GB T 25188-2010 硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的测量 X射线光电子能谱法.pdf

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1、ICS 71.040.40 G 04 中华人民11: _.、GB 和国国家标准GB/T 25188-2010 硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的测量X射线光电子能谱法Thickness measurements for ultrathin silicon oxide layers On silicon wafers X-ray photoelectron spectroscopy 2010-09-26发布2011-08-01实施数码防伪中华人民共和国国家质量监督检验检瘦总局中国国家标准化管理委员会发布前言本标准由全国微束分析标准化技术委员会提出并归口。本标准起草单位z中国科学院化学研究所、中国计量科

2、学研究院。本标准起草人:刘芬、王海、赵良仲、宋小平、赵志娟、邱丽美。G/T 25188-2010 I GB/T 25188-2010 引硅晶片表面的氧化硅薄层长期以来一直用作硅基场效应晶体管的关键组件一一栅极氧化层，它对微纳电子器件和集成电路的可靠性至关重要。随着器件特征尺寸的日益缩减，栅极氧化层变得越来越薄，目前己达到1nm左右。超薄栅极氧化硅层的制备与质量控制要求对其厚度进行准确测量。例如，国际半导体技术路线图(ITRS)曾提出超薄栅极氧化层厚度测量结果的标准不确定度要达到1.3%的期望值。目前，工业界通常利用椭圆偏振光度法测量10nm以上的薄层厚度。但是，椭圆偏振光度法对表面污染物很敏感

3、，它难以准确测量10nm以下的薄层厚度。在过去的十年中，以M.P. Seah为代表的研究组利用X射线光电子能谱CXPS)技术在硅晶片表面超薄氧化硅层厚度准确测量方面做了大量工作;通过对衰减长度等因子进行精心计算和校正以及正确选择实验条件，使得精确测量硅晶片表面超薄氧化硅层厚度得以实现，测量结果的不确定度可达到2%以内口，2。在国内，中国计量科学研究院和中国科学院化学研究所合作采用Seah等提出的XPS方法已经参加了两次硅晶片表面超薄氧化硅层厚度测量的国际比对并取得国际等效度，同时还对XPS测量中的重要实验条件(如光电子发射角和晶体样品的测试方位角)进行了修正。鉴于微纳电子等行业对于准确测量硅晶

4、片表面超薄氧化硅层厚度的需求，现制定本标准。E GB/T 25188-2010 1 范围硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的测量X射线光电子能谱法本标准规定了一种准确测量硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的方法，即X射线光电子能谱法(XPS)。本标准适用于热氧化法在硅晶片表面制备的超薄氧化硅层厚度的准确测量;通常，本标准适用的氧化硅层厚度不大于6nmm 2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版本均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本

5、适用于本标准。GB/T 22461表面化学分析词汇(GB/T22461-2008 , 1SO 18115: 2001 , IDT) GB/T 19500 X射线光电子能谱分析方法通则GB/T 21006 表面化学分析X射线光电子能谱仪和俄歇电子能谱仪强度标的线性(GB/T 21006一2007,1SO 21270:2004 ,IDT) GB/T 22571 表面化学分析X射线光电子能谱仪能量标尺的校准(GB/T22571-2008 , 1SO 15472: 2001 , IDT) 3 符号下列符号适用于本标准。d 氧化硅层的厚度(nm);L Si2p光电子在氧化硅层中的衰减长度(nm); R

6、氧化硅和元素硅体材料的Si2p峰强度比;。光电子发射角，定义为光电子发射方向与样品平面法线之夹角C); 样品方位角，如对于Si(100)样品以(111)面为界沿110J方向切割成边长为10mm的正方形，即它的零方位角是沿110J方向C);I 氧化硅和元素硅的Si2p峰强度;I 氧化硅和元素硅体材料的Si2p峰强度;u 测量结果不确定度分量;Uc 测量结果标准不确定度;U 测量结果扩展不确定度; 非弹性平均自由程(nm); 位迁移平均自由程(nm); w /(+tr) ; Z 原子序数。4 方法概述4. 1 简述XPS的基本原理参见国家标准GBjT195000 GBjT 22461中确立的术语适

7、用于本标准。1 GB/T 25188-2010 单晶硅基片表面氧化硅层和碳质污染层的模型如图1所示。在二氧化硅和元素硅界面间存在中间氧化物，如:SiZ03、SiO和SizO。本方法需考虑中间氧化物层对氧化硅层厚度测量的影响。当样品表面轻微污染(碳质污染层为0.15nmO. 3旧时时，污染层对厚度测量的影响可以忽略;当样品表面污染较严重时，按6.1.2进行清洗。表面法线Si,O, SiO Si,O -单晶硅圄1硅晶片表面的氧化硅层和污染层结构示意图4.2 厚度计算通过用XPS法测量氧化硅和元素硅的Si2p峰面积来计算氧化硅层的厚度。若不考虑二氧化硅和元素硅界面间存在的中间氧化物，由于二氧化硅和元

8、素硅的Si2p光电子动能接近(相差约4eV)，根据非弹性和弹性散射理论可得关系式(l)IJ:I _ SiO. ds= LSiO cos81n ( 1十一二一分析器方向-b)三角形的Si(lll)样品方位角XPS测量时样晶方位角示意图a)正方形的Si(lOO)样品方位角图2X光源选用MgK线或AIK线，检测区域应选在远离样品边缘1mm以上的中心部位。记录Si2p谱时用重复窄扫描(扫描次数5次以上)。每个样品测量5次以上，每次测量时要取出样品重新安装和进样。数据处理从Si2p光电子谱线扣除X射线伴线产生的光电子伴峰，再进行平滑处理。7.2.2 扣除Shirley本底，扣本底范围:元素Si的Si2p

