二次イオン質量分析計(SIMS)による集積回路プロセスの品質監視の分析応用
テクノロジーの進歩に伴い、市場は電子製品に対する要求がますます高まっています。製品のサイズはより小さく、動作速度はより速く、機能はさらに多く求められています。そのため、スマートフォン、AIサーバー、クラウドデータセンターが生まれました。これらの製品には高性能で小型のICチップが必要です。半導体チップの速度を向上させ、デバイスの集積密度を増加させ、消費電力を低減するために、半導体デバイスは継続的に微細化されています。半導体プロセスは1980年代の3μmプロセスから、現在の3nmフィン型トランジスタ（FFET）およびナノシート（nanosheet）のゲートオールアラウンド（GAA）トランジスタへと進化しています。図1に示すように、最先端のプロセスは正式に3nm未満の量産技術ノードに突入しました。
トップの半導体応用チップは、優れたIC回路設計だけでなく、新世代または先進の半導体プロセステクノロジーに合わせた完璧なナノデバイス構造が必要であり、チップの最適な性能を達成します。プロセスで一般的に使用される材料には、ストレインSi（SiGe / SiP）、ゲート酸化物、誘電体、デバイス特性を制御するためのイオン注入ホウ素（B）、リン（P）、ヒ素（As）などの材料が含まれます。これらの材料やデバイスの検出には、2つの分析技術が必要です：（1）高空間分解能（1nm未満）または（2）低成分濃度（ppm未満）を検出する高次分析技術です。本稿では、ICプロセスにおける品質管理監視の成分分析の応用事例として、二次イオン質量分析計（SIMS）を主に紹介します。
図1. 半導体プロセスの進化と分析技術の応用
ケース1 ストレインドシリコン
Si MOSFET素子プロセスの微細化の進展において、チャネル内の電子およびホールの移動度を向上させることは素子性能を向上させる重要な課題である。電子およびホールの移動度を向上させる方法の中で、ひずみ工学（Strained Engineering、Strained-Si）はSiナノ素子の性能を向上させる最も効果的な方法の一つである。ひずみ工学では、PMOSチャネルの圧縮応力を増加させるためにSiGe材料が一般的に使用され、ホールの移動度が向上する。一方、SiP材料はNMOSチャネルの引張応力を増加させ、接触抵抗を低下させ、電子の移動度を向上させる。SiGeやSiPなどの材料において、微小な成分変化がひずみの程度に大きく影響するため、SiGeとSiPの成分を正確に検出分析し、微量のドーピング成分を同時に分析する必要がある。そのためにはSIMSを使用して分析する必要がある。図2はSiGeとSiPのSIMS深さ分析結果を示している。
図2. SIMSがStrain Si (SiGe & SiP)の縦深分析に応用される
ケース2 高誘電率材料ゲート酸化膜 (SiON)
MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）のゲート酸化膜は、金属ゲートがデバイスのチャネルスイッチを制御するための重要な絶縁材料であり、ゲートリーク電流を制御するための重要な構造材料でもあります。このゲート酸化膜の誘電率が高いほど、デバイス全体の特性が向上します。デバイスの実際の応用における高誘電率材料は、異なるデバイスの要求やプロセスノードに応じて異なる高誘電率材料をゲート酸化膜として選択します。その中で、Oxynitride（窒化酸化シリコン、SiON）は一般的に使用される高誘電率材料です。SiONの用途は多岐にわたり、ゲート酸化膜、拡散バリア層、エッチングストップ層（Etching Stop Layer）、フラッシュメモリ（Flash）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）などがあります。それぞれの用途におけるSiON材料の酸素（O）、窒素（N）などの成分含有量は、異なるプロセスや要求に応じて異なります。図3は、SIMSを使用して高誘電率材料ゲート酸化膜（SiON）を分析したケースです。
図3. 高誘電率材料ゲート酸化膜(SiON)は、半導体デバイスの金属酸化物半導体場効果トランジスタ(MOSFET)の酸化膜として使用され、厚さは数十ナノメートルから数ナノメートルの間です。
ケース3 BPSG (ホウリンシリケートガラス, Boro-phospho-silicate Glass)
半導体プロセスにおいて、前段プロセス（FEOL, Front End of Line）はデバイスを製造する部分を指し、後段プロセス（BEOL, Back End of Line）は金属配線と絶縁体の誘電層を製造する部分を指します。前段と後段の接続は接触窓（Contact）の導電材料によって行われ、充填される非導電性誘電材料はILD（Inter-Layer Dielectric）と呼ばれます。接触窓の製造と充填される非導電性誘電材料のプロセスは中段プロセス（MEOL, Middle End of Line）と総称されます。前段プロセスが完了した後、表面が不均一になるため、充填能力の高い材料が必要です。この材料は適切な絶縁能力も必要であり、一般的に使用される充填材料はBPSGまたはPSGです。BPSGはシリカガラスにB（ホウ素）とP（リン）などの元素を加えたもので、BとPの含有量および比率は材料の流動性や充填能力に影響を与え、さらに後続のエッチングプロセスのパラメータにも影響を与えます。したがって、BとPの含有量、分布、および成分比を理解することは、この材料を使用するプロセスにおいて重要なパラメータです。図4はBPSG（ホウリンシリカガラス、Boro-phospho-silicate Glass）のSIMS分析結果です。
