半导体先进制程 | 有机物分析难题解决方案

随着半导体制造工艺节点的不断缩小，集成度不断提升，对于 28nm 及其以下先进制程中的工艺技术要求也越来越高，尤其针对半导体晶圆表面洁净度的控制，这是因为晶圆表面的洁净度会影响后续半导体工艺及产品合格率。早期文献报道，半导体制程产额损失中有高达 50% 是源于晶圆表面污染。晶圆制造过程包括氧化扩散（Thermal Process）、薄膜沉积（Dielectric Deposition）、光刻（Photo-lithography）、刻蚀（Etch）、离子注入（Ion Implant）、抛光（CMP）、及金属化（Metalization）等工艺，其中薄膜沉积、光刻和刻蚀是前道晶圆制造的三大核心工艺，制造过程反复循环，包括上千道加工工序，期间涉及的原材料、工作环境和工艺操作都可能造成硅片表面的沾污。其中原材料是一个重要的污染源：例如光刻过程需要的光刻胶、掩膜版；硅片清洗过程需要的各种湿化学品；化学机械平坦化过程需要的抛光液和抛光垫等都可能造成晶圆表明污染。

图 1. IC 制造典型步骤示意图

制程有“杂质”，性能有“杂音”

晶圆表面最常见的污染包括金属离子、有机物及颗粒物三类。其中有机物杂质在半导体制程中以多种形式存在，主要有：

• 切、磨、抛的机器设备涂有的各种油脂，如润滑油、防锈油等；

• 胶片固定用的粘合剂，如松香、石蜡等；

• 光刻胶及其湿电子化学品中的杂质；

• 手部表面油脂等。

有机污染物主要以范德瓦尔斯吸引力粘附在晶圆表面，形成有机物薄膜，导致晶圆表面产生非预期的疏水性质，阻止盐酸、硫酸、过氧化氢和王水等清洗液达晶圆表面，从而影响离子型及其金属型杂质的清洗效果。同时也会增加晶圆表面粗糙度、产生雾化（haze）表面、破坏外延层的生长。

实践证明，即使是在 10 级甚至更高洁净度的洁净室内，有机物的浓度总达到率也比颗粒高几个数量级，因此通过分析杂质来源对于优化制程工序、问题溯源和先进材料质量控制来说显得尤为重要。

Agilent 软硬件结合，

准确快速定位 “杂音” 来源

有鉴于此，Agilent 针对半导体先进制程中：1）光刻过程中有机物污染；2）原材料的质控分析；3）工艺中污染物溯源等问题提供有效解决方案，将有机物分析应用于高端半导体产业链，贯穿原材料到制程的每个环节，加速高端配方型材料研发进程，助力制程工艺中质量控制和工艺提升，解决产业难题。有机物分析涉及半导体产业链领域如图 2 所示。

图 2. 半导体制造过程中有机物分析

该解决方案的核心即是基于将 Agilent QTOF MS 系统提供的高质量精度数据与系列 MassHunter 数据分析软件（ Qualitative Analysis 定性软件、ProFinder 软件、Mass Profiler Professional (MPP)）结合起来提供的更完善的化学品未知杂质分析和结构确认流程（图 3 所示）。

图 3. 半导体制程中有机杂质分析及其溯源

半导体制程中的有机杂质理化性质差异较大，可分为高沸点和低沸点化合物，分别采用气相色谱-质谱和液相色谱-质谱进行分析（图 4 所示）。其中 Agilent LC-QTOF MS 系统采集的质谱数据具有质量精度高、同位素分布准确、分辨率高、宽动态范围和重现性高等特点，在高沸点有机物分析中发挥重要作用。

图 4.  Agilent 半导体制程中分析产品线

数据挖掘与统计分析由 MassHunter Profinder 和 Mass Profiler Professional (MPP)软件执行完成。在ProFinder软件中可实现对批量样品进行非靶向的分子特征离子峰提取与整合（MFE），继而通过 MPP 软件内置的 PCA 分析、火山图分析、S-Plot 分析和建模分析等多种统计学分析工具，寻找 “缺陷样品” 和 “合格样品”之间的差异性及导致差异的因素（如图 5 所示）。

图 5. 半导体原材料中差异成分确认

Agilent PCDL 数据库、MSC 软件可协助研究者完成差异有机物的结构推导与确认分析。结构预测分析则由与安捷伦全面合作的 Sirius 软件完成，无需数据转换即可在 Sirius 中进行目标物的结构预测等分析（图 6 所示）。

图 6. 安捷伦未知物分析流程

LCMSMS 分析贯穿于半导体制程

光刻工艺是半导体制程中最为关键一道工艺，经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。贯穿于全过程的原材料除了精细的化学品“光刻胶” 外，还涉及相配套湿电子化学品（清洗试剂、显影液、剥离液等），任何一种化学品或者一道工序都有可能导致晶圆表面沾污。目前该方案已成功应用于半导体先进制程中光刻过程工艺中的原材料（如湿电子化学品、光刻胶、过滤器材、环境和回收试剂等）的质控应用中（图 7）。通过对原材料 “缺陷产品” 和 “合格产品” 的差异分析，寻找杂质及其来源，对于改善工艺、改进原材料配方以及原材料质控起着至关重要的作用。

图 7. 光刻工艺中有机物分析项目

结 语

未来安捷伦科技将提供更加完善的半导体材料分析解决方案，助力于加速半导体先进制程中高端半导体材料的国产化替代，以满足其下游半导体先进制程的需求。