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SEMIGED-ICPMS/MS

SEMIGED-ICPMS电子特气中纳米粒子在线监测系统

现代半导体集成电路(以下称IC)制造是在大尺寸晶圆上重复着超过100个蚀刻和化学沉积等步骤,工艺过程中使用了许多种的化学试剂和工艺电子气体。随着大规模集成电路的发展, 集成度的不断提高, 线宽的不断减小,晶圆表面的污染物会严重影响器件的质量和成品率。IC制造工艺和制程从上世纪的微米/亚微米级别发展到当前主流的28-65nm制程,以至当前最前沿的10nm甚至7nm工艺,遵循摩尔定律发展。

 

半导体器件极易受到多种污染物的损害,污染是可能将芯片生产扼杀在摇篮里的首要原因之一。这些污染物可以归纳为四类:

 

1.     纳米级颗粒物;

2.     金属离子(即亚纳米颗粒物);

3.     有机化学物质;

4.     原生氧化物及化学氧化物;

 

其中纳米颗粒物和金属杂质等污染沾污是最重要的污染因素,污染金属离子容许水平从传统的亚ppb级别发展到直至目前主流的小于10ppt级别。对于颗粒物污染的要求也越来越严格,经验告诉我们,微粒的大小要小于IC器件上最小图形尺寸的1/10,否则将对器件的功能造成致命损害,如下图2所示。例如,对于线宽为0.35um 的64 兆DRAM 器件工艺,影响电路的临界颗粒尺寸为0.06um, 晶圆表面大于0.2um 的颗粒数应小于20 个/片。在集成电路生产中, 由于晶圆表面的纳米颗粒等沾污问题, 仍有50% 以上的材料被损失掉。对于当前最前沿的亚14nm工艺制程,纳米级颗粒物污染物的要求基本上是不得检出。

 

 

半导体生产用的高纯气体可分为两大类,即普通的高纯气或称大宗气体,另一为特种气体。大宗气体主要有:氢气\氮气\氧气\氩气等;电子特种气体(特气)是指用于半导体及相关电子产品生产的特种气体。电子特种气体涉及集成电路制造多个环节,按在不同应用途径可分为掺杂用气体、外延用气体、离子注入气、刻蚀用气体、化学气相沉积气和平衡气等等,对最终产品质量和性能影响重大。电子特种气体在多个集成电路制造环节具有重要作用,尤其在半导体薄膜沉积环节发挥不可取代的作用,是形成薄膜的主要原材料之一。特种气体包含:SiH4PH3B2H6AsH3Cl2HClCF4NH3、POCl3SiH2Cl2SiHCl3BCl3、SiF4 ClF3COC2F6、N2O、F2、HF、HBrSF6 等,以及它们与氮、氩、氢、氦的混合气体等。这些大宗气体或特种气体在IC工艺制程中多数与晶圆直接接触,气体中的金属元素污染以及颗粒物污染成为影响产品良率的关键因素。为了检测气体中的金属元素污染,传统上是将气体通过多级PFA撞击吸收瓶,如下图所示。气体通过撞击吸收瓶内的水//试剂进行鼓泡或吸收,将金属污染物溶解在水//试剂中,然后用ICPMS进行检测。由于各种半导体大宗或特种气体的性质差别很大,有的气体有极强的反应性、毒性甚至爆炸性,撞击吸收的操作条件十分难以控制,吸收效率也差别极大。吸收后的溶液常常需要经过复杂的样品处理才能用ICPMS分析,从而大大影响了方法检测下限,越来越难以满足当前越来越高的检测需求。各种半导体气体中所含有的颗粒物污染在撞击吸收过程中,一般会与水//试剂产生溶解或反应或聚集,完全改变了其原始状态,只能以可溶的金属元素部分检测,完全失去了代表性和准确性。

 

为了解决这一困难问题,北京清测科技在日本IAS Inc.领导下研发了TsinSpec2020半导体特种气体直接进样SEMIGED技术。

 

对于传统的超大规模集成电路工艺流程中的颗粒度测试,测试气源的颗粒中大于0.1μm~0.3μm的颗粒数应小于或等于35颗粒/m³,连续三次达标为合格。然而,当IC制程进入纳米制程时,要求气体中颗粒物的直径和颗粒物数目均更小更少,而且是根据IC厂商的具体要求来协商定义指标,对于颗粒物的检测技术提出更高的要求,传统的粒度计数仪已经不能满足分析要求。

 

ICPMS/MS作为当前金属元素检测的最灵敏技术,又最新发展出纳米粒子检测功能。然而,ICPMS/MS本身工作气体为氩气,半导体特气无法直接进入ICPMS/MS。半导体气体交换装置(Semiconductor Gas Exchange Device, SEMIGED)是利用一种特殊的交换管,有效地采用超高纯氩气置换半导体特种气体样品中原来的主体气体,但同时保留其中的极微量的颗粒物粒子,颗粒物粒子在SEMIGED出口处变成粒子与氩气的混合气体。由于整个气体置换过程是连续的,所以,GED的样品出口可以直接在线连接到经过特种优化的ICPMS/MS检测器上,从而实现半导体气体样品中金属粒子的直接分析测定。系统配合专用的气体纳米粒子发生与定量校准系统,实现对于特种气体中纳米粒子的定量分析。

 

SEMIGED原理

SEMIGED即半导体特种气体交换装置,工作原理如下图

 

 

下图为SEMIGED-ICPMS/MS联机实物照片,分别与Agilent 8900 ICPMS/MS和PerkinElmer Nexion ICPMS联机

 

 

 

新型的SEMIGED技术可以应用于半导体高纯特气中金属纳米颗粒物污染的分析,其系统操作简单,性能强大,可以测定特气中亚ppt至ppq量级的金属污染物,其灵敏度远远优于传统的吸收瓶吸收后的溶液检测,实际方法检测下限优化了数百倍,对于半导体高纯氨的质量控制起到更好的指导作用。而且SEMIGED检测速度快,每个样品从钢瓶上样到结果报告仅需要数分钟,由于其自动化的管道清洗和自动化的操作模式,对于使用者的技能水平要求也大大降低了。

 

高纯氨气钢瓶直接进样结果分析如上图:在20ms内检测到多个单纳米直径以及数十纳米粒径的大Fe颗粒

 

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