図4. BPSG (ホウリンシリコンガラス, Boro-phospho-silicate Glass)のSIMS分析結果
ケース4 FSG (フッ化シリコンガラス)
前述の後工程(BEOL, Back End of Line)は金属配線と絶縁誘電体材料を製造する部分を指します。実際のプロセス要求として、金属配線には低抵抗材料が必要であり、絶縁誘電体材料には低誘電率(Low-k)の材料が必要です。この2種類の材料を利用して、IC全体の抵抗容量遅延（RC-Delay）を低減します。低誘電率の材料は通常、シリカにC（炭素）やF（フッ素）などの元素を添加して誘電率を低下させます。そのため、CやFをどれだけ添加するかが材料の誘電率に影響を与える重要な要素です。FSGは一般的に使用される低誘電率(Low-k)材料の一つであり、FSGはシリカにF（フッ素）元素を添加して材料の誘電率を低下させたものです。図5はSIMSを用いてFSG中のF含有量を正確に測定した例です。
図5. FSGのSIMS縦深分析結果
ケース5 新型三元機能薄膜材料SiCN
新型の三元機能薄膜材料SiCNは、高硬度、広い光学バンドギャップ、優れた高温耐酸化性能および耐腐食性能など多くの利点があり、IC、LCD（液晶ディスプレイ）、FPD（フラットパネルディスプレイ）、光電素子などの製品に応用できます。この材料中のC/Nの比率と均一性は、材料特性に大きく影響します。図6はSiCNのSIMS分析のケースです。
図6. SiCNのSIMS縦深分析結果
ケース6 拡散分析（バックサイドSIMS）
Backside SIMSの分析方法は、測定対象元素が高濃度層から低濃度層へのノックイン効果を改善することができ、特に金属層の下方拡散分析に非常に役立ちます。一般的に表面分析を用いると、少量の金属が分析過程で下層に押し込まれ、偽の結果を形成することがあります。Backside SIMSの分析手法を用いることで、この問題を回避し、真の金属成分の縦の分布を得ることができます。Backside SIMS分析の前に基板を薄くする必要があり、平坦な面を得るためには良好な試料準備技術が必要です。図7は、銅の拡散に関する一般的な正面分析と背面分析の結果です。
図7-1. 一般的に表面SIMS分析を行う際、分析過程で銅がSIMSイオンビームによって下層に押し込まれる。
図7-2. 裏面SIMS分析は、銅拡散の分布を実際に示すことができ、良好な深さ方向分解能を持っています。
ケース7 有機汚染物分析
一般的な有機物分析はFT-IRを優先して考慮しますが、有機汚染物が浅い表面にある場合、FT-IRは信号量が少なすぎて測定できないことがあります。飛行時間型二次イオン質量分析計（TOF-SIMS）は質量分析を通じて、正常品と異常品（または疑わしい汚染物）を比較し、質量分析の比較によって可能な有機汚染源を判断します。図8は有機汚染のTOF-SIMS分析のケースであり、質量分析の比較によって、封止プロセス中のシリコンオイルの汚染であると判断され、エポキシがチップに正常に付着できない原因となりました。
図8-1.パッケージングプロセス中に有機汚染物質の残留によりエポキシがチップに正常に付着できない
図8-2. TOF-SIMS表面質量分析による比較により、汚染物質がシリコンオイルであることを判断する
二次イオン質量分析計 (SIMS, Secondary Ion Mass Spectroscopy) の分析は、エネルギーを持つイオンビームが試料を照射して二次イオンを励起し、二次イオンが加速された後、質量分析システムに入ることで行われます。電場と磁場の偏向を利用して、イオンを異なる質量電荷比 (m/e) に基づいて分離し、成分分析を達成します。二次イオン強度は変換されることで元素の濃度が得られ、イオン照射時間は分布深度に変換できます。二次イオン質量分析計は優れた検出限界を持ち、固体材料中の元素含有量を百万分の一以下 (ppm-ppb) まで測定できます。二次イオン質量分析計は以下の三種類に分類されます：磁場偏向型質量分析計 (Magnetic-Sector SIMS)、四重極型質量分析計 (Quadrupole-SIMS)、および飛行時間型質量分析計 (TOF-SIMS)。磁場偏向型質量分析計は最良の検出限界を持ち、微小汚染分析に適しています。四重極型質量分析計は良好な深さ方向分解能を持ち、薄膜および超浅接合の分析に適しています。飛行時間型質量分析計は有機物分析に加え、最新の機種では深さ方向分析能力も四重極型質量分析計に近いです。表1は三種類のSIMSの特性比較です。
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表1. 3種類のSIMSの特性比較
