二次離子質譜儀(SIMS)於積體電路工藝質量監控的分析應用

隨著科技進步, 市場對於電子產品的要求越來越高, 產品體積要越小, 運作速度要更快, 功能也要更多, 所以有了智慧型手機、AI伺服器、雲端資料中心產生, 而這些產品都需有高效能且體積小的IC晶片, 為提升半導體晶片速度、增加元件積集密度並降低功耗, 半導體元件持續不斷的微縮, 半導體工藝演進已從1980年代的3μm製程演進至目前的3nm鰭狀電晶體(FFET)及奈米片(nanosheet)的環繞式柵極(gate-all-around,GAA)電晶體, 如圖1顯示最先端工藝已正式跨入3nm以下的量產技術節點。

頂尖的半導體應用晶片除了需要優異的IC電路設計外, 更需要完美的奈米元件結構搭配以新世代或先進的半導體工藝技術, 以達到晶片最佳的效能表現。工藝常見的材料包括Strain Si (SiGe / SiP), Gate Oxide, 電介質, 控制元件特性的離子注入硼(B), 磷(P), 砷(As)等材料, 而這些材料或元件的檢測需要用到的分析技術包括2方面: (1)高空間解析度(小於1nm)或(2)檢測到低成份濃度(小於ppm)的高階分析技術, 本文主要介紹二次離子質譜儀(SIMS)在IC工藝的品管監控的成分分析應用案例。

圖1. 半導體工藝演進與分析技術的應用

案例一 Strained-Si

Si MOSFET元件工藝微縮的演進中, 如何增加溝道中電子及空穴移動率(mobility) 是提升元件效能的重要課題, 提升電子及空穴移動率的方法中, 應變工程(Strained Engineering, Strained-Si)是提升Si奈米元件效能最有成效的方法之一。應變工程中常用SiGe材料來增加PMOS通道的壓應力, 增加空穴的移動率, 而SiP材料則用來增加NMOS通道的拉應力, 降低接觸電阻, 增加電子的移動率, 不管是SiGe或是SiP等材料, 微小的成份變化會大幅影響應變的程度, 因此如何精確的檢測分析SiGe與SiP的成份, 同時分析微量的摻雜成份, 需要使用SIMS來分析, 圖2顯示SiGe與SiP的SIMS縱深分析結果。

圖2. SIMS應用於Strain Si (SiGe & SiP)的縱深分析

案例二 高介電常數材料柵氧化層Gate Oxide (SiON)

金氧半場效電晶體(MOSFET)裡的柵氧化層是金屬柵極控制元件溝道開關的重要絕緣材料, 並且也是控制柵極漏電重要的結構材料, 此柵氧化層的介電常數越高, 對整個元件的特性越好, 在元件實際應用的高介電常數材料, 依照不同元件需求及工藝節點 (Node)會選擇不同高介電常數材料當作柵氧化層, 其中Oxynitride (氮氧化矽, SiON)為常用的高介電常數材料。SiON的用途很多，如柵氧化層、擴散阻擋層、蝕刻終止層(Etching Stop Layer)、快閃記憶體(Flash)、動態隨機存取記憶體(DRAM)等用途, 每一種用途的SiON材料的氧(O) 、氮(N)等成份含量會因為不同工藝、不同需求而有不同含量, 圖3為使用SIMS分析高介電常數材料Gate Oxide (SiON)的案例。

圖3. 高介電常數材料Gate Oxide (SiON) 常用在半導體元件中金氧半場效電晶體(MOSFET)裡的氧化層，厚度為數十到數奈米之間。

案例三 BPSG (硼磷矽玻璃, Boro-phospho-silicate Glass)

半導體工藝中, 前段工藝(FEOL, Front End of Line)是指製作元件的部分, 後段工藝(BEOL, Back End of Line)是指製作金屬導線及絕緣的介電層的部份, 前段及後段的連線靠接觸窗(Contact)的導電材料來連線, 而填充的非導電介電材料稱為ILD (Inter-Layer Dielectric)。製作接觸窗及填充的非導電介電材料的工藝統稱為中段工藝(MEOL, Middle End of Line)。因為前段工藝完成工藝後表面高低不平, 故需要有填充能力好的材料做填充, 此材料還需要有適當的絕緣能力, 此填充材料常用的材料為BPSG或PSG, BPSG是矽玻璃加入B(硼)與P(磷)等元素, B與P的含量及比率會影響材料的流動性、填洞能力, 更會影響後續的蝕刻工藝引數, 因此瞭解B與P的含量、分佈及成份比例, 是製程使用此材料需要知道的重要引數, 圖4為BPSG (硼磷矽玻璃, Boro-phospho-silicate Glass)的SIMS分析結果。

