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半導(dǎo)體先進(jìn)制程 | 有機(jī)物分析難題解決方案
隨著半導(dǎo)體制造工藝節(jié)點(diǎn)的不斷縮小,，集成度不斷提升，對(duì)于 28nm 及其以下先進(jìn)制程中的工藝技術(shù)要求也越來(lái)越高,，尤其針對(duì)半導(dǎo)體晶圓表面潔凈度的控制,，這是因?yàn)榫A表面的潔凈度會(huì)影響后續(xù)半導(dǎo)體工藝及產(chǎn)品合格率。早期文獻(xiàn)報(bào)道,，半導(dǎo)體制程產(chǎn)額損失中有高達(dá) 50% 是源于晶圓表面污染,。晶圓制造過(guò)程包括氧化擴(kuò)散（Thermal Process）、薄膜沉積（Dielectric Deposition）,、光刻（Photo-lithography）,、刻蝕（Etch）、離子注入（Ion Implant）,、拋光（CMP）,、及金屬化（Metalization）等工藝，其中薄膜沉積,、光刻和刻蝕是前道晶圓制造的三大核心工藝,，制造過(guò)程反復(fù)循環(huán)，包括上千道加工工序,，期間涉及的原材料,、工作環(huán)境和工藝操作都可能造成硅片表面的沾污。其中原材料是一個(gè)重要的污染源：例如光刻過(guò)程需要的光刻膠,、掩膜版,；硅片清洗過(guò)程需要的各種濕化學(xué)品；化學(xué)機(jī)械平坦化過(guò)程需要的拋光液和拋光墊等都可能造成晶圓表明污染。
圖 1. IC 制造典型步驟示意圖
制程有“雜質(zhì)",，性能有“雜音"
晶圓表面最常見的污染包括金屬離子,、有機(jī)物及顆粒物三類。其中有機(jī)物雜質(zhì)在半導(dǎo)體制程中以多種形式存在,，主要有：
切,、磨、拋的機(jī)器設(shè)備涂有的各種油脂,，如潤(rùn)滑油,、防銹油等；
膠片固定用的粘合劑，如松香,、石蠟等,；
光刻膠及其濕電子化學(xué)品中的雜質(zhì)；
手部表面油脂等,。
有機(jī)污染物主要以范德瓦爾斯吸引力粘附在晶圓表面，形成有機(jī)物薄膜,，導(dǎo)致晶圓表面產(chǎn)生非預(yù)期的疏水性質(zhì),，阻止鹽酸、硫酸,、過(guò)氧化氫和王水等清洗液達(dá)晶圓表面,，從而影響離子型及其金屬型雜質(zhì)的清洗效果。同時(shí)也會(huì)增加晶圓表面粗糙度,、產(chǎn)生霧化（haze）表面,、破壞外延層的生長(zhǎng)。
實(shí)踐證明,，即使是在 10 級(jí)甚至更高潔凈度的潔凈室內(nèi),，有機(jī)物的濃度總達(dá)到率也比顆粒高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此通過(guò)分析雜質(zhì)來(lái)源對(duì)于優(yōu)化制程工序,、問(wèn)題溯源和先進(jìn)材料質(zhì)量控制來(lái)說(shuō)顯得尤為重要,。
Agilent 軟硬件結(jié)合，
準(zhǔn)確快速定位 “雜音" 來(lái)源
有鑒于此,，Agilent 針對(duì)半導(dǎo)體先進(jìn)制程中：1）光刻過(guò)程中有機(jī)物污染,；2）原材料的質(zhì)控分析；3）工藝中污染物溯源等問(wèn)題提供有效解決方案,，將有機(jī)物分析應(yīng)用于高端半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈,，貫穿原材料到制程的每個(gè)環(huán)節(jié)，加速高端配方型材料研發(fā)進(jìn)程,，助力制程工藝中質(zhì)量控制和工藝提升,，解決產(chǎn)業(yè)難題,。有機(jī)物分析涉及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域如圖 2 所示。
圖 2. 半導(dǎo)體制造過(guò)程中有機(jī)物分析
該解決方案的核心即是基于將 Agilent QTOF MS 系統(tǒng)提供的高質(zhì)量精度數(shù)據(jù)與系列 MassHunter 數(shù)據(jù)分析軟件（ Qualitative Analysis 定性軟件,、ProFinder 軟件,、Mass Profiler Professional (MPP)）結(jié)合起來(lái)提供的更完善的化學(xué)品未知雜質(zhì)分析和結(jié)構(gòu)確認(rèn)流程（圖 3 所示）。
