GB/T 42263-2022 硅单晶中氮含量的测定 二次离子质谱法

　　ICS 77 . 040 CCS H 17

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42263—2022

　　硅单晶中氮含量的测定 二次离子质谱法

　　Determinati0n 0f nitr0gen c0ntent in silic0n single crystal—Sec0ndary i0n mass

　　spectr0metry meth0d

　　2022-12-30 发布 2023-04-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 42263—2022

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)与全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/SC2)共同提出并归口 。

　　本文件起草单位:中国电子科技集团公司第四十六研究所 、有色金属技术经济研究院有限责任公司 。

　　本文件主要起草人:马农农 、何友琴 、李素青 、陈潇 、刘立娜 、何烜坤 。

　　I

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　　硅单晶中氮含量的测定 二次离子质谱法

　　1 范围

　　本文件描述了硅单晶中氮含量的二次离子质谱测试方法 。

　　本文件适用于硼 、锑 、砷 、磷的掺杂浓度小于 1 × 1020 cm—3 (0 . 2%)的硅单晶中氮含量的测定 , 测定范围不小于 1×1014 cm— 3 。

　　注 : 硅单晶中氮含量以每立方厘米中的原子数计 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 14264 半导体材料术语

　　GB/T 22461 表面化学分析 词汇

　　GB/T 32267 分析仪器性能测定术语

　　3 术语和定义

　　GB/T 14264 、GB/T 22461 和 GB/T 32267 界定的术语和定义适用于本文件 。

　　4 原理

　　在高真空(真空度优于 5 × 10 — 7 pa)条件下 , 钝离子源产生的一次离子 , 经过加速 、纯化 、聚焦后 , 轰击硅单晶样品表面 , 溅射出多种粒子 。将其中的离子(即二次离子)引出 , 通过质谱仪将不同质荷比的离子分开 , 记录不同速率条件下样品中氮硅复合离子( 14 N28 si— )与主元素硅( 28 si— 或者29 si— 或者30 si— )的离子强度 。利用相对灵敏度因子法定量分析并计算出硅单晶中氮元素的含量以及仪器的背景氮含量 。

　　5 干扰因素

　　5 . 1 样品表面硅氧化物中的氮可能影响氮含量测试结果的准确度 。

　　5 . 2 从二次离子质谱仪(sIMs)仪器样品室和固定装置上吸附到样品表面的氮可能影响氮含量测试结果的准确度 。

　　5 . 3 测试氮的时候采用质量数为 42 的14 N28 si 离子 , 碳会以12 C30 si 形式干扰氮含量的测试 , 从而影响氮含量测试结果的准确度 。

　　5 . 4 样品室的真空度会影响氮含量测试结果的准确度 。

　　5 . 5 在样品架窗口范围内的样品分析面应平整 , 以保证每个样品移动到分析位置时 , 其表面与离子收集光学系统的倾斜度不变 , 否则会降低测试结果的准确度 。

　　5 . 6 测试的准确度随着样品表面粗糙度的增大而显著降低 , 应通过对样品表面化学机械抛光或化学腐

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　　蚀抛光降低表面粗糙度 。

　　5 . 7 标准样品中氮元素含量的不均匀性会影响测试结果的准确度 。

　　5 . 8 标准样品中氮元素标称含量的偏差会导致测试结果的偏差 。

　　6 试验条件

　　温度范围为 15 ℃ ~25 ℃ , 相对湿度不大于 75% 。

　　7 试剂和材料

　　液氮或液氦 , 用于冷却仪器 。

　　8 仪器设备

　　8 . 1 扇形磁场二次离子质谱仪(SIMS) :应配备有钝一次离子源 、能检测负二次离子的电子倍增器 、法拉第杯检测器和样品架;仪器分析室的真空度优于 5 × 10 — 7 pa , 质量分辨率优于 300 。样品架用于装载样品 , 应能使样品的分析面处于同一平面并垂直于引出电场(一般为 5 000 v±500 v) 。

