本标准详细说明了用标定的均匀掺杂物质确定单晶硅中硼的原子浓度的二次离子质谱方法。 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 GB/T20176-2006 标准下载解压密码：www.bzxz.net

ICS71.040.40
中华人民共和国国家标准
GB/T20176--2006/IS014237:2000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Surface chemical analysis-Secondary-ion mass spectrometryDetermination ofboron atomic concentration in silicon using uniformly doped materials（ISO14237:2000,IDT）
061214000097
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国家标准化管理委员会
2006-11-01实施
GB/T20176—2006/IS014237:2000前言
规范性引用文件
参考物质
结果表述
测试报告
附录A(资料性附录）
附录B(资料性附录)
附录C(规范性附录)
附录D(规范性附录)
附录E(资料性附录)
硅片中载流子浓度的确定
用SIMS测量硼同位素比
仪器性能的评估步骤
NISTSRM2137深度剖析步骤
巡回测试统计报告
GB/T20176-2006/ISO14237:2000斤二次离子质谱
用均匀掺杂物质测定硅中硼的
本标准等同采用IS014237：2000《表面化学分析原子浓度》。
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。GB/T20176—2006/IS014237:2000引言
本标准为用二次离子质谱（secondary-ionmassspectrometry，SIMS)对均匀掺杂硅片中硼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硼定量分析的标准步骤，该二级参考物质经已标定注入硼参考物质校准。
1范围
GB/T20176—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硼的原子浓度本标准详细说明了用标定的均匀掺杂物质（用注人硼的参考物质校准）确定单晶硅中硼的原子浓度的二次离子质谱方法。它适用于均匀掺杂硼浓度范围从1×10l6atoms/cm～1×102atoms/cm。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，其最新版本适用于本标准。ISO5725-2:199么测量方法和结果的准确度（真实性和精密度）第2部分：标准测量方法重复性和再现性确定的基本方法
3原理
氧或艳离子束
束撞击到样品表面并对发射出的硼和硅的二次离子进行质量分析和检测。用均匀掺杂的二
级参考物质（经离子注入原始参考物质校准过的）作为工作参考物质。4参考物质
4.1原始参考物质
原始参考物质用于确定二级参考物质中硼的原子浓度。原始参考物质应是一种硅中注硼的已标定参考物质（certifiedreferencematerial，CRM)。注：美国国家标准和技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的标准参考物质2137(NISTStandard ReferenceMaterial 2137，以下称为NISTSRM)是当前唯指定的硅中硼已标定参考物质。4.2二级参考物质
4.2.1二级参考物质用于确定各测试样品中硼的原子浓度、至少应有一块掺硼和一块不掺硼的参考
物质用于日常分析。推荐用另两块不同硼掺杂水平的参考物质来确定仪器的性能（见附录C)。4.2.2二级参考物质（以下称为体参考物质）是单晶硅片或外延层厚度约为100μm的外延硅片，且应该用具有天然同位素比的硼均匀掺杂。4.2.3应该获得具有硼原子浓度介于1×1016atoms/cm~1×102atoms/cm间的硼掺杂晶片。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。还应有一块不掺硼的晶片用于检测本底。
应选择硼浓度变化率较小的晶片，硼浓度变化率每厘米应小于5%。注：近似硼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/T20176—2006/IS014237:2000名
表1各种体参考物质
硼掺杂水平
atoms/cm
低1×1016~1×101wwW.bzxz.Net
中5×1017~5×1018
高1×1019~1×1020
无<1×1014
用以下方法之一确定从4.2.2选出体参考物质B\对Bl°的同位素比。应该根据7.5.2规定的测量步骤，用磁偏转二次离子质谱仪器检测BSi-离子来评估同位素比。b)
应假定体参考物质具有标准天然同位素成分，原子百分比为19.9%的1°B和80.1%的11B即11B原子对1°B原子比为4.025。然而，特定材料的硼同位素比与天然同位素比可能有士5%的偏差。
注：由于仪器的不同和被检测离子的类型的不同，SIMS测出的同位素比常有偏差。在磁偏转质谱仪器中1°B28Si与\B28Si-的偏差比\B与\B要小(见附录B)。5仪器
用有氧离子源和（或）离子源的二次离子质谱仪器。-旦仪器的性能需要证实时，应执行附录C中规定的步骤。C.6规定的线性测量步骤可用当地成文的步骤代替。
被分析的样品应具有镜面抛光的表面。样品应切割成适于分析的尺寸并在必要时去油和清洗。7步骤
7.1二次离子质谱仪器的调试
如使用氧离子束，见表2。如使用离子束，见表3。没有在此列出的其他条件应参照厂商的说明书或当地成文的步骤设定。
一次离子的类型
二次离子的极性
分析面积
一次离子扫描面积
一次离子的类型
二次离子的极性
分析面积
一次离子扫描面积
7.2优化二次离子质谱仪器的设定氧离子束的测量条件
>100 μm2
分析面积的4倍或更大
钝离子束的测量条件
>100 μm2
分析面积的4倍或更大
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。2
GB/T20176—2006/IS014237:20007.2.2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。7.3进样
在样品即将引入SIMS仪器前，应该用压力除尘器去除样品表面的尘埃。待样品引入分析室后，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\B28SiH-本底信号，这将干扰\B28Si-的检测，所以当使用艳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1°B和\B作为硼二次离子。用艳离子束时，应当检测1°B28Si-和11B28Si-作为硼二次离子。
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2Si+作为B+的参考离子。对脉冲计数模式，硅离子的强度应小于1X105counts/s。对BSi检测，Siz是更可取的参考离子。7.5校准
7.5.1已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，已标定参考物质中硼（无论B1°还是B1）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规定的步骤来计算已标定参考物质的平均积分离子强度比Amp。
7.5.1.2用下式可求出已标定参考物质的相对灵敏度因子：RSFmp=@/Amp
式中：