圖 3. 半導(dǎo)體制程中有機(jī)雜質(zhì)分析及其溯源
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半導(dǎo)體制程中的有機(jī)雜質(zhì)理化性質(zhì)差異較大,，可分為高沸點(diǎn)和低沸點(diǎn)化合物,，分別采用氣相色譜-質(zhì)譜和液相色譜-質(zhì)譜進(jìn)行分析（圖 4 所示）。其中 Agilent LC-QTOF MS 系統(tǒng)采集的質(zhì)譜數(shù)據(jù)具有質(zhì)量精度高,、同位素分布準(zhǔn)確,、分辨率高、寬動(dòng)態(tài)范圍和重現(xiàn)性高等特點(diǎn),，在高沸點(diǎn)有機(jī)物分析中發(fā)揮重要作用,。
圖 4. Agilent 半導(dǎo)體制程中分析產(chǎn)品線
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數(shù)據(jù)挖掘與統(tǒng)計(jì)分析由 MassHunter Profinder 和 Mass Profiler Professional (MPP)軟件執(zhí)行完成。在ProFinder軟件中可實(shí)現(xiàn)對(duì)批量樣品進(jìn)行非靶向的分子特征離子峰提取與整合（MFE）,，繼而通過(guò) MPP 軟件內(nèi)置的 PCA 分析,、火山圖分析、S-Plot 分析和建模分析等多種統(tǒng)計(jì)學(xué)分析工具,，尋找 “缺陷樣品" 和 “合格樣品"之間的差異性及導(dǎo)致差異的因素（如圖 5 所示）。
圖 5. 半導(dǎo)體原材料中差異成分確認(rèn)
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Agilent PCDL 數(shù)據(jù)庫(kù),、MSC 軟件可協(xié)助研究者完成差異有機(jī)物的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)與確認(rèn)分析,。結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)分析則由與安捷倫全面合作的 Sirius 軟件完成，無(wú)需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可在 Sirius 中進(jìn)行目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等分析（圖 6 所示）,。
圖 6. 安捷倫未知物分析流程
LCMSMS 分析貫穿于半導(dǎo)體制程
光刻工藝是半導(dǎo)體制程中最為關(guān)鍵一道工藝,，經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底,、旋涂光刻膠,、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光,、后烘,、顯影、硬烘,、刻蝕,、檢測(cè)等工序。貫穿于全過(guò)程的原材料除了精細(xì)的化學(xué)品“光刻膠" 外,，還涉及相配套濕電子化學(xué)品（清洗試劑,、顯影液、剝離液等）,，任何一種化學(xué)品或者一道工序都有可能導(dǎo)致晶圓表面沾污,。目前該方案已成功應(yīng)用于半導(dǎo)體先進(jìn)制程中光刻過(guò)程工藝中的原材料（如濕電子化學(xué)品、光刻膠、過(guò)濾器材,、環(huán)境和回收試劑等）的質(zhì)控應(yīng)用中（圖 7）,。通過(guò)對(duì)原材料 “缺陷產(chǎn)品" 和 “合格產(chǎn)品" 的差異分析，尋找雜質(zhì)及其來(lái)源,，對(duì)于改善工藝,、改進(jìn)原材料配方以及原材料質(zhì)控起著至關(guān)重要的作用。
圖 7. 光刻工藝中有機(jī)物分析項(xiàng)目
結(jié) 語(yǔ)
未來(lái)安捷倫科技將提供更加完善的半導(dǎo)體材料分析解決方案,，助力于加速半導(dǎo)體先進(jìn)制程中高端半導(dǎo)體材料的國(guó)產(chǎn)化替代,，以滿足其下游半導(dǎo)體先進(jìn)制程的需求。