硅片中金屬污染物的自動(dòng)化分析

氣相分解清潔、蝕刻氧化物生長(zhǎng)和離子注入過(guò)程可能會(huì)在半導(dǎo)體器件中引入金屬污染。痕量污染物也可能來(lái)自用于生產(chǎn)塊狀多晶硅的石英巖（砂）以及切割晶圓的純單晶硅錠。石英巖中的主要污染元素是鐵、鋁、鈣和鈦，而在將石英巖轉(zhuǎn)化為 98% 純硅的碳熱還原過(guò)程中可能引入其他元素。然后利用氣相純化和化學(xué)氣相沉積去除大部分雜質(zhì)，得到純度約為 8 個(gè) 9 的二氧化硅。切割和拋光晶圓也可能引入痕量元素，例如來(lái)自化學(xué)機(jī)械平坦化（或拋光）漿液。受關(guān)注的元素是過(guò)渡金屬和堿性元素，但是它們未必均勻分布在晶圓中。鐵可能通過(guò)硅塊襯底擴(kuò)散到表面氧化層中，而鈦雜質(zhì)水平可能因單晶 Si 錠熔化和冷卻過(guò)程中的偏析而變化。為確保金屬污染物不會(huì)對(duì) IC 器件產(chǎn)生不利影響，必須對(duì)晶圓表面中痕量金屬的濃度進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)暴露于大氣中的氧氣和水時(shí)，晶圓表面上的裸硅層迅速氧化為SiO2。該自然氧化層的厚度約為 0.25 nm（一個(gè) SiO2 分子）。如果 IC 設(shè)計(jì)需要絕緣膜，則在 O2 或水蒸氣存在下將晶圓加熱到 900–1200 °C，從而在晶圓表面上形成更厚的氧化層。該熱氧化層的厚度可達(dá) 100 nm (0.1 µm)。對(duì)于天然和熱氧化的SiO2，可使用氣相分解 (VPD) 與 ICP-MS 相結(jié)合來(lái)測(cè)量氧化物層中極低濃度的痕量金屬。

安捷倫 ICP-MS 和 ICP-MS/MS 儀器可兼容所有主流的 VPD 系統(tǒng)，包括：– 日本 IAS Inc.– 德國(guó) PVA TePla AG– 韓國(guó) NvisANA Co. Ltd– 日本 NAS GIKEN

將 ICP-MS 與氣相分解相結(jié)合VPD-ICP-MS 是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的測(cè)量硅片中痕量金屬污染的方法。VPD 晶圓采樣方法具有良好的靈敏度，因?yàn)樗蓪⒕A較大表面區(qū)域氧化層中的金屬濃縮至單個(gè)液滴進(jìn)行測(cè)量。該過(guò)程（可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化）包括四個(gè)步驟：1. 將硅片置于 VPD 室中，并暴露于 HF 蒸氣中以溶解自然氧化物或熱氧化的 SiO2表面層2. 將提取液滴（通常為 250 μL 的 2% HF/2% H2O2）置于晶圓上，然后以精心控制的方式傾斜，使得液滴在晶圓表面上“掃掠”3. 隨著提取液滴在晶圓表面上移動(dòng)，它會(huì)收集溶解態(tài) SiO2 與所有污染物金屬4. 將提取液滴從晶圓表面上轉(zhuǎn)移至 ICP-MS 或 ICP-MS/MS 系統(tǒng)中進(jìn)行分析

ICP-MS 或 ICP-MS/MS 與 VPD 聯(lián)用的優(yōu)勢(shì)可手動(dòng)執(zhí)行 VPD，但是經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員才能從 SiO2 層中獲得一致的溶解態(tài)金屬回收率。VPD 還可以與各種元素分析技術(shù)聯(lián)用，以定量分析金屬污染。但是，使用 ICP-MS 或 ICP-MS/MS 能夠?yàn)樗斜匦璧姆治鑫锾峁└哽`敏度和低檢測(cè)限優(yōu)勢(shì)，同時(shí)自動(dòng)化 VPD 過(guò)程可確保一致性并降低污染的可能性。Agilent 7900 和 8900 ICP-MS 儀器均可與 VPD 系統(tǒng)集成，對(duì)硅片中的金屬雜質(zhì)進(jìn)行全自動(dòng)化分析。兩種系統(tǒng)均可提供分析熱氧化 SiO2 所需的良好的基質(zhì)耐受性，其中提取液滴中的 SiO2 基質(zhì)濃度可高達(dá) 5000 ppm（取決于氧化物層的厚度）。8900 還具有 MS/MS 操作的優(yōu)勢(shì)，相比任何 ICP-MS，其能提供有效的干擾去除，實(shí)現(xiàn)更低的檢測(cè)限和更高的準(zhǔn)確度。