近日，由中国电子科技集团公司第四十六研究所负责制定的《硅单晶中氮杂质含量的测定 二次离子质谱法》国家标准完成征求意见稿编制，并公开征求意见，截止时间为2021年10月12日。

　　

　　在硅单晶生长过程中，通常故意引入氮，其目的有：(1)增加单晶生长过程中无缺陷区域的 V/G 允许值，其中，V 是指生长速率，G 为晶体在固液界面处的温度梯度，(2)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，(3)减小退火后晶体形成的颗粒(COP)的尺寸，(4)增加在温度降低工艺下氧在衬底外延层的沉积量。二次离子质谱(SIMS)能够检测未退火的抛光硅片衬底中的氮的浓度； 可以检测 CZ 硅中氮的体浓度，而红外光谱在有氧沾污的化学状态时被削弱。另一方面，SIMS 能够检测 P+(B) 和 N+(Sb)型用于外延的硅衬底中氮的总的体浓度，而这种情况下，由于自由电子被吸附无法用红外光谱法检测；SIMS 能够检测未退火的，抛光的区熔(FZ)硅衬底中氮的浓度，区熔硅中引入氮通常是为了加强低氧衬底硅片的性能。

　　

　　随着我国半导体工业的迅速发展，对硅衬底中氮的浓度进行规范、精确地测定越来越重要。本标准规定了硅衬底单晶体材料中氮总浓度的二次离子质谱测试方法。根据文献资料以及目前主流仪器的试验经验得出，使用该方法测试的氮浓度大于等于 1×1014at. cm-3。

　　

　　本方法适用于对硅衬底单晶体材料中氮浓度的测试，可用于工艺控制、研发和材料验收等目的。

　　

　　“硅衬底中氮浓度的二次离子质谱测量方法”的 SEMI 标准，在国际半导体产业领域得到广泛应用，在国内许多生产和使用硅材料的企业都对硅中氮杂质含量测试提出了需求，但目前国内尚无相关测试方法的标准或可借鉴的测试方法，有关生产商和分析测试中心也直接采用该 SEMI 标准，所以非常有必要将此 SEMI 标准转化成国家标准。

　　

　　本标准为修改采用 SEMI MF 2139-1103 Test method for measuring Nitrogen concentration in silicon substrates by secondary ion mass spectrometry ，主要技术内容的依据就是 SEMI MF 2139-1103。

　　

　　本标准中干扰因素包括环境、样品架、标准样品的标称浓度、测试样品的状态、真空度等因素，说明如下：

　　

　　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。将样品放置到仪器中后，利用大束流、大面积的一次离子对样品表面进行扫描，以除去样品表面自然氧化层及表面沾污，从而保证了测试区域的洁净，所以制样环境也不需要对洁净度有要求。

　　

　　2.二次离子质谱仪存在记忆效应，所以二次离子质谱仪(SIMS)样品室内存在高浓度的氮会吸附到样品表面，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，可以通过测试12C28Si予以消除。

　　

　　4.样品架窗口面如果变形，导致窗口内的样品表面不平整，分析时其表面与离子收集光学系统的倾斜度会发生变化，则会降低测试的准确度和精密度。

　　

　　5.二次离子质谱法的特点是测试低含量(优于 ppm 水平)的杂质浓度，所以要求样品分析面必须进行抛光以除去表面沾污，通常表面粗糙度越大，表面沾污越厉害，对测试的准确度和精密度的影响越大。

　　

　　6.因为二次离子质谱的定量法是采用相对灵敏度因子法，通过标准样品的氮含量和相对灵敏度因子，计算待测样品中氮的含量，所以标准样品中氮的含量标称值直接影响待测样品的含量测试值，同时标准样品的不均匀性会直接影响待测样品测试结果的准确性。

　　

　　7.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.所以氮的扩散会影响测试结果的准确性。

　　

　　8.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，从而影响氮的测试结果。

　　

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

　　

　　本方法主要采用二次离子质谱仪(SIMS)进行检测，通常电负性小的元素宜采用氧离子源作为一次离子源，电负性大的元素宜采用铯离子源作为一次离子源，本方法中氮元素是电负性大的元素，所以要求仪器必须配备铯一次离子源。而且仪器分析室的真空度优于 5×10-7Pa，才能确保本方法的检测限。

　　

　　本方法中装有样品的样品架需要烘烤，所以需要配备一个温度能满足 100℃±10℃的烘箱。

　　

　　本方法中需要对参考样品浓度曲线的深度定标，所以需要有测试SIMS坑深度的仪器，常用的有触针式的表面轮廓仪。

　　

　　本标准的制定可以克服传统的红外光谱法、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对氮测试的局限性，并使上述测试实现标准化，进而促进我国半导体工艺控制、产品研发水平的提高，且对于增强我国半导体材料与器件产品的国际竞争力有重要的意义。