ICS71.040.40 G04 中华人民共和国国家标准 GB/T25188—2010 硅 晶片表面超薄氧化硅层厚度的测量 X射线光电子能谱法 Thicknessmeasurementsforultrathinsiliconoxidelayerson siliconwafersX-rayphotoelectronspectroscopy 2010-09-26发布 2011-08-01实施 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发布前 言 本标准由全国微束分析标准化技术委员会提出并归口。 本标准起草单位:中国科学院化学研究所、中国计量科学研究院。 本标准起草人:刘芬、王海、赵良仲、宋小平、赵志娟、邱丽美。 ⅠGB/T25188—2010 引 言 硅晶片表面的氧化硅薄层长期以来一直用作硅基场效应晶体管的关键组件———栅极氧化层,它对 微纳电子器件和集成电路的可靠性至关重要。随着器件特征尺寸的日益缩减,栅极氧化层变得越来越 薄,目前已达到1nm左右。超薄栅极氧化硅层的制备与质量控制要求对其厚度进行准确测量。例如, 国际半导体技术路线图(ITRS)曾提出超薄栅极氧化层厚度测量结果的标准不确定度要达到1.3%的 期望值。目前,工业界通常利用椭圆偏振光度法测量10nm以上的薄层厚度。但是,椭圆偏振光度法 对表面污染物很敏感,它难以准确测量10nm以下的薄层厚度。在过去的十年中,以M.P.Seah为代 表的研究组利用X射线光电子能谱(XPS)技术在硅晶片表面超薄氧化硅层厚度准确测量方面做了大 量工作;通过对衰减长度等因子进行精心计算和校正以及正确选择实验条件,使得精确测量硅晶片表面 超薄氧化硅层厚度得以实现,测量结果的不确定度可达到2%以内[1,2]。在国内,中国计量科学研究院 和中国科学院化学研究所合作采用Seah等提出的XPS方法已经参加了两次硅晶片表面超薄氧化硅层 厚度测量的国际比对并取得国际等效度,同时还对XPS测量中的重要实验条件(如光电子发射角和晶 体样品的测试方位角)进行了修正。 鉴于微纳电子等行业对于准确测量硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的需求,现制定本标准。 ⅡGB/T25188—2010 硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的测量 X射线光电子能谱法 1 范围 本标准规定了一种准确测量硅晶片表面超薄氧化硅层厚度的方法,即X射线光电子能谱法 (XPS)。本标准适用于热氧化法在硅晶片表面制备的超薄氧化硅层厚度的准确测量;通常,本标准适用 的氧化硅层厚度不大于6nm。 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)或修订版本均不适用于本标准,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。 GB/T22461 表面化学分析 词汇(GB/T22461—2008,ISO18115:2001,IDT) GB/T19500 X射线光电子能谱分析方法通则 GB/T21006 表面化学分析 X射线光电子能谱仪和俄歇电子能谱仪 强度标的线性 (GB/T21006—2007,ISO21270:2004,IDT) GB/T22571 表面化学分析 X射线光电子能谱仪 能量标尺的校准(GB/T22571—2008, ISO15472:2001,IDT) 3 符号 下列符号适用于本标准。 d氧化硅层的厚度(nm); LSi2p光电子在氧化硅层中的衰减长度(nm); R氧化硅和元素硅体材料的Si2p峰强度比; θ光电子发射角,定义为光电子发射方向与样品平面法线之夹角(°); Ф样品方位角,如对于Si(100)样品以(111)面为界沿[110]方向切割成边长为10mm的正方 形,即它的零方位角是沿[110]方向(°); I氧化硅和元素硅的Si2p峰强度; I∞氧化硅和元素硅体材料的Si2p峰强度; u测量结果不确定度分量; uC测量结果标准不确定度; U测量结果扩展不确定度; λ非弹性平均自由程(nm); λtr迁移平均自由程(nm); ωλ/(λ+λtr); Z原子序数。 4 方法概述 4.1 简述 XPS的基本原理参见国家标准GB/T19500。GB/T22461中确立的术语适用于本标准。 1GB/T25188—2010 单晶硅基片表面氧化硅层和碳质污染层的模型如图1所示。在二氧化硅和元素硅界面间存在中间 氧化物,如:Si2O3、SiO和Si2O。本方法需考虑中间氧化物层对氧化硅层厚度测量的影响。当样品表面 轻微污染(碳质污染层为0.15nm~0.3nm)时,污染层对厚度测量的影响可以忽略;当样品表面污染较 严重时,按6.1.2进行清洗。 