随着科技进步, 市场对于电子产品的要求越来越高, 产品体积要越小, 运作速度要更快, 功能也要更多, 所以有了智能型手机、AI服务器、云端数据中心产生, 而这些产品都需有高效能且体积小的IC芯片, 为提升半导体芯片速度、增加组件积集密度并降低功耗, 半导体组件持续不断的微缩, 半导体工艺演进已从1980年代的3μm制程演进至目前的3nm鳍状晶体管(FFET)及纳米片(nanosheet)的环绕式栅极(gate-all-around,GAA)晶体管, 如图1显示最先端工艺已正式跨入3nm以下的量产技术节点。
顶尖的半导体应用芯片除了需要优异的IC电路设计外, 更需要完美的纳米组件结构搭配以新世代或先进的半导体工艺技术, 以达到芯片最佳的性能表现。工 艺常见的材料包括Strain Si (SiGe / SiP), Gate Oxide, 电介质, 控制组件特性的离子注入硼(B), 磷(P), 砷(As)等材料, 而这些材料或组件的检测需要用到的分析技术包括2方面: (1)高空间分辨率(小于1nm)或(2)检测到低成份浓度(小于ppm)的高阶分析技术, 本文主要介绍二次离子质谱仪(SIMS)在IC工艺的品管监控的成分分析应用案例。
图1. 半导体工艺演进与分析技术的应用 |
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案例一 Strained-Si |
Si MOSFET组件工艺微缩的演进中, 如何增加沟道中电子及空穴移动率(mobility) 是提升组件性能的重要课题, 提升电子及空穴移动率的方法中, 应变工程(Strained Engineering, Strained-Si)是提升Si纳米组件性能最有成效的方法之一。应变工程中常用SiGe材料来增加PMOS通道的压应力, 增加空穴的移动率, 而SiP材料则用来增加NMOS通道的拉应力, 降低接触电阻, 增加电子的移动率, 不管是SiGe或是SiP等材料, 微小的成份变化会大幅影响应变的程度, 因此如何精确的检测分析SiGe与SiP的成份, 同时分析微量的掺杂成份, 需要使用SIMS来分析, 图2显示SiGe与SiP的SIMS纵深分析结果。
图2. SIMS应用于Strain Si (SiGe & SiP)的纵深分析 |
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案例二 高介电常数材料栅氧化层Gate Oxide (SiON) |
金氧半场效晶体管(MOSFET)里的栅氧化层是金属栅极控制组件沟道开关的重要绝缘材料, 并且也是控制栅极漏电重要的结构材料, 此栅氧化层的介电常数越高, 对整个组件的特性越好, 在组件实际应用的高介电常数材料, 依照不同组件需求及工艺节点 (Node)会选择不同高介电常数材料当作栅氧化层, 其中Oxynitride (氮氧化硅, SiON)为常用的高介电常数材料。SiON的用途很多，如栅氧化层、扩散阻挡层、蚀刻终止层(Etching Stop Layer)、闪存(Flash)、动态随机存取内存(DRAM)等用途, 每一种用途的SiON材料的氧(O) 、氮(N)等成份含量会因为不同工艺、不同需求而有不同含量, 图3为使用SIMS分析高介电常数材料Gate Oxide (SiON)的案例。
图3. 高介电常数材料Gate Oxide (SiON) 常用在半导体组件中金氧半场效晶体管(MOSFET)里的氧化层，厚度为数十到数纳米之间。 |
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案例三 BPSG (硼磷硅玻璃, Boro-phospho-silicate Glass) |
半导体工艺中, 前段工艺(FEOL, Front End of Line)是指制作组件的部分, 后段工艺(BEOL, Back End of Line)是指制作金属导线及绝缘的介电层的部份, 前段及后段的连接靠接触窗(Contact)的导电材料来连接, 而填充的非导电介电材料称为ILD (Inter-Layer Dielectric)。制作接触窗及填充的非导电介电材料的工艺统称为中段工艺(MEOL, Middle End of Line)。因为前段工艺完成工艺后表面高低不平, 故需要有填充能力好的材料做填充, 此材料还需要有适当的绝缘能力, 此填充材料常用的材料为BPSG或PSG, BPSG是硅玻璃加入B(硼)与P(磷)等元素, B与P的含量及比率会影响材料的流动性、填洞能力, 更会影响后续的蚀刻工艺参数, 因此了解B与P的含量、分布及成份比例, 是制程使用此材料需要知道的重要参数, 图4为BPSG (硼磷硅玻璃, Boro-phospho-silicate Glass)的SIMS分析结果。
