摘要

本文討論并演示了痕量污染物分析儀的功能。該分析工具利用電噴霧飛行時間質譜儀對晶圓清洗溶液進行全自動在線監測。該分析儀通過其在正負模式下提供強(元素)和弱(分子)電離的能力，提供了關于金屬、陰離子、陽離子、元素和有機物質的豐富信息。它旨在滿足晶圓制造中日益復雜的新化學工藝的半導體工藝控制和產量管理需求。

介紹

亞微米器件技術對晶片清洗過程中可能存在的化學雜質高度敏感。金屬污染是集成電路器件性能下降的主要原因，包括pn結泄漏增加、柵氧化層擊穿電壓下降和載流子壽命縮短。隨著關鍵器件幾何尺寸持續縮小至0.13 m以下，將濕化學清洗槽中的污染物嚴格控制在ppt(萬億分之一)水平變得越來越必要。

我們宣布了一種新的過程質譜工具，旨在滿足這種測量需求。本文介紹了首次痕量污染物測量結果。

TCA科技

TCA系統與潔凈室完全兼容，在計算機控制下運行，包括樣品提取和制備以及與標準工廠數據系統的接口。飛行時間質譜的基本性質類似于其他質譜儀，因為它利用電場和/或磁場按照質荷比(m/z)分離空間中的帶電物質。飛行時間質譜的平均分辨率為2000米/米，目前配置為以正離子模式(陽離子)在18至230米/秒的質量范圍內工作。TCA系統與潔凈室完全兼容，在計算機控制下運行，包括樣品提取和制備以及與標準工廠數據系統的接口。飛行時間質譜的基本性質類似于其他質譜儀，因為它利用電場和/或磁場按照質荷比(m/z)分離空間中的帶電物質。飛行時間質譜的平均分辨率為2000米/米，目前配置為以正離子模式(陽離子)在18至230米/秒的質量范圍內工作。

金屬污染的TCA測量

圖1顯示了100 ppt水平解決方案的典型頻譜。在該分析中，TCA在正“苛刻”電離模式下運行。由于飛行時間質譜的高質量分辨率，元素峰，如鎳、鋅和銅，可以從相鄰的有機峰中清晰地分辨出來。圖2顯示了三種溶液的平均定量結果(100ppt、50ppt和20 ppt)。存在的元素可以在100 ppt的水平上進行定量，無論它們是多同位素還是單同位素。一些元素也可以在較低濃度下定量，即，。50分和20分。圖2中缺失的數據出現在當前測量條件下無法以足夠精度測量物種的地方。

在這項工作中使用的設施和UPW的質量是我們在較低水平上對許多物種進行成功量化的能力的主要限制。在100 ppt分析中觀察到高背景濃度的鈣。污染源未知，但據信與人類或設施有關。

圖1. 100 ppt NIST可追蹤溶液的質譜，TCA以正“苛刻”電離模式運行

圖2.加入NIST標準“儲備”溶液至20、50和100 ppt的超純水(UPW)的TCA分析。等級。定量預執行同位素稀釋質譜(IDMS)。

在線測量使用TCA的過程化學

圖3顯示了用于處理生產晶片的SC1浴的第一次測量結果。該趨勢圖說明了在幾小時內可以經濟高效地獲得的在線數據量(選擇的元素在SC-1浴中的濃度相對于時間以小時為單位繪制)。在這種情況下，同時對15種元素的一個單一生產SC-1槽進行取樣，趨勢圖中顯示了3種元素。多達五個浴槽的采樣頻率是每個浴槽的五分之一。定量測量的速率約為每小時5個完整的多元素分析結果。這些結果表明，定量測量數據量可以在幾個小時內常規且經濟高效地生成。這些結果也證明了基于實際過程化學的統計有效過程控制決策的潛力。

圖3. 銅、鎳和錳濃度與。SC-1生產槽中的時間(小時)

潛在應用：濕清潔過程中有機物種和元素物種形成的TCA分析

半導體行業正在研究更環保、更具成本效益的清潔化學品。一種方法是使用現有清潔溶液的高度稀釋版本，如改良SC1 (NH4OH:H2O2:H2O)。螯合物添加劑還通過最小化金屬催化的過氧化氫分解來提高SC-1浴的穩定性。商業螯合劑之一，如滴定劑(乙二胺四乙酸，乙二胺四乙酸)通常用于此目的。

例如，使用“軟電離”TCA分析來鑒定SC-1溶液中添加1ppm的表面活性劑CH3(CH2)7SO3Na中存在的分子種類，如圖4所示。表面活性劑C7F15CO2H在BOE(緩沖氧化物蝕刻)和螯合劑EDTA中的質譜分別如圖5和6所示。兩個Cu在圖5中，BOE情況下存在的物種來自一個未知的來源。圖6中的光譜顯示了C或C與各種Fe同位素結合的有機物種，即Fe、Fe和Fe。

盡管金屬污染物分析可能仍然是鍍液化學測量的主要目標，但直接元素形態和物種測量和鑒定提供的信息將有助于更好地理解所涉及的污染機制。本文討論的底線是，關于過程化學還有很多未知的東西，新的清潔方法正在產生額外的復雜性。更好地了解現有的實際機制將有助于設計和成功實施更有效的清潔解決方案。

圖4. SC-1溶液中1 ppm表面活性劑CH3(CH2)7SO3Na的光譜;TCA工作在軟電離和負模式

圖6. 乙二胺四乙酸鐵的光譜，TCA操作在軟電離和負模式

結論

我們已經證明，新的IPMS TCA能力能夠識別和量化濕法清潔工藝解決方案中的陽離子或陰離子形式的金屬和有機物質。在這種情況下，我們將這一能力應用于UPW和標準BOE、SC-1和DHF半導體工藝解決方案。我們還在包括表面活性劑和螯合劑的相對較新的稀釋SC-1化學物質的分析物中顯示了有機和物種測量能力。痕量污染物分析儀(TCA)的功能包括無需操作員協助的自動化在線操作。該工具提供實時過程化學測量，并具有提供元素和分子種類信息的能力。

預計這種新的高容量成本效益測量能力將首次提供統計上有效的過程化學表征和產量關聯。該工具產生實時統計上有效的過程信息，從而避免偏移并采取必要的糾正措施。可以根據實際的工藝化學和污染水平以及對意外設備預防性維護的需求來確定槽的更新或更換要求。總體而言，這些能力將實現更好和更具成本效益的半導體工藝控制和產量管理。

審核編輯：湯梓紅