縱橫半導體檢測 TOF-SIMS扮演要角

作者 : 雷秀玲,閎康科技專案管理處主任工程師;王世杰,閎康科技專案管理處副處長

飛行時間式二次離子質譜(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry,TOF-SIMS)是一項極為靈敏的表面分析技術,可以同時獲得空間解析度及縱深分析的訊息,已廣泛應用於先進製程的各種開發研究,是微區分析的一大利器;質譜含有的化學資訊,亦非常適合用於有機與無機材料的分析。

半導體的關鍵製程要經過漫長的研發及驗證過程,加速先進製程的進展,需要更精確與準確的材料分析。特別是半導體製程已進入奈米的技術節點,為了持續突破摩爾定律(More than Moore),半導體元件持續在結構及材料上創新,例如FinFET (Fin Field-Effect-Transistor)、GAAFET (Gate-All-Around FET),及奈米片(Nanosheet)電晶體等創新元件;近年來熱門的高頻及高功率電子元件,如化合物半導體(Compound Semiconductor)的氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC),第四代半導體的氧化鎵(Ga2O3),這些元件及製程的研發都非常仰賴高階的先進分析技術。

結構分析常用到的儀器包括觀察細微結構的掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)、觀察樣品橫截面的聚焦式離子束顯微鏡(Focused Ion Beam Microscope,FIB),或是具有原子解析度的穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)等;而特別針對半導體製程摻雜元素的離子濃度分析,則包含觀察離子佈植分佈及深度的展阻分析儀(Spreading Resistance Profiler,SRP)以及二次離子質譜儀(Secondary-Ion Mass Spectrometry,SIMS)等。

至於成份分析的儀器種類就更多了,依照設備的分析原理及其擅長的領域來劃分,首先是講求偵測靈敏度的儀器,如感應耦合電漿質譜儀(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry,ICP-MS),或是磁偏式二次離子質譜儀(Magnetic-Sector SIMS);再則是強調空間解析度的儀器,像是配備在TEM下的能量色散X射線譜(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,EDS),或電子能量損失譜(Electron Energy Loss Spectroscopy,EELS),能夠進行微米級(mm, 10-6m)的微區分析是其一大優勢。

但若想單靠一種分析技術面面俱到地同時兼顧靈敏度與解析度,甚至還要解析出是哪一種化合物或有機物的成份並不容易,在很多情況下,需要靠各種儀器接力合作,才能完成未知物成份的定性與定量分析。而TOF-SIMS這種表面分析技術,就能夠同時兼顧靈敏度及解析度的分析需求,因此廣泛應用在有機與無機材料的分析,半導體先進材料研究、先進製程開發及先進封裝製程改善,甚至生醫研究等領域,是非常靈敏的分析工具。接下來將針對TOF-SIMS的原理加以介紹,並透過幾個實際應用案例幫助各位深入了解這項分析技術。

飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)技術原理

TOF-SIMS藉由帶有能量的入射離子轟擊待測樣品的表面,將目標區域的原子轟出而產生二次離子,二次離子經過加速後被導入飛行時間式的質譜分析系統。這些不同質量的離子雖然都獲得了相同動能,但因離子質量上的差異,使得他們在偵測器裡的飛行速度不同,到達偵測板的時間也有所不同。TOF-SIMS便是藉此特性來區分出不同電荷質量比(簡稱荷質比)的離子,達到成份分析的目的。

經過計算後所得出二次離子的數量(也就是訊號強度),再經過轉換可以得到各個元素的濃度值;而離子轟擊的時間,則可以將之轉換成探測的縱向深度,如此一來就可以獲得不同元素在樣品裡縱深分佈(Depth Profile)的濃度資訊。由於TOF-SIMS是將所有轟擊出的離子收集起來計算出訊號強度,因此具有優異的偵測極限,可以量測出固體材料中元素含量至百萬分之一以下的濃度。

