市场对电子产品的需求日益提升，包括智能手机、AI服务器和云计算数据中心，都要求高性能且小型化的IC芯片。（数据源：闳康科技）

为提升半导体芯片运算速度，增加组件积集密度并降低功耗，半导体组件不断的缩小，自1980年代的3μm制程以来，技术已进展至目前的3nm鳍状晶体管（FFET）与纳米片（nanosheet）的环绕式闸极（gate-all-around , GAA）晶体管，如图1所示，最先进的制程已成功进入3nm以下的量产技术节点。

图1、半导体制程演进与分析技术的应用

顶尖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新时代或先进的半导体制程技术，达到芯片最佳的性能表现。制程常见的材料包括Strain Si （SiGe／SiP），Gate Oxide，电介质，控件特性的离子植入硼（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两方面：（1）高空间分辨率（小于1nm）或（2）侦测到低成分浓度（小于ppm）的高端分析技术，本文主要介绍二次离子质谱仪（SIMS）在IC制程的品管监控的成分分析应用案例。

应变工程中的SiGe与SiP成分分析对组件性能的影响

Si MOSFET组件制程微缩的演进中，如何增加信道中电子及电洞移功率（mobility） 是提升组件性能的重要课题。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，应变工程中常用SiGe材料来增加PMOS信道的压应力，增加电洞的移功率；而SiP材料则用来增加NMOS信道的拉应力，降低接触电阻，增加电子的移功率，不管是SiGe或是SiP等材料，微小的成分变化会大幅影响应变的程度，因此如何精确的侦测分析SiGe与SiP的成分，同时分析微量的掺杂成分，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

高介电常数材料SiON在MOSFET中的应用与成分分析

金氧半场效晶体管（MOSFET）里的闸氧化层是金属闸极控件信道开关的重要绝缘材料，并且也是控制闸极漏电重要的结构材料，此闸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制程节点（Node）会选择不同高介电常数材料当作闸氧化层，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，如闸氧化层、扩散阻障层、蚀刻终止层（Etching Stop Layer）、闪存（Flash）、动态随机访问内存（DRAM）等用途，每一种用途的SiON材料的氧（O）、氮（N）等成分含量会因为不同制程、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。

BPSG（硼磷硅玻璃，Boro-phospho-silicate Glass）材料的组成与制程参数的重要性分析

在半导体制程中，前段制程（FEOL, Front End of Line）涉及到组件的制造，而后段制程（BEOL, Back End of Line）则关注于金属导线和绝缘介电层的制作。这两部分通过接触窗（Contact）中的导电材料相连，而填充的非导电介电材料则称为ILD（Inter-Layer Dielectric）。中段制程（MEOL, Middle End of Line）主要负责制作这些接触窗和填充材料。

由于前段制程完成后表面不平整，因此需要使用具有良好填充能力的材料来填补这些不平整的区域。这些材料也必须具备适当的绝缘能力。常用的填充材料之一是BPSG（硼磷硅玻璃，Boro-phospho-silicate Glass），它是硅玻璃中加入了硼（B）和磷（P）元素。B和P的含量及比例会影响材料的流动性和填充能力，进而影响后续的蚀刻制程参数。因此，了解B和P的含量、分布及成分比例对于制程中的材料选择至关重要。图4显示了BPSG的SIMS分析结果，有助于我们掌握这些关键参数。

图4、 BPSG （硼磷硅玻璃，Boro-phospho-silicate Glass）的SIMS分析结果

低介电常数材料FSG（氟化硅玻璃）在后段制程中的应用与成分分析

前面提到后段制程（BEOL，Back End of Line）是指制作金属导线及绝缘的介电层材料的部分。实际制程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

三元功能薄膜材料SiCN的特性与成分分析

SiCN是一种新型的三元功能薄膜材料，拥有多项优异特性，包括高硬度、宽光学带隙、以及优良的高温抗氧化和抗腐蚀性能。这些特性使SiCN在IC（集成电路）、LCD（液晶显示器）、FPD（平板显示器）和光电组件等领域中具有广泛应用潜力。SiCN的性能受其C／N比例及均匀性影响很大，这使得精确分析其成分变得至关重要。图6展示了SiCN的SIMS分析结果，帮助我们深入了解这些关键参数如何影响材料性能。

图6、 SiCN的SIMS纵深分析结果

Backside SIMS分析在金属层扩散研究中的应用与优势

在半导体分析中，Backside SIMS（背面二次离子质谱仪）是一种强大的技术，尤其在处理金属层的扩散问题时表现出色。一般来说，当我们从表面进行分析时，少量金属可能会在分析过程中被推入下层，造成数据误差（knock-in效应）。而使用Backside SIMS技术，通过分析基板的背面，可以避免这一问题，提供更准确的金属成分纵向分布。这种方法需要先将基板减薄，确保分析面平整，并且要求高超的样品制备技术。图7展示了使用Backside SIMS和传统表面分析方法进行铜扩散研究的对比结果。

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

TOF-SIMS在有机污染物分析中的应用与案例研究

在有机物分析中，傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）通常是首选方法。然而，当有机污染物仅存在于浅表层时，FT-IR的信号可能过于微弱，难以检测。此时，飞行时间式二次离子质谱仪（TOF-SIMS）就显得格外重要。TOF-SIMS能通过质谱分析比较正常样品与异常样品（或怀疑污染物），从而确定有机污染源。图8展示了一个TOF-SIMS在有机污染分析中的案例。通过质谱比对，我们成功识别出污染源为封装过程中的硅油，这些污染物导致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 Spectrometry） 是一种先进的分析工具，用于精确测量材料的成分。其工作原理是：首先，带有能量的离子束轰击样品，激发出二次离子。这些二次离子被加速后进入质谱分析系统，通过电场和磁场的偏转，根据质荷比（m／e）分离不同的离子，以达到成分分析的目的。二次离子的强度转换为元素浓度，并且离子轰击时间可以用来分析材料的纵深分布。

SIMS具备极高的侦测灵敏度，能够测量固体材料中的元素含量至百万分之一（ppm）或更低。SIMS主要有以下三种类型：

1. 磁偏式质谱仪（Magnetic-Sector SIMS）：拥有最佳的侦测极限，非常适合进行微污染分析。

2. 四极式质谱仪（Quadrupole-SIMS）：提供良好的纵深分辨率，非常适合用于薄膜和超浅接面分析。

3. 飞行时间式质谱仪（TOF-SIMS）：除了能分析有机物外，最新型号在纵深分析能力上也接近四极式质谱仪。

下表展示了三种SIMS仪器的特性比较，虽然每种仪器都有其独特的优势，但要选择最适合的分析工具仍需根据具体需求而定。闳康科技拥有全面的SIMS机型和丰富的实务经验，能够为客户提供全方位的表面分析服务。

表一三种SIMS的特性比较

（首图来源：Shutterstock；数据源：闳康科技）