半导体行业中的 ICP-MS 和 ICP-MS/MS

当今的技术世界高度依赖集成电路 (IC)，其广泛存在于从制造机器人到智能灯泡、从电话到汽车和航空航天的各种设备中。硅基 IC 器件由数百万个封装在硅片芯片上的单个晶体管（或开关）制成。该器件由氧化物、多晶硅、氮化硅绝缘体和导电金属互连件的图案层构成。这些层通过“通孔”连接以形成提供所需计算或存储功能的 3D 结构。

在集成电路制造过程中（如图 1 所示），需对每个导电或绝缘层进行沉积、掩模和蚀刻。这将留下复杂的特征图案，线宽小至 10 纳米（相当于约 40 个 Si 原子）。增加掺杂区域，沉积或注入特定原子以改变硅的导电率。

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目前的“10 纳米”几何结构所包含的特征大小仅为 20 世纪 70 年代所制造电路的 1/1000 左右。这种尺寸的减小和密度的增加需要同时改进对污染的控制。由此产生的对更高纯度化学品的需求导致对检测金属杂质的分析仪器的性能提出了更高的要求，这一趋势很可能会持续下去。

IC 器件制造中的痕量金属半导体器件制造需要严格控制污染源；业内人士估计，污染造成了约 50% 的产量损失。晶圆衬底或制造过程中使用的化学品可能引入金属污染物。监测并控制痕量元素污染始于高纯度晶圆衬底。衬底通常为硅，但也可使用其他材料，如碳化硅、氮化硅和砷化镓。高纯度电子级硅的纯度必须介于 9N 和 11N（99.9999999% 至 99.999999999%）之间。就污染而言，9N 纯度是指固体 Si 中全部杂质元素的最大浓度为十亿分之一 (ppb)。将 Si 溶于氢氟酸中之后，可利用电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS) 测量硅块中的痕量金属污染。使用表面分析技术（如气相分解）测量切割晶圆中的痕量金属，其中将金属从 Si 衬底中提取到液滴中，然后利用 ICP-MS 进行分析。除高纯度晶圆衬底以外，必须控制晶圆制造过程中使用的化学品的纯度，以免引入污染物。金属污染物令人关注，因为它们会通过降低介质击穿电压等原因而影响成品器件的电气性能。除溶解于制程化学品中的污染物以外，在整个制造过程中还对不溶性纳米颗粒进行监测

半导体制造中的 ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪当 ICP-MS 在 20 世纪 80 年代问世时，因其高灵敏度、低检测限和多元素检测能力，半导体制造商和化学品供应商对其非常感兴趣。随着“冷等离子体”在 HP 4500 仪器上的成功开发，ICP-MS 在半导体领域的应用在 20 世纪 90 年代得到快速发展。冷等离子体使 ICP-MS 测定痕量 Na、K、Ca 和 Fe 成为可能，因此半导体制造商和化学品供应商不再需要使用石墨炉 AAS 测量这些元素ICP-MS 制造商不断改进技术，一项主要突破是 2012 年推出的 Agilent 8800 串联四极杆 ICP-MS (ICP-MS/MS)。8800 及其后续产品 Agilent 8900 ICP-MS/MS 比单四极杆 ICP-MS 提供了更高的灵敏度、更低的背景和更出色的干扰物质控制。这使得监测更多数量的低浓度污染物元素成为可能，包括 Si、P、S 和 Cl 等之前难以分析的元素。

硅及其他材料硅片衬底及相关层和涂层中的金属污染可使用表面金属提取 (SME)（也称为气相分解 VPD）进行监测。在 SME/VPD 技术中，使用 HF 蒸气溶解晶圆表层（裸 Si 或天然/热氧化 SiO2）。通过在整个晶圆表面上“扫掠”一滴回收溶液（通常为HF 和 H2O2，但是有时采用 HCl/H2O2 等替代溶液）来收集溶解态金属。然后将液滴从晶圆表面转移到 ICP-MS 中进行分析。用于芯片制造的其他材料适合通过 ICP-MS 进行分析，包括三甲基镓 (TMG)、三甲基铝 (TMA)、二甲基锌 (DMZ)、四乙氧基硅烷 (TEOS) 和三氯硅烷 (TCS) 等金属有机化合物。此类化合物是用于在金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 和原子层沉积中薄金属膜或外延晶体层生长的前体。Al、Cu、Ti、Co、Ni、Ta、W 和 Hf 等纯金属用作物理气相沉积 (PVD) 的溅射靶，以在晶圆表面上形成薄金属膜。高 k 值电介质材料包括 Zr、Hf、Sr、Ta 和稀土元素 (REE) 的氯化物及氧化物。这些材料的可接受污染物浓度各有限制，需要使用 ICP-MS 进行分析。

清洁/蚀刻和制程化学品在 IC 制造过程中，晶圆经过许多制程，如图 1 所示。所用的化学品与晶圆表面接触，因此对污染的控制至关重要。一些常用化学品的示例如表 1 所示。在控制污染方面，最关键的制程化学品包括超纯水 (UPW) 和 RCA 标准清洗 (SC) 溶液 SC-1 和 SC-2。RCA 清洗步骤除去晶圆表面的化学污染物和颗粒物杂质，而不损伤芯片。SC-1（溶于去离子水 (DIW) 中的 NH4OH 和 H2O2）用于除去晶圆表面的有机残留物、膜和颗粒。然后用 SC-2（溶于 DIW 中的 HCl 和 H2O2）除去离子型污染物。