반도체 포커스
3부: 복잡한 재료 및 매트릭스

반도체 포커스 시리즈의 이전 두 편에서는 수용성 및 유기 공정 화학물질과 시약에 대한 ICP-QQQ 성능 데이터를 제시했습니다. 이번 편에서는 기판 및 포토레지스트와 같은 핵심 소재를 중심으로 IC 제조 공정 전반에 걸쳐 수행되는 다른 중요한 분석에 초점을 맞춥니다.

실리콘 웨이퍼

미량 원소 오염 관리는 웨이퍼 기판에서 시작됩니다. 전자 등급 실리콘은 일반적으로 9-11 Nine(99.999999%-99.999999999%)의 순도를 요구합니다. 200mm 웨이퍼 표면에 불과 몇 피코그램(pg)의 금속 불순물만 있어도 소자 결함으로 이어질 수 있기 때문입니다.¹ 칩 제조 기술이 발전함에 따라 고밀도 아키텍처를 지원하기 위해 기판의 엄격한 품질 관리가 요구됩니다. ICP-MS 또는 ICP-QQQ는 벌크 실리콘(Si) 분석과 기체상 분해(VPD)를 이용한 표면 원소 추출에 모두 사용할 수 있습니다.

고농도 Si 매트릭스 시료에 대한 이 연구에서는 Agilent 8900 ICP-QQQ를 사용하여 반도체 산업에서 일반적으로 분석되는 매트릭스 수준에서 준비된 두 개의 Si 시료를 분석했습니다. 1시간 분석 실행 동안 Si 매트릭스 시료에서 50ppt 스파이크를 측정한 결과 뛰어난 정밀도를 얻었으며, 이는 이 분석법의 효과, 견고성 및 감도를 잘 보여줍니다.²

IAS Inc.의 전문가들과 협력하여 진행된 별도의 연구에서는 8900 ICP-QQQ를 VPD를 통해 Si 웨이퍼 기판과 관련 층 및 코팅에서 수집된 오염물질을 모니터링하는 자동화 시스템의 일부로 사용했습니다(그림 1). 이 시스템은 반도체 공장의 컴퓨터 통합 제조 시스템에 통합되어 실리콘 웨이퍼의 연속적인 무인 작동과 오염 제어를 가능하게 합니다.

VPD 기법에서는 표면층(베어 Si 또는 자연 산화 또는 열 산화된 SiO₂)을 불산(HF) 증기를 사용하여 용해합니다. 잔류 금속 이온 오염물질은 웨이퍼 표면에 스캐닝되는 HF와 H₂O₂ 수용액 액적에 포집됩니다. 그런 다음 ICP-MS 또는 ICP-QQQ를 사용하여 이 용액을 분석합니다. 표면에 존재하는 H₂SiF₆도 스캐닝 액적에 포집되므로 용액에는 수 ppm의 Si가 포함됩니다. 이로 인해 ³¹P에서 ³⁰SiH, ⁶³Cu에서 ²⁸Si¹⁶O¹⁹F와 같은 Si 기반 다원자 이온이 형성되어 일부 원소의 극미량 분석이 어려워집니다.

자동화 시스템을 사용하여 모든 원소에 대해 3.0 E+07 atoms/cm2(<1pg/mL) 미만의 검출 한계를 달성했으며, 스파이크 회수율 데이터는 Si 웨이퍼에서 극미량 오염물질을 측정하는 데 있어 이 분석법이 정확함을 보여주었습니다.³

와이드 밴드갭(WBG) 기판

현대 전력 반도체 제조 시설에서는 기존 Si 웨이퍼 외에도 전기 및 열적 성능을 향상시키기 위해 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭(WBG) 기판에 대한 의존도를 점차 높이고 있습니다. 이러한 소재는 높은 항복 전압과 우수한 내열성 덕분에 전력 전자 분야에서 점차 많은 인기를 얻고 있습니다. Si 기반 반도체와 마찬가지로 WBG 소자의 전기적 성능은 기판 순도에 매우 민감합니다. 엄격한 성능 및 품질 요건을 충족하려면 적절한 분석 기술을 사용하여 SiC 및 GaN 웨이퍼 기판의 오염물질 수준을 면밀히 모니터링해야 합니다. IAS Inc. 팀과의 또 다른 공동 연구에서 논의된 바와 같이, VPD는 비Si 웨이퍼에는 적합하지 않은데, 이러한 소재는 HF 증기로 분해시킬 수 없기 때문입니다.⁴ 따라서 새롭게 개발된 레이저 어블레이션 기반 ICP-MS 시스템을 사용했습니다.

