GB T 20176-2006 表面化学分析.二次离子质谱.用均匀掺杂物质测定硅中硼的原子浓度.pdf

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1、ICS 71.040.40 N 33 中华人民ft _，、道圈和国国家标准GB/T 20176-2006/ISO 14237 :2000 表面化学分析二次离子质谱用均匀掺杂物质测定硅中珊的原子浓度Surface chemical analysis-Secondary-ion mass spectrometry-Determination of boron atomic concentration in silicon using uniformly doped materials CISO 14237: 2000 , IDT) 2006-03-27发布中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国

2、国家标准化管理委员会2006-11-01实施发布G/T 20176-2006/180 14237: 2000 目次前言.1 引言.n 1 范围-2 规范性引用文件3 原理4 参考物质-5 仪器.26 样品.2 7 步骤.2 8 结果表述.5 9 测试报告附录A(资料性附录)硅片中载流子浓度的确定. 6 附录B(资料性附录)用SIMS测量棚同位素比8附录规范性附录)仪器性能的评估步骤.10 附录D(规范性附录)NIST SRM 2137深度剖析步骤12附录巨资料性附录)巡回测试统计报告.14 G/T 20 176-2006/ISO 14237 :2000 前本标准等同采用ISO14237: 20

3、00(表面化学分析二次离子质谱用均匀掺杂物质测定硅中棚的原子浓度。本标准附录C、附录D为规范性附录，附录A、附录B、附录E为资料性附录。本标准由全国微束标准化技术委员会提出。本标准由全国微束标准化技术委员会归口。本标准负责起草单位:清华大学电子工程系。本标准主要起草人:查良镇、陈旭、黄雁华、王光普、黄天斌、刘林、葛欣、桂东。I GB/T 20176-2006/180 14237 :2000 引本标准为用二次离子质谱Csecondary-ionmass spectrometry，SIMS)对均匀掺杂硅片中棚原子浓度的确定而制订。SIMS的定量分析需要参考物质。价格昂贵经标定的参考物质仅适用于特定

4、基体与杂质的组合物。在每一次SIMS测量中都不可避免地要消耗这些参考物质。每个实验室可制备标定参考物质校准的二级参考物质，它们在日常分析中很有用。本标准描述用二级参考物质进行单晶硅中棚定量分析的标准步骤，该二级参考物质经己标定注入棚参考物质校准。E GB/T 20176一2006/ISO14237 :2000 表面化学分析二次离子质谱用均匀掺杂物质测定硅中珊的原子浓度1 范围2 规范性引用文件下列文件中的条君、的修改单(不包括勘2口ISO 5725-2 : 1 和再现性确定的3 原理氧或铠离用均匀掺z4 参考物质参考物质(certifie 4.2 二级参考物质4.2.1 二级参考物质用物质用于

5、日常分析。推荐用达成协议的各方研究)的标准参考物质2137中棚己标定参考物质。4. 2.3 应该获得具有棚原子浓度介于1X 1016 atorns/ crn3 1 X 1020 atorns/crn3间的棚掺杂晶片。推荐使用表1给出的3种掺杂水平。如果仅用一种水平，应选择RM-B或RM-C。还应有一块不掺棚的晶片用于检测本底。应选择棚浓度变化率较小的晶片，棚浓度变化率每厘米应小于5%。注:近似棚原子浓度可从晶片电阻率得到的载流子浓度确定。电阻率测量的步骤和电阻率与载流子浓度间转换的步骤见附录A。GB/T 20176一2006/ISO14237: 2000 表1各种体参考物质名称哪掺杂水平ato

6、ms/cm3 RM-A 低1 X 1016 1 X 1017 RM-B 中5X 1017 5 X 1018 RM-C 高1 X 1019 1 X 1020 RM-BG 无100m2 一次离子扫描面积分析面积的4倍或更大表3铠离子束的测量条件要素特性一次离子的类型Cs+ 二次离子的极性负分析面积100m 一次离子扫描面积分析面积的4倍或更大7.2 优化二次离子质谱仪器的设定7 2. 1 依照厂商的说明书或当地成文的步骤，设定所需的仪器参数且准直离子光学系统。GB/T 20176-2006/1S0 14237: 2000 7.2.2 依照厂商的说明书或当地成文的步骤，确保一次离子流和质谱计的稳定性

