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半導(dǎo)體先進制程 | 有機物分析難題解決方案
隨著半導(dǎo)體制造工藝節(jié)點的不斷縮小，集成度不斷提升，對于 28nm 及其以下先進制程中的工藝技術(shù)要求也越來越高，尤其針對半導(dǎo)體晶圓表面潔凈度的控制，這是因為晶圓表面的潔凈度會影響后續(xù)半導(dǎo)體工藝及產(chǎn)品合格率。早期文獻報道，半導(dǎo)體制程產(chǎn)額損失中有高達 50% 是源于晶圓表面污染。晶圓制造過程包括氧化擴散（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。其中原材料是一個重要的污染源：例如光刻過程需要的光刻膠、掩膜版；硅片清洗過程需要的各種濕化學品；化學機械平坦化過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、有機物及顆粒物三類。其中有機物雜質(zhì)在半導(dǎo)體制程中以多種形式存在，主要有：
切、磨、拋的機器設(shè)備涂有的各種油脂，如潤滑油、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品中的雜質(zhì)；
手部表面油脂等。
有機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、過氧化氫和王水等清洗液達晶圓表面，從而影響離子型及其金屬型雜質(zhì)的清洗效果。同時也會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。
實踐證明，即使是在 10 級甚至更高潔凈度的潔凈室內(nèi)，有機物的濃度總達到率也比顆粒高幾個數(shù)量級，因此通過分析雜質(zhì)來源對于優(yōu)化制程工序、問題溯源和先進材料質(zhì)量控制來說顯得尤為重要。
Agilent 軟硬件結(jié)合，
準確快速定位 “雜音" 來源
有鑒于此，Agilent 針對半導(dǎo)體先進制程中：1）光刻過程中有機物污染；2）原材料的質(zhì)控分析；3）工藝中污染物溯源等問題提供有效解決方案，將有機物分析應(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環(huán)節(jié)，加速高端配方型材料研發(fā)進程，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)體制造過程中有機物分析
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)合起來提供的更完善的化學品未知雜質(zhì)分析和結(jié)構(gòu)確認流程（圖 3 所示）。
圖 3. 半導(dǎo)體制程中有機雜質(zhì)分析及其溯源
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半導(dǎo)體制程中的有機雜質(zhì)理化性質(zhì)差異較大，可分為高沸點和低沸點化合物，分別采用氣相色譜-質(zhì)譜和液相色譜-質(zhì)譜進行分析（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、同位素分布準確、分辨率高、寬動態(tài)范圍和重現(xiàn)性高等特點，在高沸點有機物分析中發(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)計分析由 MassHunter Profinder 和 Mass Profiler Professional (MPP)軟件執(zhí)行完成。在ProFinder軟件中可實現(xiàn)對批量樣品進行非靶向的分子特征離子峰提取與整合（MFE），繼而通過 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)計學分析工具，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
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Agilent PCDL 數(shù)據(jù)庫、MSC 軟件可協(xié)助研究者完成差異有機物的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)與確認分析。結(jié)構(gòu)預(yù)測分析則由與安捷倫全面合作的 Sirius 軟件完成，無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可在 Sirius 中進行目標物的結(jié)構(gòu)預(yù)測等分析（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、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。貫穿于全過程的原材料除了精細的化學品“光刻膠" 外，還涉及相配套濕電子化學品（清洗試劑、顯影液、剝離液等），任何一種化學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)體先進制程中光刻過程工藝中的原材料（如濕電子化學品、光刻膠、過濾器材、環(huán)境和回收試劑等）的質(zhì)控應(yīng)用中（圖 7）。通過對原材料 “缺陷產(chǎn)品" 和 “合格產(chǎn)品" 的差異分析，尋找雜質(zhì)及其來源，對于改善工藝、改進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. 光刻工藝中有機物分析項目
結(jié) 語
未來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)體先進制程中高端半導(dǎo)體材料的國產(chǎn)化替代，以滿足其下游半導(dǎo)體先進制程的需求。