硅中氧、碳的二次離子質譜（SIMS）分析
何友琴馬農農王東雪
（電子材料研究所??天津?300192）
摘?要?本文采用相對靈敏度因子法，對硅中氧、碳含量的SIMS定量分析方法進行
研究。通過對樣品進行預濺射的方法，氧、碳的的檢測限分別可達到6.0e16atoms/cm3、
2.0e16atoms/cm3。
關鍵詞?硅相對靈敏度因子二次離子質譜定量分析預濺射
1.1?儀器與測試條件
儀器：CAMECA IMS-4F-e7型動態雙聚焦二
次離子質譜儀，配有銫一次離子源，電子倍增器和
法拉第杯檢測器，具備檢測負二次離子的能力。
對于氧、碳元素的測量，典型的測試條件為：
采用Cs+作為一次離子束來檢測氧和碳的負二次離
子，一次離子能量為14.5kV，束流為400nA，掃
描面積為250μm×250μm。
1.2?樣品類型及處理
所用樣品基本包括三類：（1）參考樣品：編號
為ST，已知其氧的濃度為7.93E17atoms/cm3, 碳的
濃度為4.67E17atoms/cm3。（2）空白樣品：區熔樣
品，編號為BG。已知其氧的濃度為5.0E16atoms/
cm3, 碳的濃度為2.0E16atoms/cm3。通過測試BG
樣品確定SIMS儀器的背景氧、碳濃度是否足夠低，
從而確定儀器狀態是否滿足測試要求。（3）待測樣
品：各種樣品，摻雜不限。為便于與紅外吸收光譜
法比較，本實驗中使用兩片輕摻雜樣品（編號分別
為1#、2#）和一片重摻雜樣品（編號為3#）。
1.3?測試過程
將每個樣品（參考樣品、空白樣品、待測樣品）
切割成小塊放入樣品架，并將樣品架裝入樣品室，
操作過程中避免引入沾污。對儀器進行最佳化參數
調試，得出最合適于硅中氧、碳的測試條件。在該
測試條件下先對參考樣品、空白樣品進行測試，確
定SIMS儀器背景足夠低，然后在相同的測試條件
下對待測樣品進行SIMS深度剖析測試。以硅基體
中30Si的正二次離子為參考信號，每次剖析結束后，
記錄電子倍增器上的16O－、12C－的計數率和法拉
第杯檢測器上的主元素30Si－的二次離子強度值。
1.4?SIMS定量分析方法原理-相對靈敏度因子法[3]
由于粒子濺射和二次離子的發射機制都十分
復雜，基體效應還比較明顯，從理論上直接確定
SIMS定量分析中原子的電離幾率等參數是比較困
在實際集成電路制造中除摻入施主或受主雜質，改變或控制電阻率外，有時也根據需要摻入某些特殊的雜質，達到提高電路性能的目的，另外沾污的雜質也會對器件性能產生不同的影響。本文討論硅中氧和碳雜質。
氧在硅晶體中的含量范圍從1016/cm3到1018/ cm3，具體數量由晶體生長方法及工藝條件所決定，其極限溶解度約為2×1018/cm3。氧在硅中的行為及其狀態與熱處理過程有密切關系[1]。表面氧沉淀會造成漏電，甚至使器件失效；體內低密度的氧沉淀有吸除金屬雜質的作用，但高密度的氧沉淀則能產生位錯，使硅片翹曲；晶體內的氧可起釘扎位錯的作用，使硅片機械強度增加。碳在硅中的固態溶解度可達4×1018/cm3，主要來源于多晶硅。碳在硅中呈替代位置，是中性等電子雜質，但易與氧和缺陷構成復合體，誘生其他缺陷，是硅中的有害雜質，當碳濃度很高時會導致P-N結過早擊穿。因此，有效控制硅晶體中氧、碳的含量是非常重要的。
紅外吸收光譜法由于制樣簡單、測試快捷準確，成為商業生產硅片中氧、碳含量測定的特征技術。但是對于重摻硅襯底中氧、碳濃度的測試，紅外吸收光譜法（FTIR）就無能為力，因為這種襯底中的自由載流子使紅外吸收峰變模糊。與FTIR 相比，二次離子質譜法（Secondary Ion Mass Spectrometry,簡稱SIMS[2]）基本上不受晶體摻雜情況的影響，而且與元素的化學狀態無關。它的原理是采用一次離子束轟擊樣品，分析濺射產生的正負二次離子，然后用質譜的方法對二次離子進行分析的一種高技術。本文主要介紹硅中氧、碳元素的SIMS分析方法，并討論如何通過相對靈敏度因子法實現對其定量。