7、。7.3 进样在样品即将引人SIMS仪器前，应该用压力除尘器去除样品表面的尘埃。待样品引人分析室后，直到压力恢复到厂商或当地成文的步骤中所推荐的正常值后，分析才可开始。注:分析室内残余气体会产生lOB28Si1H本底信号，这将干扰B28Si的检测，所以当使用绝离子束时需注意获得一个更好的真空环境。7.4 被测离子7.4. 1 用氧离子束时，应当检测10B和11B作为棚二次离子。用钝离子束时，应当检测10B 28 Si和11 B 28 Si一作为棚二次离子。7.4.2 依照厂商的说明书或当地成文的步骤，应检测有适当离子强度的硅离子类型。注:如仪器具有静电计检测模式，推荐用静电计检测28Si+作为

8、B+的参考离子。对脉冲计数模式，硅离子的强度应小于1X 10 counts/so对BSi-检测，Si2是更可取的参考离子。7.5 校准7.5. 1 己标定参考物质的测量步骤7.5. 1. 1 依照附录D中规定的步骤，已标定参考物质中跚(无论B10还是B11)深度剖面应使用当天体参考物质测量所用的相同条件来测量。应当依照D.7规定的步骤来计算巳标定参考物质的平均积分离子强度比A，mp。7.5. 1. 2 用下式可求出己标定参考物质的相对灵敏度因子:RSF,mp =/A，mp 式中zRSF叫从己标定参考物质中获得的同位素相对灵敏度因子;一一己标定参考物质中注入跚(无论11B还是10B)的剂量。7.

9、5.2 各种体参考物质的测量步骤7.5.2.1 测量应在样品架窗口的中心区进行。当体参考物质的棚离子强度高时，应注意不要使检测器饱和。若唰离子强度高于1X 105 counts/s，应降低一次离子的强度。7.5.2.2 所有体参考物质都应测量棚和硅的深度分布。下述数据的取样应在所有的表面污染都己去除且二次离子强度达到稳定值之后开始，但在离子轰击使表面粗糙以致二次离子强度发生变化之前就应结束。7.5.2.3 在同一分析位置，珊和硅二次离子强度的测量应交替进行至少10个循环，每个循环内对每种棚同位素至少持续1秒。该步骤在向一样品表面的不同位置应重复3次。然后再测量另一块样品。如在某一个测量点硅离子

10、强度的变化小于厂商所保证的值或当地成文的步骤确定为可接受的值，则可视为常数。在这种情况下，就不必逐个循环测量硅离子强度，它可在每个分析位置的任一循环测量。7.5.2.4 RM-BG中被检测的棚二次离子强度应该用作分析的本底值。7.5.2.5 对每块体参考物质的某一测量点，棚与硅的离子强度比都应依次循环测量，然后用下列公式算出该点所有测量循环的平均值，并进一步对3个测量点的平均值取平均:J11E:L 1 ,) -I，ij j11=三(tz川式中:IJ;一一每块参考物质测量循环i和测量位置j的11B离子强度;ITJ一一一每块参考物质测量循环z和测量位置j的硅离子强度;3 GB/T 20176-20

11、06/ISO 14237: 2000 jl1一一每块体参考物质的B11平均离子强度比;n一一每块体参考物质每个测量点测量循环的总数。同样的步骤应该用于确定10B的平均强度比10。7.5.2.6 SIMS仪器实测的棚同位素比应该用这些体参考物质中的某一块来确定。由于10B与30Si3+ 间可能存在质谱干扰，它在棚原子浓度较低的样品中可能显著，因而推荐用有已知同位素比的棚且含量超过lXl017atoms/cm3的体参考物质。测得的同位素比应该用下式计算:式中:J且一一来自RM-BG的10B式中:7.5.1得到的应该用校准的相对式中:7.6 试样的测量循环的平均值，得到的平均值应对3-1、7. 6.

