突破A14先進製程挑戰　原子探針斷層掃描儀APT如何引領材料分析新時代

當代半導體的元件尺寸已微縮至奈米級與埃米等級，再加上異質材料整合與立體化元件結構，高解析電子顯微鏡的發揮逐漸產生侷限，這時材料分析的新解方是什麼呢？

晶圓製造大廠已公布14埃米（A14）製程將於2027~2028年問世，製程設備的提升與良率控制為這場晶片大戰的關鍵。各家大廠在追求材料極限的同時，材料分析技術—尤其是空間解析度—是否能跟上元件的研發也將是重要的議題。本文將聚焦於「台灣學研界最新導入的原子探針斷層影像儀」以及「其如何透視半導體材料中的缺陷」。

什麼是原子探針斷層影像儀？

原子探針斷層掃描儀（Atom Probe Tomography, APT）(圖1)為目前最頂尖的材料顯微分析技術，能夠提供材料微觀區域中的三維原子分布，其空間解析度可達次奈米級，並於20 x 20 x 10nm³的空間中達到10ppm等級的成分偵測極限，在仰賴精準控制元件尺寸與摻雜濃度的半導體當中是一項極具潛力的材料分析技術，亦為台積電、三星、英特爾等半導體廠商最新發展之前瞻分析。

APT的工作原理與電子顯微鏡不同，它不依賴電子束與樣品的交互作用，而是透過一種叫做離子場蒸發的方式，將針狀樣品表面的原子（或離子）離子化，然後投射到一位置傳感器，以觀察樣品的原子排列，因此不受光學繞射極限的限制。這種技術能深入分析元件或材料的微觀結構，為研究提供關鍵數據。

APT 的偵測方式，可分為下列四步驟：

針尖場蒸發

1.將樣品製成非常尖的針狀（針尖曲率半徑需小於100nm）。

2.對樣品逐步施加高電壓，或使用雷射脈衝，精準控制針尖表面原子，讓原子逐個「蒸發」成離子。

離子飛行

1.當針尖表面的原子被蒸發後，這些原子會以帶電的離子形式飛向偵測器（Position Sensitive Detector）。

2.偵測器能記錄每個離子的到達/打擊位置和飛行時間（Time-of-Flight）。

質譜分析

根據飛行時間，透過質譜標定（Ranging of Mass Spectrum）分析離子的種類，計算每個離子的種類（例如是鐵原子還是鎳原子）。

3D重建

將所有數據組合起來，進行三維重構（Reconstruction），即可還原樣品內部的三維原子結構，就像拼成一個立體的地圖。

一鏡到底窺視半導體元件缺陷

元件研發或故障分析中經常需要一體式的檢視薄膜、晶界或元件接面的局部化學分布，而最常使用的二次離子質譜儀（SIMS）雖然可以在奈米深度解析下達到超越ppm等級之偵測極限，然而對於微縮且立體化之元件則無法進行分析；而穿透式電子顯微鏡（TEM）雖然可以透過X-ray能量散佈能譜（EDS）或電子能量損失能譜（EELS）進行成分分析，然而往往在奈米立體結構、偵測極限及元素選擇性的限制下，無法提供完備的分析證據與數據。

國立臺灣大學與台灣半導體研究中心以APT解析多晶矽中摻雜元素（如磷）的偏聚與擴散行為。研究團隊觀察到磷佈植多晶矽在快速熱退火（Rapid Thermal Annealing, RTA）後會大幅降低其載子濃度。過往之研究多將此歸因於再結晶不完全或晶體缺陷，如(圖2)，而APT為三維之元素分布數據，可在局部的二維成分分布與一維成分曲線持續深入探討其偏聚的現象。從APT分析可以很清楚的觀察到大量的磷受退火影響而偏聚至晶界，並沿晶界向基材進行擴散。此研究成果說明了多晶矽中載子活化率的高低，乃受摻雜元素之偏聚行為影響，當磷的偏聚現象藉由優化退火製程參數或退火方法降低時，材料的電性、製程的穩定性，以及元件的效能都可以被提升。

APT、TEM、SIMS這三種技術各有其優缺點，可根據研究需求和樣品特性，選擇合適的分析方法 。

如何製作APT試樣？

在APT分析中，待測物須事先製作成針尖型的試樣，針尖曲率半徑需小於100nm，才可透過針尖場放大效應大幅降低所需的電位差（約數千伏特），而讓材料的原子能夠被有效蒸發。 半導體元件或薄膜的試片製備仰賴雙束聚焦離子束（Dual Beam FIB）技術。宜特科技材料分析實驗室與國立臺灣大學團隊合作，共同發展出APT 所需之針尖型的樣品製備技術，這些樣品包含薄膜、MRAM、AlGaN光電元件、FinFET半導體元件、金屬材料等。(圖3)為宜特科技於FinFET元件上所製備之針尖型試樣，並於APT中成功獲得該元件之三維元素分布。宜特科技為台灣第一家完成發展APT針尖製備技術之驗證分析公司。

（本文作者顏鴻威為國立臺灣大學材料科學與工程學系教授；曾宇任任職於宜特科技）