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半導體製造、晶圓環境、品質控制的化學分析
在晶圓製造期間，減少材料造成的產能損失
控制製程步驟和晶圓環境以滿足常規晶圓合規性的日常挑戰需要使用許多不同的定性技術，包括很多能夠使用分析儀器的人員。在這裡，您將了解 Thermo Scientific 層析和光譜測定解決方案及其在控制整個半導體製造環境中的應用，以確保您達到最高良率。
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製造環境引起的晶圓污染
監控晶圓製造環境包括控制和分析矽晶圓暴露的所有媒介，這些媒介可能會對製造產能產生不利影響。 這些包含：
- 在整個積體電路的製造過程中，使用去離子 (DI) 水作為漂洗劑
- 用於清潔晶圓表面或在晶圓表面蝕刻材料的化學試劑、酸、鹼和溶劑
- 在離子佈植和沈積生產製造步驟中使用惰性和活性氣體
- 整個製造過程中，在潔淨室內和微型環境中的空氣
為了盡量減少製造環境引起的晶圓污染，必須分析這些氣體和液體媒介中的顆粒、雜質和特定污染物，包括有機物、微量金屬、酸和鹼。 根據媒介（氣體、液體、固體）的階段和要控制的污染物的性質，必須使用不同的層析和光譜分析技術。表 1 列出了許多這些技術，而表 2 則概述半導體污染物分析的分析技術
表 1： 半導體污染物分析的分析技術示例
Table 2. Semiconductor device manufacturing: overview of typical contaminants and required control levels for CR air, UPW, gases and chemicals and the most adapted analytical techniques
| Type of process contaminant analysis | Analytical technique | Analytical requirements | Typical performance |
|---|---|---|---|
| Wafer / substrates | VPD-ICP-MS, IC, CIC | Elemental and ion detection sensitivity; powerful interference removal; reproducibility, matrix robustness | ng/L and ug/L, respectively |
| Clean room air | GC, IC | VOC, SVOC, Metals, anions | ug/L |
| Ultrapure water | ICP-MS, IC | Elemental and ion detection sensitivity; reproducibility | ng/L and ug/L, respectively |
| Chemical / reagents | ICP-MS, IC | Elemental and ion detection sensitivity; powerful interference removal; reproducibility, matrix robustness | ng/L and ug/L, respectively |
| Gases | TD-GCMS, API-MS | N2, Ar, He, H2, VOC, SVOC, metals | <10 ppt (API-MS) |
| subpicogram – nanogram of HC (C8-C23) |
藉由 ICP-MS，分析製程所用化學品和試劑中的超微量金屬
Thermo Scientific iCAP RQ ICP-MS performance for ultratrace analysis of 9.8% H2SO4 Click image to enlarge
品質控制測試包括分析進料製程化學品。為了最大限度地減少由於性能降低或缺陷造成的生產損失，必須處理化學成分超過 10ng / L 或更低的超微量金屬。 直接測定腐蝕性基體中的微量元素，如氫氟酸、硝酸、異丙醇和氨溶液亦是一項挑戰。
對於許多元素來說，使用熱電漿 (HP) 的單模氦動能分離 (KED) 足以抑制背景和基體引起的光譜干擾，從而可以在特定的濃度水平下進行可靠的測量。 然而對於某些元素，特別是第一和第二群組的金屬以及一些過渡金屬，使用冷電漿 (CP) 的分析優於熱電漿。 冷電漿顯著降低氬基干擾和微量元素的背景，同時保持對鋰、鈉、鉀等常見元素的高元素敏感性。
然而，冷電漿不推薦用於所有元素的分析（例如，對於高電離勢元素如 鍺，則會降低敏感性），因此必須在常規分析中使用熱電漿條件和冷電漿條件的組合。Thermo Scientific 四極桿 (Q) ICP-MS 系統通過可靠的冷熱電漿操作和一次分析運作模式之間的快速切換而達成高生產力。
Thermo Fisher Scientific ICP-MS 系列產品的最新成員 - 三重四極桿 (TQ) ICP-MS 旨在提高對於矽基質和硫酸等這種具有挑戰性基質的干擾去除能力。三重四極桿和冷電漿操作的強大組合使得在生產過程化學品和晶圓表面的亞 ppt 濃度下可以進行超微量分析物定量，從而可靠地控制晶圓生產中的元素雜質。
| Instrument type | Target applications | Instrument model | Process monitoring | QA/QC | R&D |
|---|---|---|---|---|---|
