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半導体ウェハー加工環境および品質管理の化学分析
ウェハー加工時の物質誘発型歩留まり損失を低減
ルーチンウェハーコンプライアンスの日常の課題に応えるための工程段階およびウェハー環境の管理には、分析装置を含めさまざまな特性評価技術を用いることが求められます。ここでは、当社のクロマトグラフィーと分光分析ソリューションを半導体製造全体の環境管理に使用して、最高の歩留まりを達成する方法について学びます。
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環境誘発型ウェハー汚染
ウェハー製造環境のモニタリングには、生産率に悪影響を及ぼすおそれのある、シリコンウェハーが曝されるすべての媒介物の管理と分析が含まれます。このような媒介物として、以下のものが挙げられます。
- 集積回路の加工全体でリンス剤として使用される脱イオン化（DI）水
- ウェハー表面の洗浄またはウェハー表面上の物質のエッチングに使用される化学試薬、酸、塩基、溶媒
- イオン注入および堆積工程段階で使用される不活性ガスおよび反応ガス
- 製造工程全体のクリーンルームおよびミニエンバイロメントの空気
環境誘発型ウェハー汚染を低減するには、このような気体および液体の媒介物を粒子、不純物、さらに有機体、微量金属、酸、塩基などを含む特定の汚染物質について分析する必要があります。媒介物の相（気相、液相、固相）および管理対象の汚染物質の性質に応じてさまざまなクロマトグラフィーや分光分析を用いる必要があります。表 1 には多くの分析法を列挙しています。表 2 には半導体汚染物質の分析法の概要を示しています。
表 1.半導体汚染物質の分析法例
| クロマトグラフィー | |
|---|---|
| 液体クロマトグラフィー（LC） | ガスクロマトグラフィー（GC） |
| イオンクロマトグラフィー（IC） | 燃焼イオンクロマトグラフィー（CIC） |
| 分光分析 | |
| 質量分析（MS） | 誘導結合プラズマ-質量分析（ICP-MS） |
| ガスクロマトグラフィー質量分析（GC-MS） | 気相蒸着誘導結合プラズマ質量分析（VPD-ICP-MS） |
| 昇温脱離ガスクロマトグラフィー質量分析（TD-GC-MS） | 誘導結合プラズマ発光分光分析（ICP-OES） |
表 2：半導体装置製造：代表的な汚染物質および CR エア、UPW、ガス、化学薬品の必須制御レベル、最適な分析方法の概要
| 工程汚染物質分析の種類 | 分析方法 | 解析要求 | 標準性能 |
|---|---|---|---|
| ウェハー／基材 | VPD-ICP-MS、IC、CIC | 元素およびイオン検出感度、強力な干渉除去、再現性、マトリックス堅牢性 | 前者は ng/L、後者は ug/L |
| クリーンルームの空気 | GC、IC | VOC、SVOC、金属、陰イオン | ug/L |
| 超純水 | ICP-MS、IC | 元素およびイオン検出感度、再現性 | 前者は ng/L、後者は ug/L |
| 化学薬品／試薬 | ICP-MS、IC | 元素およびイオン検出感度、強力な干渉除去、再現性、マトリックス堅牢性 | 前者は ng/L、後者は ug/L |
| ガス | TD-GCMS、API-MS | N2、Ar、He、H2、VOC、SVOC、金属 | < 10 ppt（API-MS） |
| ピコグラム- ナノグラム単位の炭化水素（C8-C23） |
ICP-MS を用いたプロセスケミカルおよび試薬に含まれる超微量金属の分析
Thermo Scientific iCAP RQ ICP-MS performance for ultratrace analysis of 9.8% H2SO4
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品質管理試験にはプロセスケミカルの受入分析が含まれます。性能低下または不具合による製造損失を最小限に抑えるには、プロセスケミカルの超微量金属含有量が 10 ng/L 以下のレベルであることが必要です。フッ化水素酸、硝酸、さらにイソプロパノール、アンモニアなどの反応性の高いマトリックスにおける微量元素の直接検出は容易ではありません。
多くの元素では、ホットプラズマ（HP）を用いたシングルモードのヘリウム運動エネルギー弁別（KED）を使用すれば十分にバックグラウンドおよびマトリックス由来スペクトル干渉を抑制できるため、特定の濃度で信頼性の高い測定が可能になります。しかし、一部の元素、特に第 1 族元素および第 2 族元素の金属と一部の遷移金属には、ホットプラズマよりもコールドプラズマ（CP）を用いた分析のほうが適しています。コールドプラズマはアルゴン由来の干渉と微量元素のバックグラウンドを大幅に低減しながら、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの一般的元素に対する高い検出感度を保ちます。
ただし、コールドプラズマはすべての元素の分析に推奨されるものではありません（たとえば、ゲルマニウムなどの高イオン化電位元素に対しては感度が下がります）。そのため、ルーチン分析にはホットプラズマとコールドプラズマ対応の組み合わせを使用する必要があります。当社の四重極（Q）ICP-MS システムは高い生産性を提供し、信頼性の高いホット／コールドプラズマ対応と迅速なモード切替を 1 回の分析で実現します。
Thermo Scientific ICP-MS 製品ラインに新たに加わったトリプル四重極（TQ）ICP-MS は、シリカマトリックスや硫酸など難易度の高いマトリックスにおいて干渉除去を高めるよう設計されています。トリプル四重極とコールドプラズマ対応の強力な組み合わせにより、プロセスケミカルやウェハー表面の超微量検体の定量を ppt 以下の濃度で実現し、ウェハー製造において元素不純物の安定した管理が可能になります。
| 装置タイプ | ターゲットアプリケーション | 装置モデル | プロセスモニタリング | QA／QC | 研究開発 |
|---|---|---|---|---|---|
| HR-ICP-MS | UHPC、UPW、VPD |  ELEMENT 2 HR-ICP-MS |  |  |  |
| TQ-ICP-MS | UHPC、UPW、VPD |  iCAP TQs ICP-MS | |  | |
| SQ-ICP-MS | UHPC、UPW、VPD |  iCAP RQplus ICP-MS | | | |
| = 25％適用 | = 50％適用 | = 75％適用 | = 100％適用 |
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詳細情報
半導体産業の IC 分析に関する論文や手法については以下を参照してください。
| 装置タイプ | ターゲットアプリケーション | 装置モデル | プロセスモニタリング | QA／QC | 研究開発 |
|---|---|---|---|---|---|
| イオンクロマトグラフィー統合システム | ウェハー／基材、クリーンルームの空気、UPW、UHPC |  Dionex Integrion HPIC システム | | | |
| イオンクロマトグラフィーモジュラーシステム | ウェハー／基材、クリーンルームの空気、UPW、UHPC |  Dionex ICS-6000 HPIC システム | | | |
| = 25％適用 | = 50％適用 | = 75％適用 | = 100％適用 |
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