ICS29.045 H80 中华人民共和国国家标准 GB/T14847—2010 代替GB/T14847—1993 重 掺杂衬底上轻掺杂硅外延层厚度的 红外反射测量方法 Testmethodforthicknessoflightlydopedsiliconepitaxiallayerson heavilydopedsiliconsubstratesbyinfraredreflectance 2011-01-10发布 2011-10-01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中华人民共和国 国家标准 重掺杂衬底上轻掺杂硅外延层厚度的 红外反射测量方法 GB/T14847—2010 * 中国标准出版社出版发行 北京复兴门外三里河北街16号 邮政编码:100045 网址:www.gb168.cn 服务热线:010-68522006 2011年8月第一版 * 书号:155066·1-42666 版权专有 侵权必究 前 言 本标准代替GB/T14847—1993《重掺杂衬底上轻掺杂硅外延层厚度的红外反射测量方法》。 本标准与GB/T14847—1993相比,主要技术内容变化如下: ———修改原标准“1主题内容与适用范围”中衬底和外延层室温电阻率明确为在23℃下电阻率,增 加在降低精度情况下,该方法原则上也适用于测试0.5μm~2μm之间的N型和P型外延层 厚度; ———修改原标准“2引用标准”为“规范性引用文件”,增加有关的引用标准; ———增加“3术语和定义”部分; ———补充和完善“4测试方法原理内容”; ———增加“5干扰因素部分”; ———原标准5改为7,删除“5.1衬底和外延层导电类型及衬底电阻率应是已知的”内容,增加防止 试样表面大面积晶格不完整以及要求测试前表面进行清洁处理的内容; ———原标准6改为8,对选取试样的外延厚度的要求改为对衬底电阻率和谱图波数位置的要求,并 增加8.3.5采用GB/T1552中规定的方法在对应的反面位置测试衬底电阻率; ———原标准7改为9,增加极值波数和波长的转换公式。删除原7.2经验计算法内容; ———原标准8改为10,增加多个实验室更广范围的测试数据分析结果; ———原标准9改为11,试验报告中要求增加红外仪器的波数范围、掩模孔径、波数扫描速度、波长 和极值级数等内容。 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/SC2)归口。 本标准起草单位:宁波立立电子股份有限公司、信息产业部专用材料质量监督检验中心。 本标准主要起草人:李慎重、何良恩、许峰、刘培东、何秀坤。 本部分所代替的历次版本标准发布情况为: ———GB/T14847—1993。 ⅠGB/T14847—2010 重掺杂衬底上轻掺杂硅外延层厚度的 红外反射测量方法 1 范围 本标准规定重掺杂衬底上轻掺杂硅外延层厚度的红外反射测量方法。 本标准适用于衬底在23℃电阻率小于0.02Ω·cm和外延层在23℃电阻率大于0.1Ω·cm且外 延层厚度大于2μm的n型和p型硅外延层厚度的测量;在降低精度情况下,该方法原则上也适用于测 试0.5μm~2μm之间的n型和p型外延层厚度。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 GB/T1552 硅外延层、扩散层和离子注入层薄层电阻的测定 直排四探针法 GB/T6379.2 测量方法与结果的准确度(正确度与精密度) 第2部分:确定标准测量方法重复 性与再现性的基本方法 GB/T14264 半导体材料术语 3 术语和定义 GB/T14264界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 折射率 indexofrefraction 入射角的正弦相对折射角的正弦的比率。这里的入射角和折射角是指表面法线和红外光束的夹 角。对电阻率大于0.1Ω·cm硅材料,当波长范围为6μm~40μm时,相对空气的该比值为3.42,该 值可由斯涅尔(Snell)定律求出。 4 方法提要 4.1 衬底和外延层光学常数的差异导致试样反射光谱出现连续极大极小特征谱的光学干涉现象,根据 反射光谱中极值波数、外延层与衬底光学常数和红外光束在试样上的入射角计算外延沉积层厚度。 4.2 假设外延层的反射率n1相对波长是独立的。 4.3 当外延层表面反射的光束和衬底界面反射的光束的光程差是半波长的整数倍时,反射光谱中可以 观察到极大极小值。参见图1,从C和D点出射的光束的相位差δ为式(1): δ=2π(AB+BC) é ëêêù ûúúλ n1-2πAD æ èçö ø÷ λ+ϕ1-ϕ2…………………………(1) 式中: λ———真空波长; n1———外延层反射率,其可将外延层中的光程长转换成等价的真空光程长; 1GB/T14847—2010 ϕ1———A点相位移; ϕ2———B点相位移。 