半导体AMC污染物如何快速精准检测？
发布时间：
2022-02-19 04:15
来源：
TOFWERK中国-南京拓服工坊
| 领域： |
电子/电器/半导体 |
| 样品： | 半导体AMC污染物如何快速精准检测？ | 项目： | 半导体AMC污染物如何快速精准检测？ |
| 参考： | 半导体AMC污染物如何快速精准检测？ |
“ 我们将简短回顾AMC类别，AMC对洁净室环境和晶圆可能造成的负面影响，以及Vocus CI-TOF质谱仪在多个半导体应用场景下对多种AMC的监测案例”
背景介绍
越来越精密的半导体制程工艺和同步的高良率目标，不仅仅对晶圆加工设备和运行参数需要精益求精，对洁净室中可能存在的气态分子污染物（AMC）的监测和管控需求也越来越高。随着半导体制程趋近于摩尔极限：纳米（nm）级别的蚀刻尺寸和更高密度的晶体管密度，洁净室内空气中的各种‘杂’分子如果沉积到晶圆表面，都可能会影响到工艺效果。同时由于现代工艺的复杂性和众多步骤，这些影响都会不断传递并放大，最终体现在晶圆良率上。换个角度来说，AMC污染物的检测技术手段也需要跟上不断进步、追求极限的半导体制程工艺的步伐。根据文献报道和相关研究，为最大程度减少AMC对工艺良率的影响，洁净室内的重点AMC浓度需要控制在万亿分之一（pptV）的级别。在达到高灵敏度的同时，快速响应也是一个重要指标，从而提高样品测量通量，并在AMC浓度异常时尽早发出警报，从而避免或者减少对工艺和晶圆良率的负面影响。半导体生产车间内的AMC的来源分为外部和内部源。外部主要来自于供应给洁净室内部的空气净化和过滤系统。内部则可能来自于多个源头，包括工艺残余、FOUP污染、清洁溶剂使用、工作人员相关、洁净室内材料逸出等[1]。晶圆在洁净室内需要经历上百个制程，多个工艺设备以及时长不等的储存，这也意味在某个环节对某批次晶圆的污染也会不可避免的波及到下游工艺相关环节以及后续批次的晶圆。半导体业界对部分AMC的来源以及它们可能对晶圆产生的影响有大致了解和认知，但对其它AMC的存在和可能影响还是一知半解。现在市面上能够实时检测并出数，并能高灵敏度覆盖大部分目标AMCs的检测手段在半导体产业还没有常规使用或者缺失。Vocus CI-TOF质谱仪，借助于多年在大气监测科研领域的硬件开发和经验积累，在半导体洁净室这一方‘微环境’内的应用能全面胜任。本文中，我们将简短回顾AMC类别，AMC对洁净室环境和晶圆可能造成的负面影响，以及Vocus CI-TOF质谱仪在多个半导体应用场景下对不同AMC的监测案例。
气态分子污染物（AMC）
图1.基于国际半导体设备和系统线路图，不同制程节点要求下洁净室内AMC上限浓度一览。
气态分子污染物（Airborne molecular contaminant，AMC），是对半导体制程良率可能产生负面影响的气态污染物的统称。2007年发布的ITRS国际半导体技术发展蓝图对AMC的基本种类进行了定义：酸类（MA）、碱类（MB）、可凝结物质（MC）和掺杂物质（MD）。十年后，蓝图的继任IRDS设备和系统线路图中，业界开始认识到需要关注的AMC物种远远不止上述种类。随着制程工艺节点越来越小，工艺复杂度和步骤不断增加的大前提下，洁净室内的AMC数目和类别也会持续增加。
现行的AMC检测方法普遍受到仪器数据输出频率低或者物种覆盖范围较小的限制。例如常见的在线色谱质谱联用通常每30分钟才能出一组数据，而且耗材和维护人力成本较高。另一类常见的在线分析方式是光谱法，比如以光腔衰荡光谱（CRDS）为代表的激光吸收光谱技术。因激光光源限制，一台CRDS设备一般只能检测一种或者几种化合物，同时数据时间分辨率是分钟级别。这也是IRDS路线图中对各种类的AMC都推荐某几种设备组合的主要原因。
Vocus CI-TOF质谱仪是AMC检测技术的强力补充。只需一台仪器，业主就可以覆盖AMC的几大主要种类，同时获得秒级响应和pptV级别的检测限。搭配的高分辨率TOF飞行时间质谱的全谱记录让Vocus CI-TOF具有数据回溯分析的功能，这在半导体需管控AMC种类不断扩充的前提下显得尤其重要。上述这些优点也使得Vocus CI-TOF质谱仪成为要求苛刻的洁净室AMC检测需求的解决方案首选，从而确保车间内空气质量保持稳定和‘低调’，不成为影响晶圆产率的因素之一。
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图2.Vocus CI-TOF与其他分析技术的参数对比
酸类物质 (MAs)
酸类物质，尤其是无机酸，对晶圆良率的负面影响是半导体从业者的痛点之一。酸会腐蚀晶圆表面的金属线或表面，形成颗粒物沉积到晶圆表面，损坏光刻掩模，以及弱化HEPA滤膜性能。HEPA滤膜材料劣化会导致过滤系统效率降低，也有一定几率会产生含硼化合物和其他影响到半导体工艺和晶圆良率的污染物。痕量酸类物质与晶圆良率的具体关系其实至今还没有系统性的研究，其原因可能在于快速精确检测pptV浓度有机/无机酸的检测设备在半导体行业还没有得到广泛使用。2017年度IRDS设备和系统线路图中列出的分析技术手段对于酸类物质的检测限是100 pptv或更差，而同一份线路图中也明确列出了在半导体工艺达到5 nm或者以下时，洁净室内的无机酸浓度总量建议控制在5 pptV或更低。无机酸检测需求和现有技术手段的落差可以被Vocus CI-TOF质谱仪填平。在之前的《半导体晶圆运输盒AMC污染快速检测》一文中，较好的展示了Vocus CI-TOF针对各种痕量无机酸的检测能力。
碱类物质(MBs)
氨气、有机胺和酰胺等含氮分子在AMC中是相对特殊的存在。这些碱类分子会在空气通过简单的，也是最常见的酸碱成核机理，产生盐类为主的颗粒物，会有很大可能沉降到晶圆表面或者洁净室内各种外表面。更值得注意的是，氨气对铜等金属表面具有很强的吸附性，对金属参与的制程和仪器内外表面都会产生持续时间较长的污染。氨气一直是在AMC的监管清单之中，近年来，业界也不断发现各种有机胺和酰胺物质的存在在洁净室环境内对光刻和蚀刻等工艺施加的不良影响。为了更有效的减少MBs对制程和良率的负面作用，需要对洁净室空气中存在的多种碱类物质进行精确的长期监控，从而系统化理解它们的气态浓度与工艺效率之间的相互影响。
Vocus CI-TOF前期实验结果清楚的显示了碱类物质在FOUP内表面的停留时间要长于酸类物质。换个角度来说，FOUP或者其他设备表面存在碱类物质污染的话，需要冲洗的时间或者清洁技术都可能需要更多的考量。前段提到的酸碱结合生成颗粒物的这一过程，也强调了需要在洁净室内同步观测酸类物质和碱类物质的重要性。Vocus CI-TOF可以秒级检测pptV痕量酸和碱分子的能力使其成为洁净室空气、FOUP和车间供气内MA和MBs测量的优选之一。
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