半導體先進材料超痕量不純物及奈米粒子分析技術：材料世界網

蘇秋琿、陳春華 / 工研院材化所；許家晴 / 台灣安捷倫科技股份有限公司

近年來，隨著半導體製程微縮至3 nm以下，製程中之原物料、化學品及純水中的元素雜質及金屬奈米顆粒，需要進行更謹慎的汙染控制。尤其是奈米粒子的量測，當粒徑縮小一半的尺寸時，粒子質量僅有原來質量的1/8。因此，在分析時，儀器需要更高的感度和更低的背景，才能達成電子級特用化學品的超痕量金屬不純物及奈米粒子量測，俾找出影響製程的關鍵因子以釐清失效原因，改善產品良率與品質。

【內文精選】

前言

由美國半導體行業協會(SIA)所發布的訊息指出，2021年8月全球半導體行業銷售額為472億美元，比2020年8月的銷售額364億美元成長29.7%，如圖一。同時半導體貿易統計協會(World Semiconductor Trade Statistics; WSTS)也指出，全球半導體市場並未受到2021年COVID-19大流行的負面影響，預測2021年全球半導體市場增長率將從2020年的6.8%上升到2021年的25.6%，相當於5,530億美元的市場規模，這將是自2010年增長31.8%後，11年來最大的幅度成長；此外，也預測2022年將會繼續增長8.8%。

在半導體市場一片長紅中，卻因為晶片短缺迫使多家汽車製造商停產，凸顯台灣在全球晶圓代工的主導地位。全球晶圓代工龍頭台積電超過50%的高市占率，在先進製程5~10奈米技術更是主導近90%的營收，也因為台積電在10奈米以下先進製程高階晶片保持絕對的領先，才能維持在晶片市場的地位。

由於原物料的品質控管對後端的製程及產品有極大的影響，除了原料制式的規格入料檢驗之外，藉由失效分析鏈結原料與製程的關聯是近年來常見的做法。隨著半導體製程技術的演進，當進入10奈米以下的先進製程，針對原物料不純物偵測極限的需求也到達ppt等級；而進入到3奈米製程後只監測原物料不純物的離子濃度已無法滿足製程需求，唯有搭配奈米粒子的檢測技術才能找出影響良率的關鍵因子。

近年來，工研院材料與化工研究所整合化性分析與應用研究室針對半導體產業常用的特化品及原物料，建立超痕量不純物及奈米粒子分析技術，藉由高階化性分析技術檢控原物料的品質，並釐清失效之原因，同時也建立相對應的快篩技術，協助廠商提升良率，增加產值。

先進材料超痕量分析技術

隨著半導體製程的精進，高階晶片的量產技術由5奈米跨入3奈米製程，相較於1971年的第一款微處理器，其最小線寬為10微米，已縮小了2,000倍，這也意味著製程中對汙染的容許度將更為嚴苛。為保持先進製程的高生產良率，不論是環境還是原物料都必須確保純淨無汙染。以IC的製程工藝而言，當線寬在微米等級，所對應的電子化學品中無機不純物的元素總量須控制在ppm等級；而當IC製程的線寬進入到奈米等級，對於電子化學品的要求也都要達到「高純」的境界，不純物的元素總量須控制在ppt等級。由此所衍生的針對原物料金屬雜質分析需求，也從痕量進入到超痕量分析等級，分析實驗室要挑戰ppt的偵測極限，除了選對分析儀器外，對於環境、器皿、水質及化學品也都要控制，這樣才可避免實驗過程中的汙染，降低外在環境的干擾，以達到超痕量分析的需求。

spICP-MS分析技術之建立及應用

根據國際半導體設備和材料標準(SEMI)提及，化學物質中的金屬濃度，其粒徑和顆粒數應小於一定濃度，才能確保製造的良率。因此，對於半導體製造的超純水及化學試劑的汙染物檢測要求將更為嚴苛，不僅需要偵測金屬的濃度，也需要了解奈米汙染物之顆粒尺寸、濃度以及元素組成，才能確保製程良率，同時也可降低生產成本。在金屬離子偵測極限的挑戰除了須具備高靈敏度的儀器，更重要的是環境的控制，要達到ppt等級的偵測極限，至少需具備潔淨室的環境，同時水質中環境元素的濃度須控制在ppt，使用超純級的試劑和鐵氟龍器皿，並且建立正確的容器清洗流程，避免環境干擾才能有效降低分析背景值、測定更低濃度的不純物。

圖四、spICP-MS分析流程

在微量奈米粒子分析技術的建立過程中，上述環境條件的要求也是基本門檻。材化所研究團隊所建立的電子級化學品規格驗證平台，除了針對半導體製程中原物料建立超痕量不純物分析技術提供第三方驗證外，近年來也建立特化品中微量奈米粒子分析技術，藉由測試以不同奈米粒子標準品為參考物質進行粒徑分布及粒子濃度的探討---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。