圖4. BPSG (硼磷矽玻璃, Boro-phospho-silicate Glass)的SIMS分析結果

案例四 FSG (氟化矽玻璃)

前面提到後段工藝(BEOL, Back End of Line)是指製作金屬導線及絕緣的介電層材料的部份。實際工藝需求為金屬導線需要低電阻材料, 絕緣的介電層材料需要低介電常數(Low-k)的材料, 利用此兩種材料來降低整個IC的電阻電容延遲（RC-Delay）。低介電常數的材料通常是將氧化矽中加入C(碳)或F(氟)等元素以降低介電常數, 因此加入多少的C或F是影響材料介電常數的重要因素, FSG是常用的低介電常數(Low-k)材料之一, FSG就是氧化矽中加入F(氟)元素來降低材料的介電常數, 圖5是利用SIMS精確測定FSG中的F含量的範例。

圖5. FSG的SIMS縱深分析結果

案例五 新型的三元功能薄膜材料SiCN

新型的三元功能薄膜材料SiCN, 有高硬度、寬光學帶隙、良好的高溫抗氧化效能及抗腐蝕效能等諸多優點, 可以應用於IC、LCD (液晶顯示器) 、FPD (平板顯示器) 、光電元件等產品。此材料中C/N的比例及均勻性會大幅影響材料特性, 圖6 為SiCN的SIMS分析案例。

圖6. SiCN的SIMS縱深分析結果

案例六 擴散分析(Backside SIMS)

Backside SIMS的分析方式可改善待測元素從高濃度層到低濃度層的knock-in效應, 特別是研究金屬層的向下擴散分析特別有幫助, 用一般從表面分析的方式, 少量金屬容易在分析過程中被推入下層, 形成假象; 用Backside SIMS的分析手法可以避免此問題, 得到真實的金屬成分的縱向分佈, 在Backside SIMS分析前需要先將基板減薄, 得到一個平整的面, 需要有良好的試片製備技術, 圖7為研究銅擴散一般正面分析與背面分析的結果。

圖7-1. 一般從表面SIMS分析時, 會將銅在分析過程中因SIMS離子束漸射被推入下層

圖7-2. Backside SIMS分析則可真實呈現銅擴散的分佈, 且有良好的縱深解析度

案例七 有機汙染物分析

一般有機物分析以FT-IR為優先考慮, 當有機汙染物在淺表層時, FT-IR可能因訊號量太少而無法測得, 飛行式二次離子質譜儀(TOF-SIMS)則可經由質譜分析, 比較正常品與異常品(或懷疑汙染物), 藉由質譜比對判斷可能的有機汙染源為何。圖8為有機汙染的TOF-SIMS分析案例, 藉由質譜比對, 判定為封裝過程中矽油的汙染, 導致Epoxy無法正常附著在晶片上。

圖8-1.封裝過程中因有機汙染物殘留造成Epoxy無法正常附著在晶片上

圖8-2. 經由TOF-SIMS表面質譜的分析比對, 判斷汙染物為矽油

二次離子質譜儀 (SIMS, Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析是經由帶有能量的離子束轟擊樣品激發出二次離子, 二次離子經加速後進入質譜分析系統, 運用電、磁場的偏轉將離子依據不同的質荷比(m/e)分開，而達到成份分析的目的。二次離子強度經過轉換可得到元素的濃度，而離子轟擊時間可轉換成分佈深度。二次離子質譜儀具有優異的檢測極限, 可量測出固體材料中元素含量至百萬分之一或以下(ppm-ppb)。二次離子質譜儀分為以下三種：磁偏式質譜儀(Magnetic-Sector SIMS)、四極式質譜儀(Quadrupole-SIMS)與飛行時間式質譜儀(TOF-SIMS); 磁偏式質譜儀有最佳的偵測極限, 適合做微汙染分析; 四極式質譜儀則有良好的縱深解析度, 適合做薄膜與超淺接面分析; 飛行式質譜儀除了有機物分析外, 最新的機種在縱深分析的能力也與四極式質譜儀相近, 表一為三種SIMS的特性比較。

閎康科技擁有完整的SIMS機種與豐富的實務經驗, 可提供客戶全方位的表面分析服務。

表一. 三種SIMS的特性比較