圖1為常見的成份分析儀器及其靈敏度與解析度能力分佈,相較於Magnetic-sector SIMS要求至少大於50mm x 50mm的偵測區域(Probe Area),TOF-SIMS的偵測區域只需要20mm x 20mm即可,且其空間解析度(Probe Size)更可達到50nm的大小,再加上它的成份偵測靈敏度可以達到百萬分之一(ppm)的程度,所以能夠兼顧偵測靈敏度與空間解析度的需求,並可同時針對有機及無機材料的微量物質或污染成分進行分析,TOF-SIMS儼然成為微區分析的首選分析技術。

圖1:各類成份分析儀器在靈敏度與解析度的分佈圖。

閎康科技(Materials Analysis Technology;MA-tek)新添購的M6 Plus為ION-TOF最高階機型(圖2),具有空間解析度達到50nm和質量解析力大於30,000amu的優勢。獨特的DSC (Dual Source Ion Column)和GCIB (Gas Cluster Ion Source)配備,也可進行有機樣品的縱深分析。此外,閎康科技擁有完整的元素資料庫與豐富的分析經驗,可以滿足全方位的材料表面元素分析需求。

圖2:TOF-SIMS機台[TOF.SIMS M6 Plus, IONTOF GmbH]。

TOF-SIMS透過收集所有從分析樣品轟擊出來的離子碎片(Fragment),可偵測到週期表上所有元素及同位素,亦可得知樣品的分子資訊(Molecular Information)。一般來說,TOF-SIMS的分析模式可以分為以下三類,並輔以幾個實際分析案例加以說明。

  • 表面質譜分析(Mass Spectrum)模式
  • 表面影像分析(Ion Image)模式
  • 縱深分析(Depth Profile)模式

PCB上的矽油殘留汙染分析

矽油具有絕緣介質(抗腐蝕、耐高溫、防塵防潮)的特性,廣泛運用於電子製程中,通常需要專門的清洗劑來做清潔,若有未清洗完全的矽油殘留在印刷電路板(PCB)表面,則會造成後續製程不良的發生,例如:吃錫不良、灌封膠無法覆著等。TOF-SIMS具備微區有機汙染的分析能力,藉由表面質譜分析模式(Mass Spectrum)比對正常與異常PCB的表面質譜(圖3),可發現異常PCB的表面在荷質比為147之處有明顯差異,再透過資料庫數據比對得出此訊號為矽油成分,進而辨別有機污染物的種類及可能來源,這與FT-IR的分析模式非常類似。

圖3:矽油(Silicon Oil)污染的TOF-SIMS表面質譜圖。

TFT面板的表面成份分佈

TFT Array面板經過多道半導體製程後會形成最後的驅動電極,如S/D Electrode、Pixel Electrode、Gate Electrode,製程所使用的金屬材料包含鋁和銅及稀有金屬如鉻、銦、鉬、鈦、鉭等。TOF-SIMS的表面影像分析模式(Ion Image)具備清晰的離子成像功能,適合直接觀察TFT Array電極的分佈情況。圖4即是TOF-SIMS針對面板表面電極的離子影像圖,根據鋁(Al)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、銀(Ag)、矽(Si)等元素,挑選其中三種離子訊號製作疊圖影像,並用不同顏色分別代表不同離子,直接觀察玻璃基板上的各種金屬膜及半導體層的分佈位置。在這個案例中,Mo+的成份分佈顯然有異常的殘留在大面積的範圍內。

圖4:TFT電極成份的TOF-SIMS離子影像圖。

SiON薄膜縱深分析

氮氧化矽(Silicon Oxynitride,SiON)具有良好的光學特性,其折射率在氮化矽Si3N4和二氧化矽SiO2之間,廣泛應用於光學元件。除了作為太陽能電池的抗反射層和鈍化層材料外,也常用在半導體元件中金氧半場效電晶體裡的氧化層,厚度為數十到數奈米之間。圖5顯示了TOF-SIMS的縱深分析圖,利用縱深分析模式(Depth Profile)觀察SiON薄膜中的氧(O)及氮(N)訊號的分佈曲線,可以得出氧化矽及氮氧化矽層的厚度,待測物應該是11nm的SiO2/SiON/Si雙層膜材料。由於TOF-SIMS在縱深解析度方面最高可達到埃(Å, 10-10m)的尺度,因此在先進製程的低能量離子佈植或是極薄鍍層與磊晶結構,皆可展現卓越的分析能力。

