半導體工業


半導體工業

半導體係指一種導電性可受控制,範圍可從絕緣體至導體之間的材料。無論從科技或是經濟發展的角度來看,半導體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產品,如電腦、行動電話或是數位錄放音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關連。以下我們就針對各種不同分析技術應用於半導體分析領域當中一一探討。

層析技術於半導體產業之應用


GC
半導體產業對於製程所使用的溶劑純度十分重視,所以可以使用氣相層析儀搭配針對半導體產業製程中所使用的溶劑及試劑的純度進行測試。

GCMS
ITRS中規範空氣中Airborne Molecular contaminants的含量規範需小於3500(以C16半定量),另外對於晶圓表面的有機化合物的量則規範需少於2ng/cm2。這些測試主要都是用GC/MS做為分析機台。GCMS因為具有強大的未知物鑑定功能,除了針對液體樣品等成份做分析外,搭配ATD熱脫附儀則,將空氣中的AMC成份定性定量,或是再搭配WOS來分析晶圓表面的Outgassing和材料成份的Outgassing。

ATD
半導體的良率與製程環境的空氣品質及晶圓產品表面的有機化合物濃度有絕對關係,所以必需嚴格管控。而製程環境數據回報的即時性也是半導體製程所要求的,所以在採樣及數據處理上都必需以最快的速度處理。搭配ATD的線上採樣裝置及數據處理警示系統,能直接抽取製程環的氣體並立即分析。除了線上分析外,也可以使用吸附管採樣分析,除了分析無塵室的空氣品質外,也可以評估濾網的效率和氣體的純度。

半導體另一個分析項目為”材料外氣釋放”(Material Outgassing)。材料如果釋放出太多的有機成份,會污染晶圓。包括光罩、手套、晶舟……等可能會接觸到晶圓的材料,都必需先以ATD測試其Outgassing的量。以合乎ITRS對Outgassing的要求。 ATD熱脫附儀為一個能針對固態及氣態樣品揮發/半揮發性有機物的進樣系統,樣品經採集後,ATD會將濃縮採集的樣品再聚焦送到GC或GCMS的分析,得到數據。而Turbomatrix ATD則因為具有電子冷卻阱的設計,能在不加液氮或任何冷卻劑的狀況下降溫至-30oC,而且因為具市面上最低之無效體積設計和管路最高的保溫效果,所以是半導體公司在製程及品管上之最佳工具。

HS
半導體的良率與製程環境的空氣品質及晶圓產品表面的有機化合物濃度有絕對關係,所以必需嚴格管控。而製程環境數據回報的即時性也是半導體製程所要求的,所以在採樣及數據處理上都必需以最快的速度處理。搭配ATD的線上採樣裝置及數據處理警示系統,能直接抽取製程環的氣體並立即分析。除了線上分析外,也可以使用吸附管採樣分析,除了分析無塵室的空氣品質外,也可以評估濾網的效率和氣體的純度。



WOS
ITRS規範中要求在晶圓表面中的有機成份必需小2ng/cm2,為了防止晶圓的背面會造成交叉污染,必需使用單面取樣機台來取得晶圓單面的有機成份。WOS是Wafer Outgassing Sampling System,為晶圓表面有機化合物的取樣系統,可置入8~12吋的晶圓。晶圓在WOS高溫加熱環境下將所吸附的成份釋出,然後被熱脫附儀的Tenax TA吸附管收集,再將吸附管以ATD-GCMS分析,以正十交烷半定量,即可換算得到分析結果。

熱裂解儀
半導體中所使用的化學品眾多,許多成份因結構太大(如光阻劑)是不適合直接進樣至GC/MS分析的,此時就需要使用熱裂解儀Py-GCMS來做分析。熱裂解儀是一種樣品前處理機台,後面必需接GC或GC/MS。其工作原理即利用熱能將材料中的組成一層一層的分開進樣,所以可以將樣品中使用的溶劑、添加劑、共聚合物甚至比例都解析開,可以提供給使用者在研發上更多更完整的資訊。 Pyroprobe 5000 Series是市場上升溫速度最快、可達溫度最高、分析段數最多的熱裂解儀,具有不佔GC注射口可快速切換的特性,可帶給使用者最多的便利。

無機儀器於半導體分析之應用領域分析


機儀器應用於在半導體產業應用主要目的是,分析半導體製程中所需化學品的不純物的控管程度,及wafer 表面氣相蝕液中超微量的不純物。這些超微量不純物包含鹼金族、鹼土族及過渡金屬元素,主要是因為這些不純物會造成電壓故障或是高dark電流的問題。 PerkinElmer提供ICPMS ELAN DRCII 感應藕合電漿質譜儀主要是分析廣泛半導體中相關化學品中金屬的不純物達到ppt的程度,目前本公司針對各種化學品已有標準分析方法提供客戶,儘速符合分析需求。



表一 所列為ELAN DRCII 在熱電漿下分析所列的元素及化學品

半導體應用市場,石墨爐式AAS在此方面也有廣大的使用者。PerkinElmer設計的側向式石墨管設計及平行式Zeeman 設計背景較正系統在處理半導體的化學品及VPD樣品分析,有效解決分析問題。 在分析樣品上若無很低偵測極限的要求,又須要快速的分析結果,可利用Optima ICP-OES分析。:



表二 所列為ELAN DRCII 在熱電漿下分析H3PO4的參數設定

SEMI 安全標準,ELAN DRCII 擁有SEMI 認證之S2及S8規章

表面分析儀器於半導體分析之應用領域分析


三五族半導體(As、B、P)具有高頻、低雜音、高效率以及低耗電等特性,可以應用在光纖通訊、無線通訊、衛星通訊等商業用途。為目前台灣半導體業投資最多的產品之一。其As、B、P植入矽晶片的深度、濃度皆會影響電性大小。由於As、B、P植入的濃度皆很低(通常是ppba),一般表面分析儀器靈敏度不夠無法偵測出其縱深的分布。只有動態二次離子質譜儀(D-SIMS)所提供的靈敏度才夠分析。下圖為一矽晶片上植入P、As、B三個元素,其偵測的再現性非常良好(皆低於2%以下)



閘極氧化層(gate oxide)主要是阻隔硼離子的擴散而造成穿隧電流。但隨著元件的縮小化及降低功率的消耗下,超薄氮化閘極氧化層(1~4nm)已成為目前的主流。左圖為x光光電子能譜儀(XPS或ESCA)偵測4nm深度的氮化閘極氧化層的縱深分布圖。XPS的定量能力能分辦出不同製程中閘極的厚度及濃度差異。
半導体的基材如矽晶圓(silicon wafer),常有金屬污染物如Cu或Cl會附著在上,造成電性改變,而導致後段製程的失敗。飛行時間式二次離子質譜儀(ToF-SIMS)具有超高的質量解析度(m/△m >10000)和高的偵測極限(ppm),可直接檢測晶圓潔淨度。



飛行時間式二次離子質譜儀(ToF-SIMS)具有分析有機物的能力。一般矽晶圓若受到保存盒(如水晶盒)中揮發性有機物高分子的污染的話,ToF-SIMS可以偵測並得知可能的有機物種類。

次微米甚至是奈米尺度的金屬導線,在蝕刻過程中,常有來自蝕刻腔(etch chamber)的污染。下圖中,金屬導線的電子影像圖顯示出其遭受外物附著。經由歐傑電子能譜儀(Auger)偵測下,可得知附著物的化學元素組成。並經由元素影像得知其分布的情況,可幫助我們分辨污染的嚴重性。



對於奈米粒子而言,一般的表面分析儀器無法同時看到並知道其元素的組成。唯有歐傑電子能譜儀(Auger)可以具有二次電子顯微術(SEM)的影像能力(~nm)和元素分析的能力。下圖為一50nm的金屬氧化物奈米粒子,可看到其組成含有Al,推測為鋁的氧化物。

FIB(focus ion beam)切割過的樣品,通常需要傾斜樣品,才能看到橫切面的元素分布。然而橫切面是處在一個凹洞中,會有陰影效應的存在。Ulvac-PHI的專利設計,使元素影像和電子影像不會產生陰影。如下圖所示,凹洞中的橫切面,所有的元素皆可展示出來而無陰影。而W/SiO2/Si層狀結構可被清楚看出,且次微米的SiO2粒子污染了W線的表面。