| HR-ICP-MS | UHPC, UPW, VPD |  ELEMENT 2 HR-ICP-MS |  |  |  |
| TQ-ICP-MS | UHPC, UPW, VPD |  iCAP TQs ICP-MS | | | |
| SQ-ICP-MS | UHPC, UPW, VPD |  iCAP RQplus ICP-MS | | | |
| = 25% applicable | = 50% applicable | = 75% applicable |  = 100% applicable |
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離子層析在半導體產業中的作用
離子污染是半導體製造生產過程的一大問題，因為在成品元件中，少量污染物（十億分率 (ppb) 至百萬分率 (ppm) 濃度）會導致元件、晶圓或最終個別電子組件的腐蝕、侵蝕、電子遷移和短路。I離子層析（IC）是一種有效的分析技術，可以快速確定半導體產業中各種生產過程污染物的微量和主要成分。該技術提供了便於使用的方法，藉以量化常見無機陰離子和陽離子、特定有機添加劑、過渡金屬、多價離子和有機螯合劑。 W通過產線上 IC 流程監控，可以迅速判定這些組件，並以萬億分率的低水平立即採取補救措施。. 半導體 IC 測試包括以下應用。
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超純水中無機陰離子的測定
在整個積體電路的製造過程中使用去離子 (DI) 水，積體電路在其製造期間可能暴露於 DI 水數百次。由於去離子水中 (DI) 的污染物可能會擾亂正常的摻雜物分佈，造成反轉層或引起短路、或是其他電路故障，因此將半導體純水維持在其可達到的最高品質極為重要。離子層析法用於維護半導體製造設施中可獲得的最佳水質，並且是國際半導體產業協會 (SEMI) 推薦用於無機陰離子的唯一分析技術。
有機溶劑中微量陰離子的測定
製造過程中引入的陰離子污染會破壞半導體和電腦組件。製程中所使用溶劑中的微量污染物可能導致短路、沉積缺陷和腐蝕。這些組件缺陷會降低產量，從而增加製造成本和浪費。 由於元件幾何形狀縮減，即使較低的污染水平也會造成問題。 電腦和半導體產業需要確定溶劑中微量陰離子的方法，以協助識別不同製造階段的污染情況，以便採取措施防止未來的污染。
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測定試劑級酸、鹼、鹽類和有機溶劑中微量過渡金屬
SEMI（國際半導體產業協會，Semiconductor Equipment and Materials International）對於半導體元件製程所用濃酸中過渡金屬最大允許含量的規定範圍為 0.1 至1.0 ppm (ppb)。分析測量前通常需要勞力密集型手動預濃縮方法。螯合離子層析技術（螯合 IC）提供樣品預濃縮步驟，並且在檢測之前，藉由離子層析分離和柱後衍生化直接測定微量過渡金屬。
電鍍液中的污染物和添加劑
用於銅電化學沉積 (ECD) 的電鍍液需要良好控管的組成成份，不含污染物以確保具有正確特性的金屬沉積。 銅厚度，晶格方向和晶粒尺寸需要最佳化，以確保正確的電導，並儘量減少由於電遷移導致的老化。 離子層析和液相層析都可以測定添加劑，鍍液成分和鍍液污染物和添加劑的濃度，以確保電鍍沉積的質量。
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有關半導體行業 IC 分析的討論和方法，請參閱：
| Instrument type | Target applications | Instrument model | Process monitoring | QA/QC | R&D |
|---|---|---|---|---|---|
| Ion chromatography integrated system | Wafer / substrates, clean room air, UPW, UHPC |  Dionex Integrion HPIC System | | | |
| Ion chromatography modular system | Wafer / substrates, clean room air, UPW, UHPC |  Dionex ICS-6000 HPIC System | | | |
| = 25% applicable | = 50% applicable | = 75% applicable | = 100% applicable |
藉由液相層析法，分析銅電鍍液解決方案的添加劑和抑制劑
銅電鍍液用於將銅電鍍成半導體晶圓上的次微米特徵。 銅電鍍化學技術的目的為提供快速、高效的晶圓填充。 將添加劑的濃度保持在一定水平對於鍍液的性能至關重要。用於半導體應用的電鍍技術需要嚴格的鍍液控制和嚴格的方法學。
為了建立這些相關性，務必清楚了解鍍液的化學成分，包括抑制劑和促進劑鍍液成分，這有助於調節銅填充物的沉積速率，因為鍍液中這些成分太多或太少都可能導致「填充失敗」
循環伏安剝離法 (CVS) 提供了造成不完整圖向的間接鍍液的測量值，由於此法僅測量添加劑和副產品對電鍍品質的綜合影響。
高效液相層析法（HPLC）和離子層析法（IC）是一項提供下列重要資訊的分析技術，包含主要成份的濃度，化學平衡和趨勢測量重要資訊；主要成份，如：添加劑、增白劑、增效劑、穩定劑、載體、整平劑、抑制劑、促進劑、過渡金屬、金屬複合物和電鍍浴中的污染物。這些資訊用於改良的元件品質、降低不良率及降低鍍液的維護成本。 HPLC 亦可量化銅電鍍液中發現的相關副產物。