硅中氧、碳的二次离子质谱(SIMS)分析
硅中氧、碳的二次离子质谱（SIMS）分析
何友琴马农农王东雪
（电子材料研究所 天津 300192）
摘 要 本文采用相对灵敏度因子法，对硅中氧、碳含量的SIMS定量分析方法进行
研究。通过对样品进行预溅射的方法，氧、碳的的检测限分别可达到6.0e16atoms/cm3、
2.0e16atoms/cm3。
关键词 硅相对灵敏度因子二次离子质谱定量分析预溅射
1.1 仪器与测试条件
仪器：CAMECA IMS-4F-e7型动态双聚焦二
次离子质谱仪，配有铯一次离子源，电子倍增器和
法拉第杯检测器，具备检测负二次离子的能力。
对于氧、碳元素的测量，典型的测试条件为：
采用Cs+作为一次离子束来检测氧和碳的负二次离
子，一次离子能量为14.5kV，束流为400nA，扫
描面积为250μm×250μm。
1.2 样品类型及处理
所用样品基本包括三类：（1）参考样品：编号
为ST，已知其氧的浓度为7.93E17atoms/cm3, 碳的
浓度为4.67E17atoms/cm3。（2）空白样品：区熔样
品，编号为BG。已知其氧的浓度为5.0E16atoms/
cm3, 碳的浓度为2.0E16atoms/cm3。通过测试BG
样品确定SIMS仪器的背景氧、碳浓度是否足够低，
从而确定仪器状态是否满足测试要求。（3）待测样
品：各种样品，掺杂不限。为便于与红外吸收光谱
法比较，本实验中使用两片轻掺杂样品（编号分别
为1#、2#）和一片重掺杂样品（编号为3#）。
1.3 测试过程
将每个样品（参考样品、空白样品、待测样品）
切割成小块放入样品架，并将样品架装入样品室，
操作过程中避免引入沾污。对仪器进行最佳化参数
调试，得出最合适于硅中氧、碳的测试条件。在该
测试条件下先对参考样品、空白样品进行测试，确
定SIMS仪器背景足够低，然后在相同的测试条件
下对待测样品进行SIMS深度剖析测试。以硅基体
中30Si的正二次离子为参考信号，每次剖析结束后，
记录电子倍增器上的16O－、12C－的计数率和法拉
第杯检测器上的主元素30Si－的二次离子强度值。
1.4 SIMS定量分析方法原理-相对灵敏度因子法[3]
由于粒子溅射和二次离子的发射机制都十分
复杂，基体效应还比较明显，从理论上直接确定
SIMS定量分析中原子的电离几率等参数是比较困
在实际集成电路制造中除掺入施主或受主杂质，改变或控制电阻率外，有时也根据需要掺入某些特殊的杂质，达到提高电路性能的目的，另外沾污的杂质也会对器件性能产生不同的影响。本文讨论硅中氧和碳杂质。
氧在硅晶体中的含量范围从1016/cm3到1018/ cm3，具体数量由晶体生长方法及工艺条件所决定，其极限溶解度约为2×1018/cm3。氧在硅中的行为及其状态与热处理过程有密切关系[1]。表面氧沉淀会造成漏电，甚至使器件失效；体内低密度的氧沉淀有吸除金属杂质的作用，但高密度的氧沉淀则能产生位错，使硅片翘曲；晶体内的氧可起钉扎位错的作用，使硅片机械强度增加。碳在硅中的固态溶解度可达4×1018/cm3，主要来源于多晶硅。碳在硅中呈替代位置，是中性等电子杂质，但易与氧和缺陷构成复合体，诱生其他缺陷，是硅中的有害杂质，当碳浓度很高时会导致P-N结过早击穿。因此，有效控制硅晶体中氧、碳的含量是非常重要的。
红外吸收光谱法由于制样简单、测试快捷准确，成为商业生产硅片中氧、碳含量测定的特征技术。但是对于重掺硅衬底中氧、碳浓度的测试，红外吸收光谱法（FTIR）就无能为力，因为这种衬底中的自由载流子使红外吸收峰变模糊。与FTIR 相比，二次离子质谱法（Secondary Ion Mass Spectrometry,简称SIMS[2]）基本上不受晶体掺杂情况的影响，而且与元素的化学状态无关。它的原理是采用一次离子束轰击样品，分析溅射产生的正负二次离子，然后用质谱的方法对二次离子进行分析的一种高技术。本文主要介绍硅中氧、碳元素的SIMS分析方法，并讨论如何通过相对灵敏度因子法实现对其定量。
