摘要

本文討論并演示了痕量污染物分析儀的功能。該分析工具利用電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜儀對晶圓清洗溶液進(jìn)行全自動(dòng)在線監(jiān)測。該分析儀通過其在正負(fù)模式下提供強(qiáng)(元素)和弱(分子)電離的能力，提供了關(guān)于金屬、陰離子、陽離子、元素和有機(jī)物質(zhì)的豐富信息。它旨在滿足晶圓制造中日益復(fù)雜的新化學(xué)工藝的半導(dǎo)體工藝控制和產(chǎn)量管理需求。

介紹

亞微米器件技術(shù)對晶片清洗過程中可能存在的化學(xué)雜質(zhì)高度敏感。金屬污染是集成電路器件性能下降的主要原因，包括pn結(jié)泄漏增加、柵氧化層擊穿電壓下降和載流子壽命縮短。隨著關(guān)鍵器件幾何尺寸持續(xù)縮小至0.13 m以下，將濕化學(xué)清洗槽中的污染物嚴(yán)格控制在ppt(萬億分之一)水平變得越來越必要。

我們宣布了一種新的過程質(zhì)譜工具，旨在滿足這種測量需求。本文介紹了首次痕量污染物測量結(jié)果。

TCA科技

TCA系統(tǒng)與潔凈室完全兼容，在計(jì)算機(jī)控制下運(yùn)行，包括樣品提取和制備以及與標(biāo)準(zhǔn)工廠數(shù)據(jù)系統(tǒng)的接口。飛行時(shí)間質(zhì)譜的基本性質(zhì)類似于其他質(zhì)譜儀，因?yàn)樗秒妶龊?或磁場按照質(zhì)荷比(m/z)分離空間中的帶電物質(zhì)。飛行時(shí)間質(zhì)譜的平均分辨率為2000米/米，目前配置為以正離子模式(陽離子)在18至230米/秒的質(zhì)量范圍內(nèi)工作。TCA系統(tǒng)與潔凈室完全兼容，在計(jì)算機(jī)控制下運(yùn)行，包括樣品提取和制備以及與標(biāo)準(zhǔn)工廠數(shù)據(jù)系統(tǒng)的接口。飛行時(shí)間質(zhì)譜的基本性質(zhì)類似于其他質(zhì)譜儀，因?yàn)樗秒妶龊?或磁場按照質(zhì)荷比(m/z)分離空間中的帶電物質(zhì)。飛行時(shí)間質(zhì)譜的平均分辨率為2000米/米，目前配置為以正離子模式(陽離子)在18至230米/秒的質(zhì)量范圍內(nèi)工作。

金屬污染的TCA測量

圖1顯示了100 ppt水平解決方案的典型頻譜。在該分析中，TCA在正“苛刻”電離模式下運(yùn)行。由于飛行時(shí)間質(zhì)譜的高質(zhì)量分辨率，元素峰，如鎳、鋅和銅，可以從相鄰的有機(jī)峰中清晰地分辨出來。圖2顯示了三種溶液的平均定量結(jié)果(100ppt、50ppt和20 ppt)。存在的元素可以在100 ppt的水平上進(jìn)行定量，無論它們是多同位素還是單同位素。一些元素也可以在較低濃度下定量，即，。50分和20分。圖2中缺失的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在當(dāng)前測量條件下無法以足夠精度測量物種的地方。

在這項(xiàng)工作中使用的設(shè)施和UPW的質(zhì)量是我們在較低水平上對許多物種進(jìn)行成功量化的能力的主要限制。在100 ppt分析中觀察到高背景濃度的鈣。污染源未知，但據(jù)信與人類或設(shè)施有關(guān)。

圖1. 100 ppt NIST可追蹤溶液的質(zhì)譜，TCA以正“苛刻”電離模式運(yùn)行

圖2.加入NIST標(biāo)準(zhǔn)“儲(chǔ)備”溶液至20、50和100 ppt的超純水(UPW)的TCA分析。等級。定量預(yù)執(zhí)行同位素稀釋質(zhì)譜(IDMS)。

在線測量使用TCA的過程化學(xué)