12、2 工作相对灵敏度因子的确定jl1_民-一一一一一一jlO_lb 11B原子浓度都度比，然后计算出对所有测量7. 6.2.1 用事先校准的一块体参考物质来确定测量试样的工作相对灵敏度因子和质量歧视修正因子。推荐选择与试样的棚离子强度尽可能接近的体参考物质。用7.5.3中确定且经校准的棚原子浓度作为参考值。注:当样品的棚离子强度低于1X 10 co unts/ s时，不推荐使用RM-A。7.6.2.2 依照7.5.2中规定的步骤，所选体参考物质和RM-BG试样应在相同的条件下同一天测量。在一个测量位置，每种棚同位素对硅的离子强度比应该逐个循环测量确定，然后计算对所有测量循环的平均值，得到的平均值

13、应对3个测量点进一步做平均。4 G/T 20 176-2006/ISO 14237 :2000 8 结果表述8. 1 计算方法8. 1. 1 工作相对灵敏度因子应由下式得到:一口比叫-FJ户七一1-m-vJ 一一hr nb R 式中:8. 1. 2 式中:n品一一从RM8. 1. 3 应根据下式中:Cll -试CO一一试C一一试性!回复、2规巡重的问了是家川出的国5结意个PE注4KK录得经按附值9 测试报告测试报告应包括以下信息:a) 所有标识样品、仪器、实验室及分析日期商16要信息;b) 按本标准规定使用的己标定参考物质和体参考物质;c) 按本标准规定的有关同位素比修正信息;d) 仪器性能信

14、息和本标准规定所用线性评估方法(如装置仪器性能需要确认时he) 结果及其表达形式;f) 分析过程中记录的任何反常情况;g) 本标准中未规定的任何操作，以及任何会影响结果的选项操作。5 GB/T 20176-2006/180 14237: 2000 附录A(资料性附景)硅片中载流子浓度的确定A.1 概要本附录给出二级参考物质(见4.2)硅片中棚原子浓度确定的信息。A.2 硅体样晶中载流子浓度的确定可用表A.l所列的各种方法直接确定体硅晶中载流子浓度。然而由于这些方法要用到肖特基结，它们的应用受到限制。其适用的载流子浓度也限于4XIOl3cm-38XIOI6 cm-3o 表A.1体硅片载流子浓度确

15、定的A8TM标准F 1392 用水银探针通过电容-电压测量确定硅片净载流子浓度剖析的标准测试方法F 1393 用水银探针通过米勒反馈剖析测量确定硅片净载流子浓度的标准测试方法注:ASTM American Society for Testing and Materials)是美国试验和材料协会。因而常在整个电阻率范围内测量电阻率并将其转化为载流子浓度。表A.2给出的F43和F84是测量电阻率的标准方法，而F723是电阻率和载流子浓度间的标准转化规程。通常参照F43用F84 测量出电阻率，再按F723将电阻率转化为载流子浓度。表A.2测量体硅片电阻率和载流子浓度转换的A8TM标准F 43 半导体

16、材料电阻率的标准测试方法F 84 用一列式四探针测量硅片电阻率的标准测试方法F 723 掺棚和掺磷的硅电阻率与掺杂浓度转换的标准规程A.3 外延硅层载流子浓度的确定A. 3.1 载流子浓度的直接确定可用表A.3所示各种标准直接确定外延硅层的载流子浓度。然而由于肖特基结的形成或样品的制备，其适用范围限于载流子浓度从4XIOl3cm8XIOI6 cm。表A.3确定外延硅层载流子浓度的ASTM标准F 1392 用水银探针通过电容-电压测量确定硅片净载流子浓度剖析的标准测试方法F1393 用水银探针通过米勒反馈剖析测量确定硅片净载流子浓度的标准测试方法A.3.2 电阻率的转换外延硅层的电阻率可转化为载

