🔷質量解析度突破240,000，破解SiGe中As質量峰干擾
🔷SF-SIMS實現Fin、GAA、CFET微小結構精準摻雜定量

隨著先進電晶體從FinFET邁向GAA、CFET，器件尺寸越來越小、材料體系越來越複雜，一個過去容易被忽視的問題正在變得越來越關鍵：我們該如何在幾十奈米甚至更小的結構中，精準測出摻雜元素到底有多少？

今天，小編就結合imec這份資料，帶大家看看Orbitrap-SIMS如何突破傳統SIMS的分析瓶頸。通過將超高品質解析度Orbitrap與Self-Focusing SIMS（SF-SIMS）結合，imec成功解決SiGe中As摻雜分析面臨的質量峰干擾問題，實現微小結構中的高精度摻雜定量，為未來GAA、CFET等先進電晶體的材料分析與工藝研發提供了新的技術路徑。

一、這份材料真正想說明什麼？

整篇報告聚焦一個非常具體但對先進電晶體非常關鍵的問題：隨著 FinFET → GAA → CFET 演進，SiGe 等新材料結構越來越小、越來越複雜，傳統SIMS在微小結構中進行砷（As）摻雜定量時受到質量峰干擾和空間尺度限制，而 Orbitrap-SIMS + Self-Focusing SIMS（SF-SIMS）憑藉超高品質解析度，為GAA、CFET等先進器件提供更準確的奈米尺度摻雜分析能力。

二、GAA、CFET推動半導體材料分析進入“奈米小體積”時代

報告首先從電晶體技術演進講起。過去幾十年，半導體器件從平面電晶體發展到FinFET，再進入3nm GAA Nanosheet；未來還將進一步走向 Forksheet、CFET、2D FET甚至CNT-FET。

與此同時，材料體系也從單純的Si逐漸擴展到 High-k、Ge、SiGe、III-V以及2D材料，而且不同材料開始在奈米尺度結構中共同整合。

這意味著傳統材料分析面臨新的挑戰，器件越來越小 + 結構越來越3D化 + 材料越來越複雜 + 摻雜區域越來越區域化。

因此，對As等摻雜元素進行精確的成分和深度分析，正在成為GAA、CFET等先進器件研發的重要基礎能力。

三、傳統SIMS遇到“小結構污染”：周圍材料會干擾定量結果

報告重點解釋了傳統SIMS在先進器件上的空間分析難題。

對於Blanket Sample（大面積薄膜），傳統SIMS相對容易進行定量；但進入 <50nm的Patterned Structure 後，情況完全不同。

例如分析SiGe結構時，需要利用Ge/Si訊號比計算Ge含量，但離子束轟擊微小SiGe區域時，周圍SiO₂等材料產生的Si訊號也可能進入檢測結果，導致Si訊號偏高 → Ge/Si比值偏低 → 最終計算出的Ge濃度偏低。

imec因此引入 Self-Focusing SIMS（SF-SIMS）。其核心思想是利用時間和空間相關性，把來自同一次離子撞擊、同一位置產生的二次離子組合起來，從而更準確地分析奈米尺度結構。

四、真正的核心瓶頸：As和GeH“質量太接近”

這份報告最核心的技術問題其實不是空間解析度，而是Mass Resolution（質量解析度）。

As是先進CMOS節點的重要 N型摻雜元素，而SiGe則是提高載流子遷移率的重要材料。因此精準測量SiGe中的As濃度，對先進電晶體性能控制非常重要。

問題在於，SIMS分析過程中會出現大量非常接近的質量峰。

兩者非常接近，需要大約 10,000的質量解析度才能區分；而進入SF-SIMS以後，需要使用AsSi、AsGe等Cluster Ion，又會出現更加嚴重的峰重疊，有些干擾甚至需要超過 100,000 的質量分辨能力。

