如何用 SIMS 分析應變材料 SiGe 和 SiP 提升半導體性能

市場對電子產品的需求日益提升，包括智慧型手機、AI 伺服器和雲端資料中心，都要求高效能且小型化的 IC 晶片。（資料來源：閎康科技）

為提升半導體晶片運算速度，增加元件積集密度並降低功耗，半導體元件不斷的縮小，自 1980 年代的 3μm 製程以來，技術已進展至目前的 3nm 鰭狀電晶體（FFET）與奈米片（nanosheet）的環繞式閘極（gate-all-around , GAA）電晶體，如圖 1 所示，最先進的製程已成功進入 3nm 以下的量產技術節點。

頂尖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新世代或先進的半導體製程技術，達到晶片最佳的性能表現。製程常見的材料包括 Strain Si （SiGe／SiP），Gate Oxide，電介質，控制元件特性的離子植入硼（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兩方面：（1）高空間解析度（小於 1nm）或（2）偵測到低成份濃度（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 製程的品管監控的成分分析應用案例。

應變工程中的 SiGe 與 SiP 成分分析對元件性能的影響

Si MOSFET 元件製程微縮的演進中，如何增加通道中電子及電洞移動率（mobility）是提昇元件性能的重要課題。應變工程（Strained Engineering，Strained-Si）是提升 Si 奈米元件性能最有成效的方法，應變工程中常用 SiGe 材料來增加 PMOS 通道的壓應力，增加電洞的移動率；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，因此如何精確的偵測分析 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

高介電常數材料 SiON 在 MOSFET 中的應用與成分分析

金氧半場效電晶體（MOSFET）裡的閘氧化層是金屬閘極控制元件通道開關的重要絕緣材料，並且也是控制閘極漏電重要的結構材料，此閘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製程節點（Node）會選擇不同高介電常數材料當作閘氧化層，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，如閘氧化層、擴散阻障層、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製程、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。

BPSG（硼磷矽玻璃，Boro-phospho-silicate Glass）材料的組成與製程參數的重要性分析

在半導體製程中，前段製程（FEOL, Front End of Line）涉及到元件的製造，而後段製程（BEOL, Back End of Line）則關注於金屬導線和絕緣介電層的製作。這兩部分通過接觸窗（Contact）中的導電材料相連，而填充的非導電介電材料則稱為 ILD（Inter-Layer Dielectric）。中段製程（MEOL, Middle End of Line）主要負責製作這些接觸窗和填充材料。

由於前段製程完成後表面不平整，因此需要使用具有良好填充能力的材料來填補這些不平整的區域。這些材料也必須具備適當的絕緣能力。常用的填充材料之一是 BPSG（硼磷矽玻璃，Boro-phospho-silicate Glass），它是矽玻璃中加入了硼（B）和磷（P）元素。B 和 P 的含量及比例會影響材料的流動性和填充能力，進而影響後續的蝕刻製程參數。因此，了解 B 和 P 的含量、分布及成分比例對於製程中的材料選擇至關重要。圖 4 顯示了 BPSG 的 SIMS 分析結果，有助於我們掌握這些關鍵參數。

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

低介電常數材料 FSG（氟化矽玻璃）在後段製程中的應用與成分分析

前面提到後段製程（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。實際製程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

三元功能薄膜材料 SiCN 的特性與成分分析

SiCN 是一種新型的三元功能薄膜材料，擁有多項優異特性，包括高硬度、寬光學帶隙、以及優良的高溫抗氧化和抗腐蝕性能。這些特性使 SiCN 在 IC（積體電路）、LCD（液晶顯示器）、FPD（平板顯示器）和光電元件等領域中具有廣泛應用潛力。SiCN 的性能受其 C／N 比例及均勻性影響很大，這使得精確分析其成分變得至關重要。圖 6 展示了 SiCN 的 SIMS 分析結果，幫助我們深入了解這些關鍵參數如何影響材料性能。

▲ 圖 6、 SiCN的SIMS縱深分析結果

Backside SIMS 分析在金屬層擴散研究中的應用與優勢

在半導體分析中，Backside SIMS（背面二次離子質譜儀）是一種強大的技術，尤其在處理金屬層的擴散問題時表現出色。一般來說，當我們從表面進行分析時，少量金屬可能會在分析過程中被推入下層，造成數據誤差（knock-in效應）。而使用 Backside SIMS 技術，通過分析基板的背面，可以避免這一問題，提供更準確的金屬成分縱向分布。這種方法需要先將基板減薄，確保分析面平整，並且要求高超的樣品製備技術。圖 7 展示了使用 Backside SIMS 和傳統表面分析方法進行銅擴散研究的對比結果。

▲ 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布，且有良好的縱深解析度

TOF-SIMS 在有機汙染物分析中的應用與案例研究

在有機物分析中，傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）通常是首選方法。然而，當有機污染物僅存在於淺表層時，FT-IR 的信號可能過於微弱，難以檢測。此時，飛行時間式二次離子質譜儀（TOF-SIMS）就顯得格外重要。TOF-SIMS 能通過質譜分析比較正常樣品與異常樣品（或懷疑污染物），從而確定有機污染源。圖 8 展示了一個 TOF-SIMS 在有機污染分析中的案例。通過質譜比對，我們成功識別出污染源為封裝過程中的矽油，這些污染物導致 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 Spectrometry）是一種先進的分析工具，用於精確測量材料的成分。其工作原理是：首先，帶有能量的離子束轟擊樣品，激發出二次離子。這些二次離子被加速後進入質譜分析系統，通過電場和磁場的偏轉，根據質荷比（m／e）分離不同的離子，以達到成分分析的目的。二次離子的強度轉換為元素濃度，並且離子轟擊時間可以用來分析材料的縱深分佈。

SIMS 具備極高的偵測靈敏度，能夠測量固體材料中的元素含量至百萬分之一（ppm）或更低。SIMS 主要有以下三種類型：