17、流子浓度。先在具有不同传导类型的基体上生长出想要传导类型的外延层，然后测出外延层的薄层电阻和厚度，再用薄层电阻乘厚度，通常就可得到外延层的电阻率。表A.4给出外延硅层薄层电阻的标准测试方法。利用外延层厚度，根据F723将电阻率转化为载流子浓度。表A.4测量外延硅层薄层电阻的ASTM标准F374 用一列式四探针测量硅外延层、扩散层、多晶硅层和离子注入层的薄层电阻标准测试方法A. 3. 3 测量外延层厚度的标准表A.5列出了外延层厚度的标准测试方法。F95具有良好的可重复性，但如外延层的掺杂浓度高6 GB/T 20176-2006/ISO 14237: 2000 时就不适用了(最大值对p型为2.8

18、X1017 cm-3 ，n型为7.8X 1016 cm勺。基体的掺杂浓度也应高(对p型至少为3.2X 1018 cm斗，n型为1.3X 1018 cm勺。F 110说明磨角染色的传统方法。此法适于外延层和基体间传导性类型不同或电阻率差别在1个量级以上的情况，甚至适于那些不能被F95测量具有高载流子浓度的外延层。然而，用F110测量厚度超过25m的外延层是困难的，因为磨角表面对用于此厚度测量的干涉显微镜的光学系统倾斜过大。对以上任一标准，外延层与基体间过渡区的宽度都影响外延层厚度的测量值。此过渡区对薄外延层(如5m)厚度测量的影响要大于厚外延层(虫日100m)。表A.5测量外延硅层厚度的ASTM

19、标准F 95 用红外色散分光光度计对低掺杂硅外延层厚度(在重掺杂硅基体上)的标准测试方法F110 用磨角染色对硅外延层或扩散层厚度的标准测试方法A. 3. 4 可供选择的确定外延层厚度方法表A.6给出用扩展电阻探针测量硅片电阻率剖面分布的标准测试方法和制备测量样品的标准规程。用F672可测量p-n结的深度或不同电阻率膜层间的边界，它能确定外延层的厚度。这种方法无需考虑样品的载流子浓度就能确定外延层的厚度。此外，还能确定较厚外延层(如100m)的厚度。当载流子浓度高到做cv测量的肖特基结难以形成时，这种方法更可取。表A.6测量硅扩展电阻的ASTM标准F 672 用扩展电阻探针测量垂直于硅片表面电

20、阻率剖面分布的标准测试方法F 674 用于扩展电阻测量的硅制备标准规程A.4 总结A. 4.1 体硅样晶参照F43用F84测出电阻率并将结果用F723转换成载流子浓度。如载流子浓度在肖特基结可形成的范围内，则F1392或F1393可用。A.4.2 外延硅样晶如载流子浓度在肖特基结可形成的范围内，则F1392或F1393可用。如载流子浓度在此范围外，更可取的作法是先用F374测出薄层电阻并用F672测出外延层厚度来确定外延层电阻率，再用F723将电阻率转换为载流子浓度。7 GB/T 20 176-2006/ISO 14237 :2000 附录B(资料性附录)用SIMS测量珊同位素比B.1 概要曾

21、在实验室巡回测试中对棚同位素比做了评估。有20个实验室对础原子浓度约为1 X 1019 atoms/cm3的掺棚体硅样品做了SIMS分析。这些结果与精确同位素分析的结果做了比较。B.2 试样从一块棚掺杂浓度约为1个7mm X 7 mm的小块，另一片用NAKAM依照7.5.2B.4 同位素比B. 4.1表B.1B. 4. 2 精确同fB. 4. 3 实验室1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 8 E，C.J.提出的方法见x , Chemical Geology 1. 011 1. 030 1. 069 1. 165 1. 020 1. 087 1. 030 3. 73