图1 硅晶片表面的氧化硅层和污染层结构示意图 4.2 厚度计算 通过用XPS法测量氧化硅和元素硅的Si2p峰面积来计算氧化硅层的厚度。若不考虑二氧化硅和 元素硅界面间存在的中间氧化物,由于二氧化硅和元素硅的Si2p光电子动能接近(相差约4eV),根据 非弹性和弹性散射理论可得关系式(1)[1]: dSiO2=LSiO2cosθln1+ISiO2 RSiO2Iæ èçö ø÷ Si…………………………(1) 根据式(1),若分别考虑二氧化硅和中间氧化物对厚度的贡献,计算公式分别如下[2]: dSiO2=LSiO2cosθln1+ISiO2/RSiO2 ISi2O3/RSi2O3+ISiO/RSiO+ISi2O/RSi2O+Iæ èçö ø÷ Si…………(2) dSi2O3=LSi2O3cosθln1+ISi2O3 RSi2O3Iæ èçö ø÷ Si………………(3) dSiO=LSiOcosθln1+ISiO RSiOIæ èçö ø÷ Si………………(4) dSi2O=LSi2Ocosθln1+ISi2O RSi2OIæ èçö ø÷ Si………………(5) 这样,总氧化硅层厚度为: doxide=dSiO2+0.75dSi2O3+0.5dSiO+0.25dSi2O ………………(6) 除上述公式外,也可利用简化公式(7)来计算总氧化硅层厚度: doxide=LSiO2cosθln1+ISiO2+0.75ISi2O3+0.5ISiO+0.25ISi2O RSiO2(ISi+0.75ISi2O+0.5ISiO+0.25ISi2O3é ëêêù ûúú)…………(7) 用式(7)计算厚度时无须考虑中间氧化物的R和L值,相对比较简单,而且得到的结果与用式 (2)~(6)非常接近。 在上述计算公式中θ已知,I可以从实验中测得,因此,只要知道R和L这两个参数,就可以计算出 氧化硅层的厚度。 4.3 R值 本标准R用实验测定。对于Si片表面的SiO2,假如不考虑中间氧化物,有以下简单的方程: ISi=I∞ Siexp-dSiO2 LSiO2cosæ èçö ø÷ θ……………………(8) 2GB/T25188—2010 ISiO2=I∞ SiO21-exp-dSiO2 LSiO2cosæ èçö ø÷é ëêêù ûúúθ……………………(9) 所以ISiO2 I∞ SiO2+ISi I∞ Si=1 ……………………(10) 因为I∞ SiO2 I∞ Si=RSiO2……………………(11) 所以 ISiO2=RSiO2[I∞ Si-ISi] ……………………(12) 根据式(12),通过测量一系列具有不同SiO2厚度的清洁硅晶片样品的Si2p谱线强度ISiO2和ISi,用 ISiO2对ISi作图,从所得直线的斜率即可求得RSiO2。本标准的RSiO2采用:RSiO2=0.9329[2,3]。 中间氧化物的R值,通过式(13)计算得到(线性插入法)[2]。 RSi2Ox=1+0.25x(RSiO2-1) …………………………(13) 4.4 衰减长度L 用式(14)计算L值[4,5]: L λ=0.979[1-ω(0.955-0.0777lnZ)]……………………(14) 其中ω=λ/(λ+λtr),λtr是迁移平均自由程[4],ω可根据有关数据[4,6]测定。Z为原子序数,如对于元 素Si,Z是14;对于化合物则要采用平均值,如SiO2的Z为10。式(8)对于氧化硅层的厚度小于9nm 和θ≤58°有效。本标准的参数L值采用:LSiO2=2.996nm(Mg靶)和LSiO2=3.485nm(Al靶)[3]。 中间氧化物的L值,通过式(15)计算得到(线性插入法)[2]。 LSi2Ox=LSi+0.25x(LSiO2-LSi)…………………………(15) 其中,LSi=2.415nm(Mg靶或Al靶)。 5 仪器和环境条件 5.1 X射线光电子能谱仪 仪器需符合GB/T19500要求;依据GB/T22571进行能量标尺的校正;依据GB/T21006进行强 度标尺的校正。测试时仪器的真空度应优于10-7Pa。 5.2 实验环境条件 实验室应避免腐蚀性气氛、灰尘、震动和杂散磁场。实验室温度应在20℃±5℃范围内并保持恒 定(±1℃);相对湿度应保持小于65%。电源稳定。 6 试样 6.1 样品切割和清洗 6.1.1 对于Si(100)样品以(111)面为界,沿[110]方向切割,如:切割成边长为10mm的正方形,它的 零方位角是沿[110]方向;对于Si(111)样品则以(111)面为界,沿[110]方向切割,如:切割成边长为 15mm的等边三角形。 6.1.2 对于污染较严重的样品应进行清洗,清洗方法是将样品在分析纯异丙醇中浸泡16h