填补国内空白！质谱法用于硅材料测定最新国家标准现征求意见

国家标准计划《硅单晶中氮含量的测定 二次离子质谱法》（Test method for nitrogen content in monocrystalline silicon —Secondary ion mass spectrometry method）正在征求意见，截止日期为2021年10月12日。

该国家标准计划由TC203（全国半导体设备和材料标准化技术委员会）归口上报，TC203SC2（全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分会）执行，主管部门为国家标准化管理委员会；该文件的起草单位为中国电子科技集团公司第四十六研究所，主要起草人为马农农、何友琴、陈潇、刘立娜、何烜坤。

氮对于硅单晶的性能有着重要影响。在硅单晶生长过程中故意引入氮可以增加单晶生长过程中无缺陷区域的V/G允许值，增加在氢气和氩气中退火后有效区域的深度和体微缺陷的浓度，减小退火后晶体形成的颗粒(COP)的尺，以及增加在温度降低工艺下氧在衬底外延层的沉积量。传统的硅单晶的氮浓度测定方法包括的红外光谱法、电子核磁共振法、深能级透射光谱法和带电粒子活性分析法等。

该文件规定了用二次离子质谱法（SIMS）对硅衬底单晶体材料中氮总浓度的测试方法，即用铯（Cs）一次离子束溅射参考样品，根据参考样品中氮的同位素种类，选择分析负二次离子14N28Si或者15N28Si，以确定氮在硅中的相对灵敏度因子（RSF）。

对测试样品的分析，用一次铯离子束以两种不同的速率对每个测试样品溅射，第二次溅射时通过减少束的扫描面积来改变溅射速率，因为测试面积固定不变，所以这种改变束的扫描面积的技术能够将氮的体浓度同仪器的背景氮浓度区分开来，即使测试硅片氮的体浓度比仪器的背景氮浓度低。

该方法适用于锑、砷、磷的掺杂浓度＜0.2%（1×1020 cm-3）的单晶样品的测量，其中氮的浓度大于等于1×1014 cm-3。

在测定硅衬底单晶体材料中氮总浓度的测定受到以下因素的干扰：

1.表面硅氧化物中的氮干扰氮体浓度的测试，可以通过预溅射予以消除。

2.从SIMS仪器样品室和固定装置上吸附到样品表面的氮干扰氮的测试。

3.当测试氮的时候采用质量数为42的14N28Si离子时，碳会以12C30Si形式引入干扰。

4.在样品架窗口范围内的样品表面必须平整，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，否则测试的准确度和精度都有所降低。

5.测试准确度和精度随着样品表面粗糙度的增大而显著降低，可以通过对样品表面腐蚀抛光予以消除。

6.参考样品中氮的不均匀性会限制测试准确度。

7.参考样品中氮的标称浓度的偏差会导致SIMS测试结果的偏差。

8.硅衬底中800℃以上的热处理会导致氮的扩散，以至于氮的浓度在一定深度不是固定的，而这种测试方法的一个关键的假设就是到一定深度氮的浓度是固定不变的。

9.硅衬底的热处理如果是在含氮的环境中进行，会从环境中引入大量的氮深入到硅晶体中。

10.仪器如果状态不够好（例如真空度不够），仪器背景会升高，可以通过烘烤仪器来改善真空度。

因此，对于二次离子质谱法测定硅衬底单晶体材料中氮总浓度对于仪器设备提出了如下要求：

1.二次离子质谱仪应配备铯一次离子源、能检测负二次离子的电子倍增器、法拉第杯检测器。仪器分析室的真空度优于5×10-7Pa，质量分辨率优于300；

2.用于装载样品的样品架应使样品的分析面处于同一平面并垂直于引出电场（一般5000 V ±500 V）；

3.配备用于烘烤装载了样品的样品架的烘箱；

4.使用触针式的表面轮廓仪校正参考样品浓度曲线的深度坐标。或者用其它类似设备来测试SIMS测试坑的深度。

新的国家标准计划《硅单晶中氮含量的测定 二次离子质谱法》的制定，既是填补了国内硅单晶氮含量测定相关国家标准的空白，也将有助于提高我国硅单晶的生产质量。

现行国家标准中，硅单晶的相关国家标准共13个，相关标准的发布日期在2009-2018年间，实施日期在2010-2019年间。其中，标准名称提及仪器及测试方法的有3个，分析方法分别是低温傅立叶变换红外光谱法和光致发光测试方法。

我国现行硅单晶国家标准一览

相信在未来几年，将会有越来越多的与仪器及分析测试紧密相关的半导体测定国家标准出台，这既能促进我国半导体产业的高质量发展，也将加速带动国内半导体相关仪器市场的蓬勃发展。

硅单晶中氮含量的测定  二次离子质谱法.pdf