22、9 1. 049 4.263 o. 920 3. 762 1. 043 3. 566 1. 100 3. 878 1. 011 3.615 1. 074 5.098 O. 769 GB/T 20176-2006/ISO 14237 :2000 表B.1(续) 器仪检测方式实验室o. 944 4. 155 四极质谱正离子15 1. 100 3. 566 6 O. 993 3. 950 11 1. 043 3. 762 16 0. 926 . 2 9 1. 100 1. 036 1. 005 1. 046 1.030 1. 024 1. 100 1. 061 句阳图川同边。FOaaz4. 236

23、3. 566 17 18 3 19 11 eHZ偶记E20 11 2 GB/T 20176一2006/18014237: 2000 附录C(规范性附录)仪器性能的评估步骤C.1 概要仪器的性能应该用表1给出的3块不同跚掺杂水平体参考物质(RM-A，RM岳和RM-C)和不掺棚参考物质(RM-BG)来评估。参考物质中跚原子浓度应依照附录A规定的步骤由一位能执行这些步骤的专家确定。C.2 体参考物质的测量步骤依照7.5.2规定的步骤。C.3 质量分拂本领C. 3.1 RM-C中IOB与llB间峰谷的最小离子强度应低于11B峰最大离子计数的1%。C. 3. 2 29 Si 30 Si和30Si 30

24、Si间峰谷的最小离子强度应低于29Si 30 Si峰最大离子计数的1%。C.4 最小离子强度RM-A中的二次珊离子(或棚原子团离子)强度应至少比用RM-BG测得的本底强度高3倍。C.5 最低精密度C.5.1 为得到平均强度比和标准偏差，RM-C中的棚离子(或棚原子团离子)对硅离子(或硅原子团离子)的强度比应在样品表面不同点测量3次。标准偏差不应超过平均强度比的10%。C.5.2 为得到平均离子强度比和标准偏差，RM-A中的唰离子(或棚原子团离子)对硅离子(或硅原子团离子)的强度比应在样品表面不同点测量3次。标准偏差不应超过平均强度比的20%。注z实验室问标准偏差用下式定义:=J占主(Xi- X

25、AV )2 式中35一-X的标准偏差:n-X的测量总次数pXAV一X的平均值。C.6 测量的线性C. 6.1 相对灵敏度因子的确定应由下式得出每种棚原子浓度的相对灵敏度因子z10 式中:r、bulkRSFulk =一二L一一寸立L一一町1+。是八nlJ/i;下标走表示RM-A、RM-B和RM-C:M 每块体参考物质的真实同位素比;RSF%ulk一一每块体参考物质的相对灵敏度因子;C%ulk一一用电阻率确定每块体参考物质的棚原子浓度;J品一一从RM-BG得到llB的平均本底离子强度比。如果句未知，应该用天然的同位素比(其值为4.025)。C.6.2 线性评估GB/T 20176-2006/180

26、 14237: 2000 应算出3块体参考物质相对灵敏度因子的平均值和标准偏差。标准偏差不应超过平均相对灵敏度因子的20%。如超过20%，应改变测试条件以减小偏差。11 GB/T 20 176-2006/ISO 14237 :2000 D. 1 二次离子质谱计的调整D.2 优化二次离子质谱计的设自D.5 深度剖析，为每循环8nm或应交替测量0.167m(见图D.l)。应、注1:以上步骤是深度标度校巡回测试表明，按本步骤和D.7 积分强度的确定附录D(规范性附录)NIST SRM 2137深度剖析步骤到o.4m的深测试20个以上棚对硅的离子强度比应该在一个测量点上由逐个循环的每次测量确定，然后应

27、该用下式对所有测量循环计算出积分离子强度比。在表面区域内由自然氧化或表面污染引起的任何异常强度都应从积分强度中扣除。得到的积分强度比应对3个测量点进一步取平均。A lmp -唁去(乌盐)叫式中:A叫NIST标准参考物质的平均积分离子强度比;n 每个测量点上深度剖析测量循环的总数;12 GB/T 20 176-2006/ISO 14237 :2000 IJL一-NIST标准参考物质在测量循环i和测量位置j的珊的离子强度;ITJ一-NIST标准参考物质在测量循环i和测量位置j的硅的离子强度;18(;一-NIST标准参考物质的平均本底离子强度;.z一一深度剖析的深度间隔.z= (总深度)/nJ。20