圖3顯示了用于處理生產(chǎn)晶片的SC1浴的第一次測量結(jié)果。該趨勢圖說明了在幾小時(shí)內(nèi)可以經(jīng)濟(jì)高效地獲得的在線數(shù)據(jù)量(選擇的元素在SC-1浴中的濃度相對于時(shí)間以小時(shí)為單位繪制)。在這種情況下，同時(shí)對15種元素的一個(gè)單一生產(chǎn)SC-1槽進(jìn)行取樣，趨勢圖中顯示了3種元素。多達(dá)五個(gè)浴槽的采樣頻率是每個(gè)浴槽的五分之一。定量測量的速率約為每小時(shí)5個(gè)完整的多元素分析結(jié)果。這些結(jié)果表明，定量測量數(shù)據(jù)量可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)常規(guī)且經(jīng)濟(jì)高效地生成。這些結(jié)果也證明了基于實(shí)際過程化學(xué)的統(tǒng)計(jì)有效過程控制決策的潛力。

圖3. 銅、鎳和錳濃度與。SC-1生產(chǎn)槽中的時(shí)間(小時(shí))

潛在應(yīng)用：濕清潔過程中有機(jī)物種和元素物種形成的TCA分析

半導(dǎo)體行業(yè)正在研究更環(huán)保、更具成本效益的清潔化學(xué)品。一種方法是使用現(xiàn)有清潔溶液的高度稀釋版本，如改良SC1 (NH4OH:H2O2:H2O)。螯合物添加劑還通過最小化金屬催化的過氧化氫分解來提高SC-1浴的穩(wěn)定性。商業(yè)螯合劑之一，如滴定劑(乙二胺四乙酸，乙二胺四乙酸)通常用于此目的。

例如，使用“軟電離”TCA分析來鑒定SC-1溶液中添加1ppm的表面活性劑CH3(CH2)7SO3Na中存在的分子種類，如圖4所示。表面活性劑C7F15CO2H在BOE(緩沖氧化物蝕刻)和螯合劑EDTA中的質(zhì)譜分別如圖5和6所示。兩個(gè)Cu在圖5中，BOE情況下存在的物種來自一個(gè)未知的來源。圖6中的光譜顯示了C或C與各種Fe同位素結(jié)合的有機(jī)物種，即Fe、Fe和Fe。

盡管金屬污染物分析可能仍然是鍍液化學(xué)測量的主要目標(biāo)，但直接元素形態(tài)和物種測量和鑒定提供的信息將有助于更好地理解所涉及的污染機(jī)制。本文討論的底線是，關(guān)于過程化學(xué)還有很多未知的東西，新的清潔方法正在產(chǎn)生額外的復(fù)雜性。更好地了解現(xiàn)有的實(shí)際機(jī)制將有助于設(shè)計(jì)和成功實(shí)施更有效的清潔解決方案。

圖4. SC-1溶液中1 ppm表面活性劑CH3(CH2)7SO3Na的光譜;TCA工作在軟電離和負(fù)模式

圖6. 乙二胺四乙酸鐵的光譜，TCA操作在軟電離和負(fù)模式

結(jié)論

我們已經(jīng)證明，新的IPMS TCA能力能夠識(shí)別和量化濕法清潔工藝解決方案中的陽離子或陰離子形式的金屬和有機(jī)物質(zhì)。在這種情況下，我們將這一能力應(yīng)用于UPW和標(biāo)準(zhǔn)BOE、SC-1和DHF半導(dǎo)體工藝解決方案。我們還在包括表面活性劑和螯合劑的相對較新的稀釋SC-1化學(xué)物質(zhì)的分析物中顯示了有機(jī)和物種測量能力。痕量污染物分析儀(TCA)的功能包括無需操作員協(xié)助的自動(dòng)化在線操作。該工具提供實(shí)時(shí)過程化學(xué)測量，并具有提供元素和分子種類信息的能力。

預(yù)計(jì)這種新的高容量成本效益測量能力將首次提供統(tǒng)計(jì)上有效的過程化學(xué)表征和產(chǎn)量關(guān)聯(lián)。該工具產(chǎn)生實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)上有效的過程信息，從而避免偏移并采取必要的糾正措施。可以根據(jù)實(shí)際的工藝化學(xué)和污染水平以及對意外設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的需求來確定槽的更新或更換要求?？傮w而言，這些能力將實(shí)現(xiàn)更好和更具成本效益的半導(dǎo)體工藝控制和產(chǎn)量管理。

審核編輯：湯梓紅