칩 제조에 사용되는 기타 재료

ICP-MS 또는 ICP-QQQ 분석에 적합한 칩 제조에 사용되는 다른 물질로는 트리메틸갈륨(TMG), 트리메틸알루미늄(TMA), 다이메틸아연(DMZ), 테트라에톡시실란(TEOS), 트리클로로실란(TCS)과 같은 금속 유기 화합물이 있습니다. 이러한 화합물은 금속유기 화학 기상증착(MOCVD) 및 원자층증착(ALD)에서 얇은 금속막 또는 에피택셜 결정층을 성장시키는 데 사용되는 전구체입니다.

Al, Cu, Ti, Co, Ni, Ta, W, Hf와 같은 순수 금속은 웨이퍼 표면에 얇은 금속막을 증착하기 위한 물리기상증착(PVD)의 스퍼터링 타겟으로 사용됩니다. 고유전율 유전체에는 Zr, Hf, Sr, Ta 및 희토류 원소(REE)의 염화물과 알콕사이드가 포함됩니다. 이러한 각 물질에는 허용 가능한 오염물질 수준이 제한되어 있으므로 ICP-MS 또는 ICP-QQQ를 사용한 분석이 필요합니다.

포토레지스트

포토레지스트(PR)는 IC 제조의 리소그래피 단계에서 사용되는 핵심 소재 중 하나로, 웨이퍼 표면에 복잡한 패턴을 식각하여 IC 회로를 형성합니다. 포토리소그래피는 웨이퍼 표면에 투사되는 UV 이미지를 사용하여 회로의 각 층에 필요한 특정 패턴을 재현하며, PR은 리소그래피 공정에 필수적인 소재입니다(그림 3). FAB에서 인쇄회로기판(PCB), 액정(LC), 액정 디스플레이(LCD), 또는 IC 중 무엇을 생산하는지에 따라 PR의 분류가 달라집니다.

이 포괄적인 연구에서는 8900 ICP-QQQ를 사용하여 세 가지 IC 등급 포토레지스트 시료에서 20가지 주요 미량 원소를 정량화했습니다. PR 시료와 검량 표준물질은 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트(PGMEA) 용매를 사용하여 제조했습니다.

단일 수집으로 모든 원소에 대해 수 ppt 또는 서브 ppt 수준의 BEC를 얻었으며(표 1), 1시간 실행 동안 PR에서 0.1ppb 스파이크를 반복 측정하여 우수한 정밀도와 회수율을 달성했습니다. PGMEA에 10배 희석한 후 세 가지 IC PR 시료를 측정했습니다. PR 시료에 존재하는 분석 물질의 농도는 PGMEA의 외부 검량을 기준으로 측정했으며, 희석 보정된 결과(원래 PR 시료의 µg/L)는 표 1에 나타내었습니다.

세 가지 PR 시료 모두에서 낮은 수준의 오염이 발견되었습니다. 예를 들어, PR 시료 1에서는 Fe, Zn, Sn, 시료 2에서는 Ca 등 일부 원소가 높은 수준으로 검출되었습니다. 그러나 IC PR의 오염 원소에 대한 현재 최대 범위인 1-10ppb를 초과하는 분석 물질은 없었습니다. 시료 3에서는 모니터링 대상 원소 중 0.2ppb를 초과하는 원소가 검출되지 않아 향후 PR의 오염물질 농도가 1ppb 미만으로 제한되어야 한다는 요건을 충족했습니다. 이러한 결과는 복잡한 물질의 일상적인 품질 보증 테스트에서 8900 ICP-QQQ 분석법의 높은 감도, 안정성 및 견고성을 보여줍니다.⁵

DE-003355

---