AB,BC和AD是如图1所示的间距,它们和λ单位相同。 图1 平面示意图 4.4 根据图1,很明显有式(2): AB+BC=2T cosθ′和AD=2Ttanθ′sinθ…………………………(2) 4.5 由斯涅尔(Snell)定律得式(3): sinθ=n1sinθ′ …………………………(3) 4.6 级数P定义为式(4): P=δ 2π…………………………(4) 4.7 若观察到干涉振幅的两个极值,由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)得到相应的级数P1和P2如式(5): P1=2Tn2 1-sin2θ λé ëêêù ûúú 1+ϕ11-ϕ21 2π和P2=2Tn2 1-sin2θ λé ëêêù ûúú 2+ϕ12-ϕ22 2π…………(5) 式中,习惯上,λ1>λ2且P1=P2+m,其中m=⅟2,1,췍2,2,…,级数差是整数或半整数。 4.8 根据P1解出P2可得式(6): P2=mλ1 (λ1-λ2)+ϕ11λ1-ϕ12λ2 2π(λ1-λ2)-ϕ21λ1-ϕ22λ2 2π(λ1-λ2)……………………(6) 4.9 考虑到光束从空气绝缘界面反射情况,如图1,ϕ1n=π,代入式(6),结果为9.1中式(8)。 4.10 厚度表达式可通过π代入ϕ1n及式(1)、式(2)、式(3)、式(4)推导出来,结果为9.2中式(9)。 5 干扰因素 5.1 试样表面大面积晶格不完整、钝化层等导致反射率较低时,可影响测试结果。 5.2 掩模孔材料、孔径大小以及探测器探测到的杂散光可影响测试结果。 5.3 静电、噪音、振动及温湿度稳定性等测试环境可影响测试结果。 2GB/T14847—2010 6 测量仪器 6.1 红外光谱仪 6.1.1 傅里叶变换红外光谱仪或双光束红外分光光度计。 6.1.2 波长范围2μm~50μm,本法常用的波长范围为6μm~25μm。 6.1.3 波长重复性不大于0.05μm。 6.1.4 波长精度为+/-0.05μm。 6.2 仪器附件 6.2.1 和仪器相匹配的反射条件,入射角不大于30°。 6.2.2 掩模由非反射材料制成,如非光泽表面的石墨,用于限制试样表面受照射区域,其孔径尺寸足够 小以消除厚度波动的影响,同时又不至于影响到反射光束的探测。透光孔径不大于8mm。 6.2.3 样品台构造须确保其不会对试样外延层造成损伤。 7 试样要求 试样表面应是高度反射的,防止大面积的晶格不完整缺陷,以及除自然氧化层外不应该有钝化层。 测量前试样表面应进行清洁处理,此处理方法不能影响到试样外延层厚度。 8 测量程序 8.1 光谱仪校准 8.1.1 用厚度为300μm~500μm的聚苯乙烯膜做标样,以标样的1601.6cm-1或648.9cm-1峰为测 量参考峰,按GB/T6379.2所确定的仪器波长重复性和精度对应分别满足6.1.3条和6.1.4条的 要求。 8.1.2 将反射附件置于光路中,测量100%线,其峰谷值应小于8%。 8.2 测量条件选择 8.2.1 对光栅式红外分光光度计,参照下列步骤选取最佳扫描速度。 8.2.1.1 选取一试样,其衬底电阻率在0.008Ω·cm~0.02Ω·cm之间,且外延层的厚度在波数小于 400cm-1的位置可产生明显的极小值。 8.2.1.2 选择一适当的掩模孔。 8.2.1.3 放置试样到测量设备上,用可用的最慢扫描速度记录波数小于400cm-1的极小值的谱图。 8.2.1.4 记录极小值的位置。 8.2.1.5 分步增加扫描速度并记录每一扫描速度下极小值的位置。 8.2.1.6 所有容许的扫描速度相对最慢扫描速度所对应的极小值位置有不超过±1cm-1的极小值位 移变化。 8.2.2 对傅里叶变换红外光谱仪所使用的分辨率应不低于4cm-1。 8.3 测量 8.3.1 小心处理试样,防止对薄外延层的表面损伤。 3GB/T14847—2010 8.3.2 将试样置于孔眼掩模光路上以使目标测量位置对准光束。 8.3.3 获得类似于图2的反射光谱。若峰值振幅与噪音振幅比小于5,则不能用于计算外延层厚度。 图2 n型试样的典型反射谱图 8.3.4 通过计算极大值下面或极小值上面满刻度3%处的水平线与反射光谱相交的截距平均值,确定 反射光谱中每个极值的波数,该方法减少了极值较宽时难以确定的情况。 8.3.5 采用GB/T1552中规定的方法在外延层厚度测试位置相对应的反面位置点测量衬底电阻率。 9 计算 9.1 用式(7)将极值波数转换为波长: λi=10000 νi…………………………(7) 式中: