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半導體行業中的 ICP-MS 和 ICP-MS/MS
閱讀：766 發布時間：2023-8-28當今的技術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備中。硅基 IC 器件由數百萬個封裝在硅片芯片上的單個晶體管（或開關）制成。該器件由氧化物、多晶硅、氮化硅絕緣體和導電金屬互連件的圖案層構成。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 結構。
在集成電路制造過程中（如圖 1 所示），需對每個導電或絕緣層進行沉積、掩模和蝕刻。這將留下復雜的特征圖案，線寬小至 10 納米（相當于約 40 個 Si 原子）。增加摻雜區域，沉積或注入特定原子以改變硅的導電率。
目前的“10 納米"幾何結構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。由此產生的對更高純度化學品的需求導致對檢測金屬雜質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下去。
IC 器件制造中的痕量金屬半導體器件制造需要嚴格控制污染源；業內人士估計，污染造成了約 50% 的產量損失。晶圓襯底或制造過程中使用的化學品可能引入金屬污染物。監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譜 (ICP-MS) 測量硅塊中的痕量金屬污染。使用表面分析技術（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品的純度，以免引入污染物。金屬污染物令人關注，因為它們會通過降低介質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測
半導體制造中的 ICP-MS電感耦合等離子體質譜儀當 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，半導體制造商和化學品供應商對其非常感興趣。隨著“冷等離子體"在 HP 4500 儀器上的成功開發，ICP-MS 在半導體領域的應用在 20 世紀 90 年代得到快速發展。冷等離子體使 ICP-MS 測定痕量 Na、K、Ca 和 Fe 成為可能，因此半導體制造商和化學品供應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，一項主要突破是 2012 年推出的 Agilent 8800 串聯四極桿 ICP-MS (ICP-MS/MS)。8800 及其后續產品 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控制。這使得監測更多數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）進行監測。在 SME/VPD 技術中，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）來收集溶解態金屬。然后將液滴從晶圓表面轉移到 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/蝕刻和制程化學品在 IC 制造過程中，晶圓經過許多制程，如圖 1 所示。所用的化學品與晶圓表面接觸，因此對污染的控制至關重要。一些常用化學品的示例如表 1 所示。在控制污染方面，最關鍵的制程化學品包括超純水 (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污染物和顆粒物雜質，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。