圖5:SiON薄膜厚度的TOF-SIMS縱深分佈圖。

超淺接面離子佈植縱深分析

由於半導體元件尺寸不斷微縮,使得元件在操作時的漏電流也變得嚴重,離子佈植(Ion Implantation)製程也需要進行調整。近年來半導體元件製造廠使用更高劑量的摻雜物,及更低能量的佈植參數開發超淺接面製程(Ultra-Shallow Junction Process),以提升元件的效率。而超淺接面製程所製造的佈植深度非常淺層,使得分析上也有一定難度。TOF-SIMS由於能夠控制較低的一次離子入射能量至數百電子伏特,因此比起四極式質譜儀(Quadrupole-SIMS),更適合超淺接面摻雜(Ultra-Shallow Junction Doping)的分析。圖6是將BF2摻雜物以4keV入射能量植入矽晶圓後,以TOF-SIMS分析硼(B)元素的縱深分佈圖,可以清楚觀察到硼訊號在對應距離表面2.7nm處有一個明顯的峰值,硼的佈植輪廓(Doping Profile)也非常完整,這些都是在調整佈植參數時非常重要的參考資料。

圖6:BF2離子佈植超淺接面的TOF-SIMS縱深分佈圖。

VCSEL成份縱深分佈

3D感測系統應用已逐步應用在人類生活之中,常見的如智慧型手機的人臉辨識、虛擬實境(Virtual Reality,VR)、擴增實境(Augmented Reality,AR),乃至元宇宙(Metaverse)生態系所需要的虛擬世界互動需求,另外還有無人載具、工業機器人、自駕車、安全監控與遠端醫療照護等領域。3D感測器就好比是人類的視覺感官,其中用來產生紅外光的高功率垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL),就是感測系統的關鍵元件。VCSEL一次產生數萬個光點投射到待測物,由相機接收含有深度資訊的反射陣列光點訊號,經處理器轉換成待測物體表面的輪廓形貌,是目前在IC元件、LED元件之外,化合物半導體產業的另一個重點開發的元件。

圖7(左)是利用TOF-SIMS的縱深分析模式(Depth Profile)來解析VCSEL主成分,可以清楚看到銦(In)、鋁(Al)、鎵(Ga)、砷(As)各個元素從樣品表面到GaAs襯底的分佈深度與各層厚度,也包含p-DBR (p-type Distributed Bragg Reflector)、MQW (Multiple-Quantum Well,多重量子阱)與n-DBR (n-type Distributed Bragg Reflector)結構的砷化鎵鋁AlxGa1-xAs成份變化。

圖7(右)則是將TOF-SIMS縱深分析圖的深度與Al、Ga元素進行3D圖轉換(3D Overlay Image),紅色與綠色交錯分佈能夠精細地展現出每層數十奈米的Al、Ga空間分佈資訊。在結合了空間解析度與縱深解析度的資料之後,TOF-SIMS能夠勾繪出3D成份分析的立體圖,在解構物質的空間分佈上提供了更直觀的觀察資訊。

圖7:VCSEL結構主成份的TOF-SIMS縱深圖(左)與TOF-SIMS 3D立體影像圖(右)。

TOF-SIMS可以分析所有的導體、半導體、絕緣材料,也同樣具備質譜儀的「全週期表」元素分析特色,以及ppm等級的偵測靈敏度。除此之外,TOF-SIMS的橫向空間解析度達50nm,縱深分析解析力可達0.1nm,非常適合超淺接面、多層膜結構、微量摻雜及有機無機異物的分析,補足XPS或FT-IR分析技術上偵測極限的範圍。而TOF-SIMS可以同時兼顧靈敏度與解析度的優點,近年來更被廣泛運用許多類型的分析上,閎康科技為了服務眾多客戶的分析需求,引進最新款的M6 Plus機型,期望能夠與目前的磁偏式及四極式質譜儀,提供業界更完整的分析服務。

閎康科技:https://www.ma-tek.com/zh-TW

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年12月號雜誌

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論