RSFmp—从已标定参考物质中获得的同位素相对灵敏度因子；Φ一已标定参考物质中注人硼（无论\B还是1°B)的剂量。7.5.2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。若硼离子强度高于1×10scounts/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已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，硼和硅二次离子强度的测量应交替进行至少10个循环，每个循环内对每种硼同位素至少持续1秒。该步骤在同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。
7.5.2.4RM-BG中被检测的硼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，硼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：\=m
式中：
I\—每块参考物质测量循环i和测量位置i的\B离子强度；IS,——每块参考物质测量循环i和测量位置i的硅离子强度；3
GB/T20176—2006/ISO14237:2000J11—每块体参考物质的Bl平均离子强度比；n—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1B的平均强度比J1°。7.5.2.6SIMS仪器实测的硼同位素比应该用这些体参考物质中的某一块来确定。由于1°B与30Si3+间可能存在质谱干扰，它在硼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硼且含量超过1×1o17atoms/cm2的体参考物质。测得的同位素比应该用下式计算：JH-JB
α=J品
式中：
α——测得的\1B对1B同位素比；J——来自RM-BG的\B平均本底离子强度比；J品——来自RM-BG的B平均本底离子强度比。应该用下式确定测得同位素比的修正因子：8
式中：
αo——体参考物质中真实的同位素比如果α未知，应该用天然同位素比α=4.025（见4.2.3）。应该用来校正1B和\B间的实验质量歧视。7.5.3体参考物质的校准
7.5.1得到的RSF值应该用作校准的相对灵敏度因子。在每块体参考物质中的\B原子浓度都应该用校准的相对灵缴度因子来校准。如果已标定参考物质中注入的是°B，应该用7.5.2得到的质量歧视修正因子P
CorRSFimp8(I-J）
式中：
C!al——每块体参考物质中已校准的\B原子浓度；J!——每块体参考物质中\B的平均离子强度比。如果已标定参考物质中注人的是“B，质量歧视修正是不必要的CllalRSFimp(J-
7.6试样的测量
7.6.1测量步骤
试样的测量应按7.5.2中的规定在相同条件下进行。在一个测量位置应逐个循环测量每块体参考物质中硼对硅的离子强度比，然后计算出对所有测量循环的平均值，得到的平均值应对3个测量点进一步取平均。7.6.2工作相对灵敏度因子的确定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。推荐选择与试样的硼离子强度尽可能接近的体参考物质。用7.5.3中确定且经校准的硼原子浓度作为参考值。
注：当样品的硼离子强度低于1×102counts/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，每种硼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，得到的平均值应对3个测量点进一步做平均。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：RSFwork
式中：
RSFwork
Cllcal
GB/T20176—2006/ISO14237:2000从所选体参考物质中得到的工作相对灵敏度因子；所选体参考物质中经校准的\1B原子浓度；J——所选体参考物质中\B的平均离子强度比；J
从RM-BG得到的B平均本底离子强度比。8.1.2对试样测量的质量歧视修正因子8应该用下式确定：aom
式中：
所选体参考物质的真实同位素比：所选体参考物质中1B的平均离子强度比J
从RM-BG得到的1°B平均本底离子强度比。8.1.3应根据下或用丁作相对灵敏度因子确定试样中的硼原子浓度：Cl
式中：
试样\的原子浓度；
试样中B的原子浓度；
RSFworU!-J）
RSFw0*k（JI-J品）
试样中的总硼原子浓度：
试样中的平均离子强度比
试样中
8.2精密度
3的平均离子强度比。
经4个国家的12个实验室巡回测试后制定了本标准。被分析的4种体参考物质覆盖了此方法的范围。按ISO5725-2规定的原则计算重复性和再现性附录E给出了巡回测试的统计报告值得注意的是重复性数据中可能包含由于样品不均匀性带来的误差9测试报告
测试报告应包括以下信息：
所有标识样品、仪器、实验室及分析日期的必要信息；a)
按本标准规定使用的已标定参考物质和体参考物质；按本标准规定的有关同位素比修正信息；仪器性能信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）；结果及其表达形式；
分析过程中记录的任何反常情况；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/T20176—2006/IS014237:2000A.1概要
附录A
（资料性附录）
硅片中载流子浓度的确定
本附录给出二级参考物质（见4.2)硅片中硼原子浓度确定的信息。A.2硅体样品中载流子浓度的确定可用表A.1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4×1013cm-3～8×1016cm-3。表A.1体硅片载流子浓度确定的ASTM标准F1392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注：ASTM（AmericanSocietyforTestingandMaterials）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ASTM标准F43半导体材料电阻率的标准测试方法F84用～列式四探针测量硅片电阻率的标准测试方法F723掺硼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4×1013cm-3~8×1016cm-3。表A.3确定外延硅层载流子浓度的ASTM标准F1392用水银探针通过电容-电压测量确定硅片净载流子浓度析的标准测试方法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、多晶硅层和离子注人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/T20176—2006/ISO14237:2000时就不适用了（最大值对p型为2.8×1017cm-3，n型为7.8×101°cm-3）。基体的掺杂浓度也应高（对p型至少为3.2×1018cm-3，n型为1.3×1018cm-3）。F110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25um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5μm)厚度测量的影响要大于厚外延层（如100μm)。表A.5测量外延硅层厚度的ASTM标准F95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100μm)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F672用扩展电阻探针测量垂直于硅片表面电阻率剖面分布的标准测试方法F674用于扩展电阻测量的硅制备标准规程A.4总结
A.4.1体硅样品
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外延硅样品
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。
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