因此傳統 ToF-SIMS、Magnetic Sector SIMS、Quadrupole SIMS在複雜SiGe微結構中的As定量開始遭遇瓶頸。

五、Orbitrap-SIMS將質量解析度提升到>240,000

這正是報告引入Orbitrap的核心原因。

imec指出，複雜無機材料的SIMS光譜需要非常高的Mass Resolution，而傳統ToF-SIMS已經不足以解決部分質量峰干擾問題。

新的Hybrid SIMS通過引入 Orbitrap質量分析器，可以實現Mass Resolution >240,000，大約達到報告所述ToF-SIMS的 20倍。

這使得過去重疊在一起的 AsSi / SiGe、AsGe / Ge₂H等訊號可以被進一步分離，從而避免把其他元素或分子簇錯誤識別成As。

所以Orbitrap-SIMS的真正價值並不是簡單“檢測得更多”，而是把過去看起來是同一個峰的訊號真正分開。

六、四種SIMS技術對比：Orbitrap在As檢測極限上優勢明顯

告隨後系統比較了 ToF-SIMS、Quadrupole SIMS、Magnetic Sector SIMS、Orbitrap-SIMS。

實驗使用一系列不同Ge濃度的As Implant SiGe樣品，對Sputter Rate、Ge定量、As Detection Limit、Dynamic Range以及Calibration Curve進行比較。

對於Ge定量，不同技術都可以建立相應Calibration Curve，但在Patterned Sample的SF-SIMS分析中，Orbitrap尤其在高Ge濃度區域表現出更高靈敏度。

而在真正關鍵的As檢測方面，差距更加明顯 ToF / MS / Quad SIMS的Detection Limit受到質量解析度限制；Orbitrap-SIMS憑藉更高Mass Resolving Power，在Cluster Ion模式下的As Detection Limit可以改善超過一個數量級。

這對於低濃度摻雜分析非常重要。

七、Orbitrap + SF-SIMS建立SiGe中As的精確定量方法

解決“能不能看見”之後，下一步就是解決“到底有多少”。

imec利用Orbitrap-SIMS建立了SiGe中As的Calibration Curve，並根據Ge含量把SiGe劃分為三個區間：

同時針對不同Ge濃度選擇合適的AsSi/SiGe、AsGe/SiGe以及AsGe/Ge₂等訊號組合，實現As Dopant Quantification。

因此，這項工作的意義不僅是證明Orbitrap解析度更高，而是進一步建立了可以真正用於SiGe先進器件的As定量分析方法。

八、真實Fin結構驗證：傳統ToF-SIMS已經可能出現“假As訊號”

報告最後使用一個實際Patterned Sample進行驗證 Si₀.₀₈Ge₀.₉₀Sn₀.₀₂:As Fin

Fin寬度只有 75nm、高度190nm。這裡出現了非常典型的問題。由於Fin內部存在氧污染，ToF-SIMS中 SiGe⁻與⁷⁰GeO₂⁻在m/z≈102附近發生Mass Interference，導致Ge濃度測量產生誤差。Orbitrap-SIMS測得頂部Ge約 97 at.%，而ToF-SIMS約為 94 at.%。

Orbitrap-SIMS能夠得到符合真實器件結構的頂部區域As摻雜分佈；而ToF-SIMS不僅頂部As濃度出現錯誤，甚至在實際未摻雜區域產生明顯的虛假As背景尾巴（fake high background As tail）。

這說明到了先進Fin/GAA尺度，Mass Interference已經不只是“測量誤差”，甚至可能導致對器件摻雜結構的錯誤判斷。

隨著半導體器件從FinFET向GAA、CFET以及更複雜的3D電晶體演進，SiGe等新材料和奈米尺度摻雜結構使傳統SIMS面臨空間尺度與質量峰干擾雙重挑戰。imec通過Orbitrap-SIMS與Self-Focusing SIMS結合，將質量解析度提升至超過240,000，有效解決As/GeH以及As相關Cluster Ion之間的Mass Interference，並實現SiGe微小結構中As摻雜的高精度定量分析，為Fin、GAA和CFET等下一代電晶體的材料表徵提供新的分析方案。(芯聯匯)

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