28、 10 8. 37X 1019 cm-3 13 GB/T 20176-2006/ISO 14237: 2000 E. 1 概要附录E(资料性附录)巡回测试统计报告经4个国家的12个实验室巡回测试后制订了本标准。被分析的4种体参考物质覆盖了此方法的范围。依照ISO5725亿规则计算了重复性和再现性。E. 2 测试程序的设计要求每个参加的实验室分析4种样品并报告3个独立的结果。E.3 试样准备了3块棚掺杂浓度分别约为1X1016atoms/cm3, 8X1017 atoms/cm3和5X 1018 atoms/cm3的外延硅片以及一块棚掺杂浓度约为1X 1019 atoms/cm3的体硅片。还准备

29、了一块n型硅片用于本底检测。从这些硅片的中心区切取尺寸为7mmX7 mm的SIMS样品并发给各参加实验室。NISTSRM 2137用作原始参考物质。E.4 日MS分析步骤依照7.5的步骤确定4种掺棚样品的珊原子浓度。用附录B给出的值(0=3.9221)对所有样品修正珊的同位素比。E.5 统计步骤E. 5.1 一致性和非正常值的审查按ISO5725-2，分别用Cochran检验法、Grubb检验法和绘图一致性技术处理数据，从分析中去除所有检验中显示的非正常值。E. 5. 2 重复性和再现性的计算12个用正离子检测模式的实验室和6个用负离子检测模式的实验室完成了这项测试。依照ISO 5725亿处理

30、各实验室的结果，给出平均值、各实验室的方差及实验室间的方差。计算出相应的重复性和再现性。从而得到以下信息zsi-重复性方差;st一一实验室间的方差;5主-一再现性方差;2 I .2 SR = s; -r- s. E.6 统计分析结果E. 6.1 表E.1给出正离子检测模式的统计分析结果。图E.1给出这些数据的图示。14 G/T 20 176-2006/ISO 14237 :2000 表E.1正离子检测模式珊原子浓度的重复性和再现性序号实验室数平均值S, SR 1 11 9.15 X 1015 1. 38 X 1015 2. 68X 1015 2 11 8.05 X 1017 1. 73 X 1

31、016 6.05 X 10 3 10 1. 08 X 1019 2. 15X 1017 6. 14X 1017 4 11 4.47X1018 7.36X1016 5.50 X 1017 100 I EE t句M 饲。 。 1015 1015 100 平均值图E.1表E.1数据Sr和SR与平均值的关系圄E. 6. 2 表E.2给出负离子检测模式的统计分析结果。图E.2给出这些数据的图示。表E.2负离子检测模式珊原子浓度的重复性和再现性序号实验室数平均值S, SR 1 5 1. 40 X 1016 8.25 X 1015 9.87 X 1015 2 6 7. 29X 1017 4. 09X 101

32、6 1. 53 X 1017 3 5 1. 06 X 1019 1. 12 X 1017 1. 11 X 1018 4 5 4.36 X 1018 1. 83 X 1017 4. 17X lO17 L 100 I 1019卜EE 饲 饲M 。 。 1015 1015 1016 1018 1019 100 平均值圈E.2表E.2数据Sr和SR与平均值的关系固中华人民共和国国家标准表面化学分析二次高子质谱用均匀掺杂物质测定硅中珊的原子浓度GB/T 20176-2006/1S0 14237: 2000 奇峰中国标准出版社出版发行北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销9峰开本880X 1230 1/16 印张1.25 字数32千字2006年11月第一版2006年11月第次印刷9峰书号:155066. 1-28263 定价13.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533GB/T 20176-2006 OOONH h伺创守F。自CON-hFONH阁。