半导体工艺中金属元素分析和污染物控制

安捷伦科技(中国)有限公司

2024/10/09 18:12

半导体是现代电子产品的核心，应用于从智能手机到汽车等众多领域。随着半导体行业的发展，各种器件变得更小、更快、更可靠、更强大。

为解决高昂的成本问题，半导体制造过程中的产品良率是半导体厂商最关注的问题。影响产品良率的因素有很多，污染无疑是其中最重要的因素之一。业内人士估计，污染造成约 50% 的产量损失。从上世纪 70 年代到今天，芯片制程已经从“微米”时代，经过“纳米”时代，发展到当前的10 纳米以下。随着元件缩小到单个纳米尺度，对污染物和杂质的控制变得越来越重要，因为即使是超痕量污染物也会降低制造产量，导致产品可靠性下降或产品故障。半导体和电子产品中的杂质分析必须贯穿整个制造过程的各个阶段，从测试晶片、原材料和工艺化学品到最终产品的质量保证 / 质量控制。另外，在半导体全产业链的装置制造、传感器制造、控制器件制造过程等先进制造环节，真空的控制也非常关键。

1、芯片制造产业链

2、半导体制造典型元素分析场景

– 监测清洗和蚀刻硅片过程中使用的化学品中的痕量污染物

– 监测晶圆 /IC 制造过程中使用的化学品中的污染物

– 评估硅片衬底及用于硅的相关层和涂层中的金属污染

– 化学品以及晶圆加工和清洁浴槽中的金属纳米颗粒 (NP) 分析

– 半导体供应链中电子化学品 / 特气中的金属污染物

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3、硅片中金属污染物的自动化分析

清洁、蚀刻氧化物生长和离子注入过程可能会在半导体器件中引入金属污染。痕量污染物也可能来自用于生产块状多晶硅的石英岩（砂）以及切割晶圆的纯单晶硅锭。石英岩中的主要污染元素是铁、铝、钙和钛，而在将石英岩转化为 98% 纯硅的碳热还原过程中可能引入其他元素。然后利用气相纯化和化学气相沉积去除大部分杂质，得到纯度约为8个9的二氧化硅。

切割和抛光晶圆也可能引入痕量元素，例如来自化学机械平坦化（或抛光）浆液。最受关注的元素是过渡金属和碱性元素，但是它们未必均匀分布在晶圆中。铁可能通过硅块衬底扩散到表面氧化层中，而钛杂质水平可能因单晶 Si 锭熔化和冷却过程中的偏析而变化。

为确保金属污染物不会对 IC 器件产生不利影响，必须对晶圆表面中痕量金属的浓度进行测定。当暴露于大气中的氧气和水时，晶圆表面上的裸硅层迅速氧化为 SiO2。该自然氧化层的厚度约为0.25 nm（一个 SiO2 分子）。如果 IC 设计需要绝缘膜，则在 O2 或水蒸气存在下将晶圆加热到 900–1200 ° C，从而在晶圆表面上形成更厚的氧化层。该热氧化层的厚度可达100 nm(0.1 μm)。对于天然和热氧化的 SiO2，可使用气相分解 (VPD)与 ICP-MS相结合来测量氧化物层中极低浓度的痕量金属。

与 Agilent 8800 ICP-MS/MS 集成的由 IAS Inc. 制造的全自动 VPD-ICPMS 系统

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