張志祥 / 工研院材化所
2D材料的晶圓級檢測技術
來自IMEC講者A.Moussa首先介紹該公司在下世代先進半導體的相關研發議題，包括高數值孔徑極紫外光(HNA EUV)先進微影圖案化技術、邏輯元件CFET及2D-FET、3D-DRAM記憶體、半鑲嵌(Semi-damascene)金屬連接整合技術，以及運用STCO進行3D IC技術開發(3Di-STCO)等，如圖卅七所示。本演講聚焦在2D-FET檢測議題上。
2D-FET元件的通道為Atomic channel，是接續CFET後所採用的2維新型材料電晶體，主要切入點在1奈米及次奈米世代產品，其中WS2已被視為最有機會導入的2D半導體材料，如圖卅八所示。
圖卅八、2D-FET元件的通道材料為單原子層2D材料(如WS2)
講者接著說明針對In-line 2D材料檢測常見方法與需求如圖卅九所示，包括：① Material Composition如XPS (組成)、XRF (組成/厚度)；② Morphology檢測如AFM (表面粗糙度/晶粒等表面形貌)、E-beam Microscopy (晶粒大小與數量)、Scatterometry (厚度)；③ Structure/Crystallinity如XRR (厚度/結構)、Raman (厚度/應變)、XRD (結構/結晶度)及④ Electrical Property如利用4點探針量測材料的Mobility。
圖卅九、In-line 2D材料檢測常見方法
講者團隊運用上述幾項工具包括AFM、SEM、Scatterometry、Raman及XPS等進行整片晶片不同WS2厚度(單層/雙層)特性量測驗證，如圖卌所示。
講者最後針對這幾項材料檢測驗證結果進行說明，如圖卌一所示：
(1) AFM-可以量測到每一層WS2薄膜的覆蓋率(Coverage)，但仍無法做到定量化；可以薄膜量測表面真實樣貌，並作為與其他量測工具的Reference metrology，但整片晶片的量測速度相較其他分析工具慢。
(2) SEM-量測速度快，也可精準定量化薄膜覆蓋率，不同厚度其灰階影像對比不同，缺點是只能呈現灰階影像。
(3) Scatterometry-量測快速，量測訊號對厚度變化很敏感，可精準量測單層WS2薄膜厚度，但由於訊號與厚度關聯性是建立在理論模型基礎上，實務上必須與SEM建立厚度檢量線，且無法量測薄膜覆蓋率。
(4) Raman-量測速度快，Raman訊號對薄膜厚度敏感，且可針對不同製程條件下的薄膜應變(Strain)進行量測；但同樣需與EM建立厚度檢量線，且無法量測薄膜覆蓋率。
(5) XPS-量測速度快，XPS訊號同樣對薄膜厚度敏感，且可量測薄膜化學元素鍵結，但無法量測薄膜覆蓋率。
運用材料模擬解析原子層沉積(ALD)氮化硼(BN)薄膜成長機制
講者Profs. Takashi Tokumasu任職於東北大學流體科學研究所，本次演講內容為透過反應性分子模擬解析BN ALD薄膜成長機制。隨著電晶體尺寸越來越小、結構越來越複雜，傳統薄膜製程技術如PVD、CVD漸漸無法滿足需求。原子層沈積技術(Atomic Layer Deposition; ALD)藉由表面一層一層成長的獨特機制，具有高均勻性、精準厚度控制與高的階梯覆蓋率(Step coverage)等特性，在先進半導體製程中扮演非常重要的角色。
講者首先介紹ALD原理，如圖卌二所示。ALD製程由四個步驟組成：①首先將含有成分A的化學氣體與基板進行反應﹔②然後利用大量惰性氣體將剩餘的成分A氣體移除；③接著投入含成分B的化學氣體進行反應；④然後再次通入惰性氣體將剩餘的成分B氣體移除。藉由此四個步驟，含有成分A與成分B的化學氣體分子在整個製程過程中不會相互接觸，因此所有反應只發生在基板表面，且每次循環過程僅會形成一層原子薄膜。
圖卌二、原子層沈積(ALD)原理說明
ALD有其最佳化製程參數操作範圍(Process Window)，當薄膜沉積溫度過低時，容易發生物理吸附(Physisorption)或低反應性(Low reactivity)問題；薄膜沉積溫度過高時，也會發生分解(Decomposition)或脫附(Desorption)現象。只有在合適的溫度下產生自我侷限反應成長(Self-limited growth)時，才能得到高品質ALD薄膜。
講者接著介紹材料多尺度模擬技術，如圖卌三所示。依據不同時間與空間尺度的問題，須採取不同的理論方法與工具，包括微觀尺度量子力學、分子動力與蒙地卡羅計算；介觀尺度粗粒化分子動力、布朗動力與耗散力學動力計算；以及宏觀尺度連續體理論計算，如固體力學、流體力學、熱傳、電化學、電磁學等。
ReaxFF MD是將反應力場(Reactive force field; ReaxFF)和分子動力學(Molecular Dynamics)相結合的理論模型，主要是用來描述處理複雜體系中分子鍵的斷裂和生成的一種模擬計算方法，很適合用來解析CVD、ALD這類有化學反應發生之薄膜成長機制。
牽涉到電子轉移或鍵結的產生、斷鍵問題，都可由DFT量子力學理論計算來處理，但對於多粒子系統來說，利用量子力學計算相當耗費計算資源與時間；而傳統古典力學MD是建立在明確的分子拓樸結構上(如鍵長、鍵角等等)進行分子作用力的計算，是用離散概念(非0即1)來描述粒子間是否有鍵結存在，並無法描述斷鍵或鍵結產生的過程。ReaxFF MD則是用一個位能(Potential energy)連續變化的函數來描述鍵結的產生---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
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