📍 CAREER ROADMAP CONTEXT
STAGE 04 — FAB METROLOGY & MATERIALS CHARACTERIZATION: Nanoscale Depth Profiling
ปรับตั้งค่าลำไอออนปฐมภูมิ Cs+/O2+, ควบคุมความเร็วการสปัตเตอร์หลุม Crater,
ทำการสอบเทียบสเกลความลึกด้วย Stylus Profilometer,
คำนวณความเข้มข้นสารเจือโบรอน/ฟอสฟอรัสด้วยค่า RSF และวิเคราะห์การแพร่กระจาย Transient
Enhanced Diffusion (TED)
Equipment: CAMECA IMS 7f-Auto, CAMECA SC Ultra, ION-TOF TOF-SIMS 5, Physical
Electronics nanoSIMS
Related:
Ion Implantation & Anneal
·
Fab Metrology & Inspection
·
Dual-Beam FIB-SEM
·
Layout Inspector Lab
Role: SIMS Specialist / Materials Characterization Engineer / Fab Process
Integration Physicist
01 บทบาทของ SIMS ในการควบคุมคุณภาพใน Fab
ในขณะที่เครื่องมืออย่าง TEM หรือ AFM ใช้สำหรับดูรูปร่างโครงสร้างกายภาพ
(Topography/Morphology) แต่เครื่องมือเหล่านั้นไม่สามารถบอกได้ว่ามีอะตอมของ
โบรอน (Boron), ฟอสฟอรัส (Phosphorus), หรือสารหนู (Arsenic)
ฝังอยู่ในเนื้อซิลิคอนความเข้มข้นกี่อะตอมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร
SIMS
คือเครื่องมือเดียวที่สามารถวัดการกระจายตัวของสารเจือปนได้ตั้งแต่ความเข้มข้นสูง
($10^{21}\text{ atoms/cm}^3$) ลงไปจนถึงระดับร่องรอยต่ำมาก ($< 10^{14}\text{
atoms/cm}^3$) ตลอดช่วงความลึกตั้งแต่ผิวหน้าจนถึงหลายไมครอน
02 ฟิสิกส์การสปัตเตอร์และผลผลิตไอออนทุติยภูมิ (Secondary
Ion Yield)
หลักการทำงานของ SIMS:
-
Primary Ion Bombardment: ยิงลำไอออนปฐมภูมิพลังงานสูง ($0.25 -
10\text{ keV}$) ชนผิวตัวอย่างซิลิคอน
-
Collision Cascade:
การถ่ายเทพลังงานจลน์ทำให้อะตอมของตัวอย่างหลุดกระเด็นออกจากผิว (Sputtering)
อะตอมส่วนใหญ่ ($\sim 99\%$) จะหลุดออกมาเป็นอะตอมกลางที่เป็นกลางทางไฟฟ้า
-
Secondary Ionization: อะตอมส่วนน้อย ($\sim 0.1 - 1\%$)
จะแตกตัวกลายเป็นไอออนบวก ($M^+$) หรือไอออนลบ ($M^-$) เรียกว่า
Secondary Ions
-
Mass Analysis:
สนามไฟฟ้าจะดูดไอออนทุติยภูมิเข้าสู่ระบบแยกมวลต่อประจุ ($m/z$)
เพื่อตรวจวัดจำนวนอะตอมอย่างแม่นยำ
03 ลำไอออนปฐมภูมิ: $\text{Cs}^+$ vs $\text{O}_2^+$ (The
Matrix Effect)
ความน่าจะเป็นในการแตกตัวเป็นไอออน (Ionization Probability)
ขึ้นอยู่กับชนิดของลำไอออนปฐมภูมิอย่างยิ่ง:
| ลำไอออนปฐมภูมิ (Primary Beam) |
ผลกระทบต่อพื้นผิวตัวอย่าง (Surface Chemistry) |
ธาตุเป้าหมายที่ตรวจวัดได้ดีเยี่ยม |
| Cesium Ions ($\text{Cs}^+$) |
ลดฟังก์ชันงาน (Work Function) ของผิวตัวอย่าง ทำให้เกิดไอออนลบ ($M^-$)
ได้ง่ายขึ้นมหาศาล ($1000\times$)
|
ธาตุที่มีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูง: $\text{As}^-$, $\text{P}^-$,
$\text{C}^-$, $\text{O}^-$, $\text{Si}^-$, $\text{S}^-$
|
| Oxygen Ions ($\text{O}_2^+$ หรือ $\text{O}^-$) |
เพิ่มค่าศักย์ไฟฟ้าเคมีบนผิวตัวอย่าง ทำให้เกิดไอออนบวก ($M^+$) ได้ง่ายขึ้น |
ธาตุที่มีพลังงานไอออไนเซชันต่ำ: $\text{B}^+$, $\text{Al}^+$,
$\text{Ga}^+$, $\text{In}^+$, $\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, โลหะทรานซิชัน
|
04 สถาปัตยกรรมเครื่องวิเคราะห์มวล: Magnetic Sector vs
ToF-SIMS
1. Dynamic SIMS (Magnetic Sector)
ใช้สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนไอออนตามมวล ($m/z$) มีช่วงการวัดกว้างที่สุดในโลก (Dynamic