9、3/2峰的低结合能端2.7 eV至高结合能端8.2 eV，即结合能从96.4eV至107.3eV(元素Si的2P3/2电子结合能指定为99.1eV)。7.2.3 对Si2p谱线进行峰拟合处理，共分6个峰(见图3)，它们的峰位(结合能值)和离元素Si2p3/2峰的距离见表1。测量步骤XPS测量正常样品表面应光滑和洁净，元划痕和污点，然后按照6.2将样品安装在样品托上，并送入7 7. 1 7. 1. 1 谱仪。7. 1.2 7. 1. 3 7. 1. 4 7.2 7.2.1 对测得的Si2p谱线进行拟合时的峰位和峰间距表1PS;02 3 0 2 QM P Ps;o PS;2 0 p血.1/2PS;

10、3/2 峰名自动10 1. 58 100.85 100.05 99.7 99.1 峰位/eV3.96-4.36 除PS叫以外，其余峰位在分峰时都固定不变，半峰宽控制在o.7 eV1. 5 eV。通过峰拟合得到元素Si和各种氧化硅的Si2p峰强度Ia注:有些软件可以直接扣除Si2pl/2峰;此时，Si2p谱线拟合则按5个峰处理。2.48 1. 75 0.95 0.6 。峰间距/eVSi2p,/, 4 500 4 000 1 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 26摇太98 100 104 102 结合能/eV106 500 。硅晶片及其表面氧化硅(d图34 GB/

11、T 25188-2010 7.3 氧化硅层厚度计算用峰拟合得到的Si2p峰强度I(峰面积值)，代人4.1中的式(26)或式(7)，计算氧化硅层的厚度doxide 0计算过程中按照4.2和4.3对各参数进行取值。7.4 测量结果不确定度的评估在测量结果的不确定度评估中，本标准本着简化处理、重点评估和合成重要的不确定度分量(本标准中的不确定度均为相对不确定度)的原则。根据上述原则，Si片表面氧化硅纳米薄层厚度XPS分析测量的不确定度有4类、6个主要分量，具体如下:a) 计数统计学分量，U.该不确定度分量源于信号质量，而信号质量与计数系统的统计学以及峰拟合方法有关。计数的影响比较清楚。峰拟合使用的运

12、算法则能够改善总的A类不确定度z但如果采用非推荐的运算法则，它也能够增加B类不确定度。计数统计学分量属于A类不确定度且仅近似正比于氧化硅层厚度;其通常处于O.0020. 02之间，典型值为0.01。计数统计学分量U.(A) 通过重复测量得到。b) 发射角定位带来的不确定度分量，Ua该不确定度分量包括发射角定位的准确性和精密性，前者属于B类，后者属于A类。精密性Ua (A) 在计数统计学分量中已经得到体现，这里不再考虑。发射角定位的准确性Ua(B) 通常处于O. 0050. 04之间，典型值为0.020c) 衰减长度L引人的不确定度分量(在给定的R值下),UAL 该不确定度分量属于B类不确定度，

13、典型值为0.00450d) 不同实验室采用的分析方法差别引入的不确定度，可分为以下3项:UF一一-仪器商业软件中非标准峰形和峰拟合运算法则带来的不确定度，其量值处于OO.01范围内且近似正比于氧化硅层厚度。Up一一伴线、自旋分裂峰未扣除以及5峰拟合带来的不确定度，其量值处于OO.01范围内且近似正比于氧化硅层厚度。UU-一电子能量分析器输入透镜人口立体角带来的不确定，其量值处于OO.013范围内且近似正比于氧化硅层厚度。通过式(16)计算测量结果的标准不确定度:uc=Jui+ui+zAL十U+U +uh 通过式。7)计算测量结果的扩展不确定度，扩展因子取20U= 2uc 8 测量报告8. 1

14、描述所测样品的起始和终了状态。8.2 报告XPS测量的实验细节，如样品方位角和光电子发射角等。8.3 报告元素Si和氧化硅的Si2p峰强度，给出氧化硅层厚度的计算方法以及测得的厚度。8.4 列出不确定度的主要分量，给出标准不确定度。8.5 报告扩展不确定度。. ( 16 ) ( 17 ) 5 G/T 25188-2010 6 参考文献1J M P Seah , S J Spencer. Surf. Interface Anal. , 2002 , 33: 640652. 2J M P Seah, S J Spencer. Surf. Interface Anal. , 2003 , 35 :5

15、15524. 3J M P Seah , S J Spencer. Surf. Interface Anal. , 2005 , 37: 731 736. 4J M P Seah, I S Gilmore. Surf. Interface Anal. ，2001，31:835846. 5J P J Cumpson, M P Seah. Surf. Interface Anal. , 1997 , 25 :430446. 6J A J ablonski , C J Powell. J. Vac. Sci. Technol. A , 1997 , 15: 20952106. 7J M P Seah

16、 , S J Spencer. J. Vac. Sci. Technol. A , 2003 , 21(2) :345352. 8J 刘芬，赵志娟，邱丽美，赵良仲，王海，宋小平.科学研究月刊.2007，27(3):87-89. EON-mNH阁。华人民共和国家标准硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的测量X射线光电子能谱法GB/T 25188-2010 国白每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铸印张O.75 字数13千字2010年12月第一次印刷开本880X12301/16 2010年12月第一版* 16.00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)68533533书号:155066. 1-40885定价GB/T 25188-2010 打印日期:2011年1月12日F002