　　8 . 2 烘箱 。

　　8 . 3 触针式表面轮廓仪 。

　　9 样品

　　9 . 1 通用要求

　　样品的分析面应平坦光滑 , 表面粗糙度(Ra)不大于 2 nm 。样品尺寸应适合放入样品架内 , 典型尺寸为边长 5 mm~10 mm 的近似正方形 , 厚度为 0. 5 mm~2 . 0 mm 。

　　9 . 2 标准样品

　　使用有证标准样品或可以溯源的标准样品 。如没有标准样品 , 则通过离子注入法制备获得(建议注入14 N 离子 , 注入的能量为 200 kev , 注入的剂量为 1×1014 cm—2 ) 。

　　硅单晶标准样品 , 其硼含量应小于 1×1017 cm— 3 , 氮元素的分布不均匀性应不大于 5% 。

　　注 : 通过测试样品中心及距中心 1/2 半径距离的互相垂直的两直线端点的氮含量 , 5 点测试结果的相对标准偏差能作为分布不均匀性 。

　　9 . 3 测试样品

　　测试样品应符合 9 . 1 的要求 。

　　10 试验步骤

　　10 . 1 样品装载及准备

　　将样品装入二次离子质谱仪(SIMS)的样品架 , 检查确认样品平坦地放在窗口背面 , 并尽可能多地覆盖窗口 。一次装入的样品包括硅单晶标准样品和测试样品 。

　　将装有样品的样品架放在 100 ℃ ±10 ℃的烘箱中烘烤 1 h后 , 直接装入二次离子质谱仪内 。

　　2

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　　10 . 2 仪器调试

　　如果需要冷却装置 , 则将液氮或液氦装入冷阱 。按照仪器说明书开启仪器 , 直至二次离子质谱仪各项指标达到仪器说明书规定的要求 。

　　10 . 3 样品测定

　　10 . 3 . 1 将样品架导入分析室后 , 等待一段时间 , 直到分析室真空度恢复到正常水平(优于 5 × 10 — 7 pa) 。

　　10 . 3 . 2 对于标准样品 , 使用钝一次离子束 , 检测负二次离子14 N28 si— , 检测在剖析的中间阶段或结束的时候的主元素负离子( 28 si— 或29 si— 或30 si— ) 。分析全部结束后 , 再使用触针式表面轮廓仪测量该标准样品中 sIMs测试坑的深度 。

　　10 . 3 . 3 移动样品架到合适的位置 , 对中测试样品在靠近窗口中心的地方进行溅射 , 开始 sIMs剖析 。

　　10 . 3 . 4 如果测试的样品中硼的含量低于 1×10 17 cm— 3 , 则只检测负二次离子12 C28 si— 、14 N28 si— 和主元素信号( 28 si— 或29 si— 或30 si— ) 。如果硼的含量不小于 1×10 17 cm— 3 , 还应检测11 B28 si— 负离子 。

　　10 . 3 . 5 分析测试样品的时候 , 选择两个扫描面积 , 一个保证溅射速率最大 , 一个提供小的溅射速率 。选择适当的光阑或其他方式 , 在改变一次束扫描面积的情况下 , 分析面积维持不变 。测试样品时用电子倍增器记录的负离子的计数率应低于 1×10 5 计数/s 。

　　10 . 3 . 6 将一次束调到中间 , 用能产生一个低溅射速率的扫描面积开始 sIMs剖析 , 至少收集 20 个数据点 , 并且所有的信号都能提供相对稳定的强度 。

　　10 . 3 . 7 改变扫描面积 , 增加信号强度 , 继续剖析 , 至少收集 20 个数据点 。

　　10 . 3 . 8 改变扫描面积回到初始的条件 。

　　10 . 3 . 9 如果硼含量不大于 1×10 17 cm— 3 , 则从测得的质量数 42 的计数率中减去测得的 0 . 034 1 倍质量数为 40 的计数率 , 得到校正的质量数为 42 相对应于真正的 N( 14 N28 si— )的计数率 。

