1C84.
~ 128 ~
[15] P. Hoenicke, B. Beckhoff, M. Kolbe, D. Giubertoni, J. A. van den Berg, G. Pepponi, “Depth profile characterization of ultra shallow junction implants”. Anal. Bioanal. Chem. 396, 2010, 2825.
[15] B. Hagenhoff High Resolution ”Surface Analysis by TOF-SIMS”. Microchimica Acta April 2000, Vol. 132, Issue 2, pp 259–271.
[16] Markus Kubicek , Gerald Holzlechner, Alexander K. Opitz, Silvia
Larisegger, Herbert Hutter, Jürgen Fleig “A novel ToF-SIMS operation mode for sub 100 nm lateral resolution: Application and performance” Applied Surface Science Volume 289, 15 January 2014, Pages 407–416
~ 130 ~
BÖLÜM
4
~ 132 ~