图4. BPSG (硼磷硅玻璃, Boro-phospho-silicate Glass)的SIMS分析结果 |
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案例四 FSG (氟化硅玻璃) |
前面提到后段工艺(BEOL, Back End of Line)是指制作金属导线及绝缘的介电层材料的部份。实际工艺需求为金属导线需要低电阻材料, 绝缘的介电层材料需要低介电常数(Low-k)的材料, 利用此两种材料来降低整个IC的电阻电容延迟（RC-Delay）。低介电常数的材料通常是将氧化硅中加入C(碳)或F(氟)等元素以降低介电常数, 因此加入多少的C或F是影响材料介电常数的重要因素, FSG是常用的低介电常数(Low-k)材料之一, FSG就是氧化硅中加入F(氟)元素来降低材料的介电常数, 图5是利用SIMS精确测定FSG中的F含量的范例。
图5. FSG的SIMS纵深分析结果 |
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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、宽光学带隙、良好的高温抗氧化性能及抗腐蚀性能等诸多优点, 可以应用于IC、LCD (液晶显示器) 、FPD (平板显示器) 、光电组件等产品。此材料中C/N的比例及均匀性会大幅影响材料特性, 图6 为SiCN的SIMS分析案例。
图6. SiCN的SIMS纵深分析结果 |
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案例六 扩散分析(Backside SIMS) |
Backside SIMS的分析方式可改善待测元素从高浓度层到低浓度层的knock-in效应, 特别是研究金属层的向下扩散分析特别有帮助, 用一般从表面分析的方式, 少量金属容易在分析过程中被推入下层, 形成假象; 用Backside SIMS的分析手法可以避免此问题, 得到真实的金属成分的纵向分布, 在Backside SIMS分析前需要先将基板减薄, 得到一个平整的面, 需要有良好的试片制备技术, 图7为研究铜扩散一般正面分析与背面分析的结果。
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图7-1. 一般从表面SIMS分析时, 会将铜在分析过程中因SIMS离子束渐射被推入下层 |
图7-2. Backside SIMS分析则可真实呈现铜扩散的分布, 且有良好的纵深分辨率 |
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案例七 有机污染物分析 |
一般有机物分析以FT-IR为优先考虑, 当有机污染物在浅表层时, FT-IR可能因讯号量太少而无法测得, 飞行式二次离子质谱仪(TOF-SIMS)则可经由质谱分析, 比较正常品与异常品(或怀疑污染物), 藉由质谱比对判断可能的有机污染源为何。图8为有机污染的TOF-SIMS分析案例, 藉由质谱比对, 判定为封装过程中硅油的污染, 导致Epoxy无法正常附着在芯片上。
图8-1.封装过程中因有机污染物残留造成Epoxy无法正常附着在芯片上
图8-2. 经由TOF-SIMS表面质谱的分析比对, 判断污染物为硅油 |
二次离子质谱仪 (SIMS, Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析是经由带有能量的离子束轰击样品激发出二次离子, 二次离子经加速后进入质谱分析系统, 运用电、磁场的偏转将离子依据不同的质荷比(m/e)分开，而达到成份分析的目的。二次离子强度经过转换可得到元素的浓度，而离子轰击时间可转换成分布深度。二次离子质谱仪具有优异的检测极限, 可量测出固体材料中元素含量至百万分之一或以下(ppm-ppb)。二次离子质谱仪分为以下三种：磁偏式质谱仪(Magnetic-Sector SIMS)、四极式质谱仪(Quadrupole-SIMS)与飞行时间式质谱仪(TOF-SIMS); 磁偏式质谱仪有最佳的侦测极限, 适合做微污染分析; 四极式质谱仪则有良好的纵深分辨率, 适合做薄膜与超浅接面分析; 飞行式质谱仪除了有机物分析外, 最新的机种在纵深分析的能力也与四极式质谱仪相近, 表一为三种SIMS的特性比较。
闳康科技拥有完整的SIMS机种与丰富的实务经验, 可提供客户全方位的表面分析服务。
表一. 三种SIMS的特性比较
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