發佈日期：2017/12/26
發佈單位：iST宜特
半導體製程利用離子植入/擴散方式，進行電流大小控制與P/N電性調變，如何精準計算摻入數量與深度?
LED磊晶摻入雜質原子，形成P/N type，如何得知摻入數量?
由於LED/半導體的P型與N型，是藉由摻入的雜質濃度來調整；而隨著半導體追逐摩爾定律，在不斷向下挑戰奈米等級、晶圓/LED製程不斷調整之際，控制好半導體製程的參數，以維持元件/磊晶穩定性是首要步驟，倘落未能妥善監控雜質摻入濃度，將有可能影響電流/電阻特性，進而影響IC/LED效能。
本月小學堂，就要和身為晶圓/LED製程工程師的您分享，得知P/N 離子濃度分佈的絕佳利器-二次離子質譜分析技術(SIMS)。
樣品通過使用一次離子進行濺射/蝕刻，在濺射過程中形成的二次離子，利用質譜儀來進行分析。主要是利用離子高靈敏度的特性，針對樣品的微汙染，摻雜與離子植入的定量分析，以及介面擴散行為的研究，均具有高解析的偵測能力。
(一) SIMS常見的問題
任何元素都可以分析嗎?
在週期表中所有的元素都可以經由SIMS來進行分析，一般常見半導體製程為分析P型-硼離子(B)、N型-磷(P)與砷(As)等離子；而在LED磊晶上，主要分析P型-鎂(Mg)與N型-矽(Si)。
對於大部分元素的最低偵測極限可達ppma(1E-6)，甚至對於部份元素的偵測極限高達ppba (1E-9)，因此被廣泛的應用於半導體以及薄膜材料的微量檢測分析上。
SIMS分析可以得到哪些訊息?
iST的SIMS高質量解析力除了可進行摻雜植入量的濃度分析外，還可進行P/N介面的深度分析(Junction Depth)，以及BULK材料中微量元素的濃度分析。
分析的樣品有何限制?
主要應用為破壞式的分析方式，任何樣品包括LED、面板類、太陽能、PCB以及基本的Si晶圓製程均可適用，最佳樣品尺寸為10mm.表面須平滑，可以獲得較好的解析度。分析深度可由數十奈米(nm)至數十微米(um)。
(二) 實際分析出的元素圖
案例一：偵測極限ppba level分析
- 分析樣品: 半導體矽晶圓
- 以下是宜特測試SIMS機台的最高極限，分析半導體矽晶圓之砷(As)離子植入的濃度，從圖可了解，SIMS可判斷高達0.2 ppba的偵測極限。
N型 :砷(As)離子植入Si晶片之縱深分佈圖
案例二：高解析SIMS分析
- 分析樣品: 半導體矽晶圓
- 經由多層奈米厚度的硼(B)植入分析，可從中了解SIMS的縱深解析度。以下是宜特測試SIMS機台的深度分析能耐，藉此特殊的高解析分析技術可從中了解最小的縱深解析度達1.65nm。
P型: 硼(B) )離子植入Si晶片之縱深分析圖
案例三：LED磊晶濃度分析
- 分析樣品: LED磊晶
- LED 在SIMS分析中，需要觀測的微量元素高達七八種，以下可得知磊晶中鎂(Mg, P型)與矽(Si, N型)的濃度分佈，並結合TEM分析的影像後，即可得知各元素在磊晶中的相對位置。
上圖為: SIMS分析，得知濃度分布 / 下圖為: TEM分析，得知元素相對位置
本文與各位長久以來支持宜特的您，分享檢測驗證經驗，若您有樣品異常現象需要判斷檢測，或是對相關知識想要更進一步了解細節，不要猶豫，歡迎洽+886-3-579-9909分機6613張先生(Johnson) Email: sa_tw@istgroup.com。