2016年欧洲显微镜学大会：会议录 || 暗场电子全息术测量硅硼掺杂

摘要： 在现代MOS器件中，源极和漏极具有纳米级尺寸且高度掺杂（掺杂浓度通常>102? at.cm?3）。虽然测量此类掺杂浓度并观察其在硅中的空间分布对技术发展至关重要，但实际操作却极具挑战性。电子能量损失谱（EELS）和能量色散X射线光谱（EDX）等透射电镜技术虽能以所需分辨率绘制掺杂浓度图谱，但其仅能精确测量杂质浓度，无法判定这些杂质位于间隙位还是替代位——而这对定义掺杂水平至关重要。此外，硼元素的检测还存在其他物理限制。尽管明场电子全息术被认为适用于此类测量，但将测得的静电场转换为掺杂浓度绝非易事。 本研究探索了通过测量硼原子替代引起的硅晶格参数变化来提取硼浓度的可能性。我们采用专门设计的样品，运用暗场电子全息术（DFEH）进行研究。首先阐述DFEH原理[1]：该干涉测量技术能在微米视场内实现约10??量级的应变精度与纳米级空间分辨率。通过静电双棱镜使两束衍射光（一束穿过未应变晶格区域作为参考光，另一束穿过待测应变区域）发生干涉形成干涉图样（见图1）。经傅里叶变换提取相位图并转换为原子位移场，利用两个非共线衍射矢量可获取观测平面内应变张量的所有分量。 实验采用RP-CVD法生长五层厚度50nm、硼浓度梯度为3E18至8.5E19 at.cm?3的掺杂样品，在确保极低杂质浓度与硼完全激活的条件下制备[2]。SIMS和ECVP测量证实所有掺杂层中100%硼原子处于替代位。DFEH测得掺杂层形变后，据此推导出硼原子掺入硅晶格网络导致的晶格膨胀系数（β），具体如下：由于硼原子位于替代位，DFEH显示的均匀形变证实Si:B掺杂层可视为固溶体，且DFEH映射的面内应变表明这些层在纯硅晶格上呈赝晶生长。因此硼原子掺入引起的晶格参数变化仅通过材料的泊松效应表现为面外应变（图2）。结合有限元建模并考虑DFEH薄片样品的弛豫效应，我们获得了不同替代硼浓度下弛豫Si:B晶格参数值，发现二者呈线性关系（符合固溶体特性）。基于硼浓度与Si:B晶格参数分布，推导出β系数为-6.5E-24 cm3（图3）。图4将本研究结果与文献（多采用XRD测量）进行了对比。 最终，β系数使我们能将DFEH获得的应变图转换为"替代硼浓度"图，精度达3E19 at.cm?3，空间分辨率5nm。通过实例展示DFEH测量真实样品掺杂浓度的有效性，并讨论该方法与明场电子全息术所得信息的互补性。