　　10 . 3 . 10 如果硼含量大于 1 × 10 17 cm— 3 , 则从碳的校正计数率里减去 0 . 058 3 倍质量数为 39 的计数率 , 以扣除硼的干扰 。

　　1 1 试验数据处理

　　1 1 . 1 一个已知杂质面密度的标准材料的 sIMs剖析曲线上 , 某元素在基体中的相对灵敏度因子按公式(1)计算 :

　　RSF ……………………………( 1 )

　　式中:

　　RSF — 将离子强度比转换为浓度的相对灵敏度因子 , 单位为每立方厘米(cm—3 ) ;

　　D — 杂质的面密度 , 单位为每平方厘米(cm—2 ) ;

　　n — 剖析曲线上的数据周期 ;

　　I m — 主元素同位素的二次离子强度 , 单位为计数每秒(计数/s) ;

　　d — 溅射深度 , 单位为厘米(cm) ;

　　SI i — 杂质同位素二次离子强度总和(整个剖析深度的计数率) , 单位为计数每秒(计数/s) ;

　　I b — 杂质同位素固定的背景强度 , 单位为计数每秒(计数/s) 。

　　1 1 . 2 测试样品中氮元素的含量按公式(2)计算:

　　=RSF

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　　式中:

　　[N] — 测试样品中氮元素的含量 , 单位为每立方厘米(cm—3 ) 。

　　RSF— 将离子强度比转换为浓度的相对灵敏度因子 , 单位为每立方厘米(cm—3 ) ;

　　I n — 高溅射速率条件下氮硅复合离子( 14 N28 si— )的二次离子强度 , 单位为计数每秒(计数/S) ; I Si — 高溅射速率条件下主元素硅(例如30 si— )的二次离子强度 , 单位为计数每秒(计数/S) ;

　　I N — 低溅射速率条件下氮硅复合离子( 14 N28 si— )的二次离子强度 , 单位为计数每秒(计数/S) ; I sI — 低溅射速率条件下主元素硅(例如30 si— )的二次离子强度 , 单位为计数每秒(计数/S) 。

　　1 1 . 3 每个测试样品的背景氮浓度按公式(3)计算:

　　=RSF … … … … … … … … … … …

　　式中:

　　[Nb ] — 高溅射速率下的背景氮浓度 , 单位为每立方厘米(cm—3 ) ;

　　RSF — 将离子强度比转换为浓度的相对灵敏度因子 , 单位为每立方厘米(cm—3 ) ;

　　I n — 高溅射速率条件下氮硅复合离子( 14 N28 si— )的二次离子强度 , 单位为计数每秒(计数/S) ; I Si — 高溅射速率条件下主元素硅(例如30 si— )的二次离子强度 , 单位为计数每秒(计数/S) ;

　　[N] — 测试样品中氮元素的含量 , 单位为每立方厘米(cm—3 ) 。

　　12 精密度

　　选取 2 片硅单晶样品(氮含量在 5 . 0 × 1014 cm— 3 ~5 . 0 × 1015 cm—3 之间)在两个实验室采用二次离子质谱仪按照本文件规定的方法对样品中氮含量分别进行测试 。该方法单一实验室的相对标准偏差不大于 5% , 两个实验室间的相对标准偏差不大于 8% 。

　　13 试验报告

　　试验报告应至少包括以下内容:

　　a) 样品来源及编号 ;

　　b) 标准样品和测试样品的编号 ;

　　c) 测试样品的取样位置 ;

　　d) 测试样品中氮元素的含量 ;

　　e) 快速扫描的时候氮的仪器背景浓度 ;

　　f) 本文件编号 ;

　　g) 使用的仪器型号 ;

　　h) 试验条件 ;

　　i) 操作者及测试日期 。

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