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半導(dǎo)體行業(yè)中的 ICP-MS 和 ICP-MS/MS
閱讀：760 發(fā)布時間：2023-8-28當(dāng)今的技術(shù)世界高度依賴集成電路 (IC)，其廣泛存在于從制造機器人到智能燈泡、從電話到汽車和航空航天的各種設(shè)備中。硅基 IC 器件由數(shù)百萬個封裝在硅片芯片上的單個晶體管（或開關(guān)）制成。該器件由氧化物、多晶硅、氮化硅絕緣體和導(dǎo)電金屬互連件的圖案層構(gòu)成。這些層通過“通孔"連接以形成提供所需計算或存儲功能的 3D 結(jié)構(gòu)。
在集成電路制造過程中（如圖 1 所示），需對每個導(dǎo)電或絕緣層進行沉積、掩模和蝕刻。這將留下復(fù)雜的特征圖案，線寬小至 10 納米（相當(dāng)于約 40 個 Si 原子）。增加摻雜區(qū)域，沉積或注入特定原子以改變硅的導(dǎo)電率。
目前的“10 納米"幾何結(jié)構(gòu)所包含的特征大小僅為 20 世紀 70 年代所制造電路的 1/1000 左右。這種尺寸的減小和密度的增加需要同時改進對污染的控制。由此產(chǎn)生的對更高純度化學(xué)品的需求導(dǎo)致對檢測金屬雜質(zhì)的分析儀器的性能提出了更高的要求，這一趨勢很可能會持續(xù)下去。
IC 器件制造中的痕量金屬半導(dǎo)體器件制造需要嚴格控制污染源；業(yè)內(nèi)人士估計，污染造成了約 50% 的產(chǎn)量損失。晶圓襯底或制造過程中使用的化學(xué)品可能引入金屬污染物。監(jiān)測并控制痕量元素污染始于高純度晶圓襯底。襯底通常為硅，但也可使用其他材料，如碳化硅、氮化硅和砷化鎵。高純度電子級硅的純度必須介于 9N 和 11N（99.9999999% 至 99.999999999%）之間。就污染而言，9N 純度是指固體 Si 中全部雜質(zhì)元素的最大濃度為十億分之一 (ppb)。將 Si 溶于氫氟酸中之后，可利用電感耦合等離子體質(zhì)譜 (ICP-MS) 測量硅塊中的痕量金屬污染。使用表面分析技術(shù)（如氣相分解）測量切割晶圓中的痕量金屬，其中將金屬從 Si 襯底中提取到液滴中，然后利用 ICP-MS 進行分析。除高純度晶圓襯底以外，必須控制晶圓制造過程中使用的化學(xué)品的純度，以免引入污染物。金屬污染物令人關(guān)注，因為它們會通過降低介質(zhì)擊穿電壓等原因而影響成品器件的電氣性能。除溶解于制程化學(xué)品中的污染物以外，在整個制造過程中還對不溶性納米顆粒進行監(jiān)測
半導(dǎo)體制造中的 ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀當(dāng) ICP-MS 在 20 世紀 80 年代問世時，因其高靈敏度、低檢測限和多元素檢測能力，半導(dǎo)體制造商和化學(xué)品供應(yīng)商對其非常感興趣。隨著“冷等離子體"在 HP 4500 儀器上的成功開發(fā)，ICP-MS 在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用在 20 世紀 90 年代得到快速發(fā)展。冷等離子體使 ICP-MS 測定痕量 Na、K、Ca 和 Fe 成為可能，因此半導(dǎo)體制造商和化學(xué)品供應(yīng)商不再需要使用石墨爐 AAS 測量這些元素ICP-MS 制造商不斷改進技術(shù)，一項主要突破是 2012 年推出的 Agilent 8800 串聯(lián)四極桿 ICP-MS (ICP-MS/MS)。8800 及其后續(xù)產(chǎn)品 Agilent 8900 ICP-MS/MS 比單四極桿 ICP-MS 提供了更高的靈敏度、更低的背景和更出色的干擾物質(zhì)控制。這使得監(jiān)測更多數(shù)量的低濃度污染物元素成為可能，包括 Si、P、S 和 Cl 等之前難以分析的元素。
硅及其他材料硅片襯底及相關(guān)層和涂層中的金屬污染可使用表面金屬提取 (SME)（也稱為氣相分解 VPD）進行監(jiān)測。在 SME/VPD 技術(shù)中，使用 HF 蒸氣溶解晶圓表層（裸 Si 或天然/熱氧化 SiO2）。通過在整個晶圓表面上“掃掠"一滴回收溶液（通常為HF 和 H2O2，但是有時采用 HCl/H2O2 等替代溶液）來收集溶解態(tài)金屬。然后將液滴從晶圓表面轉(zhuǎn)移到 ICP-MS 中進行分析。用于芯片制造的其他材料適合通過 ICP-MS 進行分析，包括三甲基鎵 (TMG)、三甲基鋁 (TMA)、二甲基鋅 (DMZ)、四乙氧基硅烷 (TEOS) 和三氯硅烷 (TCS) 等金屬有機化合物。此類化合物是用于在金屬有機化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 和原子層沉積中薄金屬膜或外延晶體層生長的前體。Al、Cu、Ti、Co、Ni、Ta、W 和 Hf 等純金屬用作物理氣相沉積 (PVD) 的濺射靶，以在晶圓表面上形成薄金屬膜。高 k 值電介質(zhì)材料包括 Zr、Hf、Sr、Ta 和稀土元素 (REE) 的氯化物及氧化物。這些材料的可接受污染物濃度各有限制，需要使用 ICP-MS 進行分析。
清潔/蝕刻和制程化學(xué)品在 IC 制造過程中，晶圓經(jīng)過許多制程，如圖 1 所示。所用的化學(xué)品與晶圓表面接觸，因此對污染的控制至關(guān)重要。一些常用化學(xué)品的示例如表 1 所示。在控制污染方面，最關(guān)鍵的制程化學(xué)品包括超純水 (UPW) 和 RCA 標準清洗 (SC) 溶液 SC-1 和 SC-2。RCA 清洗步驟除去晶圓表面的化學(xué)污染物和顆粒物雜質(zhì)，而不損傷芯片。SC-1（溶于去離子水 (DIW) 中的 NH4OH 和 H2O2）用于除去晶圓表面的有機殘留物、膜和顆粒。然后用 SC-2（溶于 DIW 中的 HCl 和 H2O2）除去離子型污染物。