Range $> 10^9$) และมีความละเอียดมวลสูง ($M/\Delta M > 10,000$)
สามารถแยกความแตกต่างระหว่างมวลคู่แฝดอย่าง $^{31}\text{P}^-$ ($30.9738\text{ amu}$)
กับ $^{30}\text{Si}^1\text{H}^-$ ($30.9816\text{ amu}$) ได้ 100%
2. ToF-SIMS (Time-of-Flight)
ตรวจวัดเวลาในการเดินทางของไอออนในท่อไฟลต์
สามารถตรวจวัดธาตุและโมเลกุลสารอินทรีย์ทั้งหมดบนผิวหน้าพร้อมกันในช็อตเดียว (Full
Mass Spectrum) เหมาะสำหรับการวิเคราะห์การปนเปื้อนบนผิวหน้าเวเฟอร์ (Surface
Contamination)
05 การคำนวณความเข้มข้นเชิงปริมาณ: Relative Sensitivity
Factor (RSF)
สัญญาณดิบจากเครื่องตรวจวัดจะเป็นหน่วยนับสัญญาณต่อวินาที (Counts per Second - CPS)
การแปลงเป็นความเข้มข้นของอะตอม ($C_i$ ในหน่วย $\text{atoms/cm}^3$) ต้องใช้สมการ
RSF:
SIMS QUANTIFICATION FORMULA USING RELATIVE SENSITIVITY FACTOR
C_i = \text{RSF}_i \cdot \frac{I_i}{I_m}
เมื่อ $I_i$ คือความเข้มสัญญาณของไอออนเป้าหมาย (Analyte Intensity), $I_m$
คือความเข้มสัญญาณของเนื้อแมทริกซ์หลัก (Matrix Reference Intensity เช่น
$^{30}\text{Si}$), และ $\text{RSF}_i$
คือสัมประสิทธิ์ความไวสัมพันธ์ที่ได้จากการสอบเทียบชิ้นงานมาตรฐาน (Standard Reference
Material) ที่ผ่านการฝังไอออนในปริมาณ Dose ที่ทราบค่าแน่นอน
06 การสร้างกราฟ Dopant Depth Profile ระดับนาโนเมตร
ขั้นตอนการแปลงแกนเวลาเป็นแกนความลึก (Depth Scale Calibration):
-
ลำไอออนจะค่อยๆ ขุดหลุมสี่เหลี่ยม (Sputter Crater ขนาด $150 \times 150\ \mu\text{m}$)
ลงไปในเนื้อเวเฟอร์อย่างต่อเนื่องตามเวลา
-
หลังการวัด วิศวกรจะใช้เครื่องวัดความหยาบผิวระดับนาโนเมตร (Stylus Profilometer หรือ
White Light Interferometer) วัดความลึกจริงของก้นหลุม ($z_{\text{crater}}$)
-
คำนวณอัตราการสปัตเตอร์เฉลี่ย $\text{Sputter Rate} = z_{\text{crater}} /
t_{\text{total}}$
เพื่อแปลงแกนเวลาของสเปกตรัมให้กลายเป็นกราฟแสดงความเข้มข้นสัมพันธ์กับความลึกในระดับนาโนเมตร
07 การประยุกต์ใช้ใน Ultra-Shallow Junctions (USJ) โหนด
Sub-3nm
ในทรานซิสเตอร์ FinFET และ GAAFET Nanosheet ชั้นรอยต่อ Source/Drain
มีความลึกเพียงไม่กี่นาโนเมตร ($< 10\text{ nm}$):
-
Ultra-Low Energy Beams ($< 250\text{ eV}$):
ต้องลดพลังงานลำไอออนปฐมภูมิลงเหลือไม่กี่ร้อยโวลต์
เพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาคไอออนพุ่งทะลวงผลักอะตอมเป้าหมายให้จมลึกลงไป (Atomic Mixing /
Knock-on Effect)
-
Transient Enhanced Diffusion (TED):
ติดตามการแพร่กระจายตัวที่ผิดปกติของโบรอนในระหว่างกระบวนการอบเลเซอร์ (Laser Spike
Annealing) เพื่อรักษาความชันของขอบรอยต่อ (Junction Abruptness $< 1.5\text{
nm/decade}$)
-
Interdiffusion in HKMG: ตรวจวัดการแพร่ซึมข้ามชั้นระหว่าง
$\text{HfO}_2$, $\text{TiN}$, และ $\text{La}_2\text{O}_3$ Cap Layer เพื่อควบคุมค่า
Work Function ของเกต
08 ปฏิบัติการจำลองบน Layout & Multi-Layer Inspector
Lab
คุณสามารถสำรวจพิกัดโครงสร้างเลเยอร์ และจำลองแนวระนาบการวัดสเปกตรัมในแล็บจำลองของ
SemiMatrix:
IC Layout & Multi-Layer GDSII Inspector
สำรวจพิกัดเลย์เอาต์, ตรวจสอบชั้น Doping Implantation Masks และจำลองมุมมอง Depth
Profiling ในเบราว์เซอร์
เปิดห้องแล็บเลย์เอาต์ →