晶圓表面微污染物質之外觀形態與元素分析

本研究針對日前於某家半導體廠內發生晶圓表面污染進行分析，研究 背景為當晶圓曝露於製程黃光區的環境數小時後，晶圓表面開始有污染物 斑點沈積現象發生，而微粒斑點需經由加熱後才能消除，因而增加製程之 複雜性。因此本研究利用 SEM/EDS 共進行 34 個污染斑點分析，由元素分 析結果發現，晶圓表面之污染沈積物約略可分成三大類，分別為有機性、

無機性、有機/無機混合型之斑點物質，如表 4.1 所示。其中有機性斑點物 質又可分成兩類，分別為碳-氧組態(C-O)與碳-氧-氯組態(C-O-Cl)，而有機/

無機混合型亦可分成碳-氧-鉀-磷組態(C-O-K-P)與碳-氧-鈉-鎂-鋁-磷-硫-氯-鉀-鈣-鐵組態(C-O-Na-Mg-Al-P-S-Cl-K-Ca-Fe)兩類，無機性斑點物質則純粹 由氯-鉀組態(Cl-K)所組成並無任何碳-氧元素於其中。因此本研究將晶圓表 面之污染斑點物質依其元素組態約分三大類五種型態。

由於SEM 分析儀並無法提供微粒計數之功能，且本研究亦針對不同曝 露時間之晶圓表面隨機選取某一部分之斑點微粒，因此各類型態之斑點物 質之實際數量將無法獲得，只能藉由一相對數量來表示各類型態斑點產生 機率之多寡，而由表4.1 則可看出，純有機性或純無機性之斑點數量(第 1,2,3

表4.1、晶圓表面微粒斑點物質 SEM/EDS 分析結果統計分類表.

類元素組態)遠少於有機/無機混合型之微粒斑點(第 4、5 類元素組態)。而 在所有微粒斑點之SEM 分析結果中，可明顯看出有機類微粒斑點之形態皆 小於無機類和有機/無機混合類之微粒斑點。

在EDS 分析結果部分，可發現所有分析圖譜中皆含有相對高量矽元素 訊號，經由矽晶圓之背景值分析後，確認其為電子束貫穿微粒斑點打進矽 晶圓基板上，而產生矽元素之訊號，因此微粒斑點上之 Si 元素成分，將因 背景值之干擾而無法辨別。

為了進一步了解各類斑點元素組態之型態與特徵，將利用各類微粒斑 點之SEM/EDS分析圖，並配合著表 4.1 來探討。圖 4.1 為第 1 類元素組態(C-O) 之SEM/EDS影像分析圖譜，此類元素組態大部份只有碳和氧元素所組成，

圖4.1 中雖亦偵測到鈣元素，但根據EDS分析結果發現碳元素的重量比例為 鈣的22 倍多，故仍將此班點歸類成有機性微粒斑點。第 1 類元素組態的大 小(<2×2 µm²)皆小於其他類元素組態，此可由表 4.1 看出。而在圖 4.1 中可 發現此類元素組態之外形呈現一不規則、厚度很薄且平滑的表面，推測其 可能經由氣態凝結換化過程(vapor condensation)而形成斑點物質，而其來源 則可能是由潔淨室中的最有高沸點之有機性氣體，因吸附於晶圓表面發生 能量轉換成凝結沈積在晶圓表面上。

由表4.1 中可看出第 2 類元素組態(C-O-Cl)的大小仍小於其他無機性或 混合類之微粒斑點，而在圖 4.2 中則可發現氯元素(Cl)似乎能夠把細小之微 粒聯繫起來形成一較大片狀或薄霧狀的形態。在第3 類元素組態(Cl-K)中，

因不含有任何碳與氧元素於其中，因此可確定其為無機性物質，而此類元 素組態的大小，由表4.1 可知其分佈由最小的 1×2 µm² 到最大20×20 µm²， 較沒有一固定值或範圍，但所有的形狀卻都類似，即都有分支的結構產生，

或是有較小之微粒分散於主微粒附近(可能由小微粒漸漸聚集形成一大微 粒)，如圖 4.3 所示。值得注意的是，此類斑點其外觀形狀較其他類為明亮 些，且有很多小微粒遍佈於主微粒周圍附近，因此由此推測第 3 類元素組 態極有可能因許多小微粒之聚集凝結(coagulation)成一較大之微粒。

1.0μm

圖4.1、第 1 類元素組態(C-O)之 SEM/ EDS 影像分析圖譜

2.0μm

圖 4.2、第 2 類元素組態(C-O-Cl)之 SEM/ EDS 影像分析圖譜

圖4.3、第 3 類元素組態(Cl-K)之 SEM/ EDS 影像分析圖譜 5.0μm

第 4 類(C-O-K-P)與第 5 類(C-O-Na-Mg-Al-P-S-Cl-K-Ca-Fe)元素組態之 微粒斑點皆由無機性與有機性元素所組成，但第 4 類之微粒斑點其元素組 成較為單純且個數較少，只有碳-氧-鉀-磷元素，而不像第 5 類元素組態集 合凝聚了各種不同之元素於其中，另外由表4.1 亦可看出第 4 類之微粒斑點 的大小(<6×10 µm²)平均而言皆比第 5 類之微粒(<25×50 µm²)為小。第 4 類 元素組態(C-O-K-P)的形態特點在於其皆具有孔隙的結構，但形狀卻沒有一 固定形式，有些微粒成圓柱狀、傘菌狀或其他不規則形，如圖 4.4 所示，則 在右手邊有呈現一類似球形之形狀等。

第5 類元素組態其大小是所有類型微粒中最大的，而由微粒之 EDS 分 析的結果發現，此類中的每一微粒元素組態不盡相同，元素比例亦沒有一 定的關係存在，故其形態與大小皆有所差異，在圖 4.5 第 5 類元素組態 (C-O-Na-Mg-Al-P-S-Cl-K-Ca-Fe)之 SEM/ EDS 影像分析圖譜中，則可明顯 的看出微粒型態與其表面佈滿著許多更細微之微粒，不同之元素亦被 EDS 偵測出來。值得注意的是在此類型態的微粒斑點中，只要能夠偵測到鈣元 素，都可發現微粒周圍有類似結晶形式小微粒存在。

而在34 個污染斑點分析中，第 4、5 類元素組態即佔了 22 個之多，顯 示大部份產生於晶圓表面之污染斑點，皆以有機/無機混合型之元素組態出 現。而形成之原因可推測是由有機性氣體先行於晶圓表面發生凝結沈降而 形成初期斑點物質，之後環境中的無機性離子或分子再進行吸附或凝聚於 初期斑點上，並逐漸成長為一較大型之微粒。因此晶圓表面上之斑點才會 以第4、5 類元素組態(有機/無機混合型)微粒型式居多。

而在晶圓曝露於潔淨室時間對表面斑點形成之影響方面，本研究分別 控制曝露時間在 0 小時、12 小時、24 小時與長時間(2~3 天)，以獲得一晶 圓表面斑點形成之趨勢。研究結果發現在曝露時間為 0 小時，晶圓表面上 並沒有任何微粒斑點被發現，而在12 小時內，晶圓上之斑點沈積物密度分 佈並不高，斑點之密度約 10 顆/cm²以下，且以小於 10µm之微粒斑點較容 易測得，並隨著曝露時間的增長，斑點之沈積密度隨之提高。而在長時間

5.0μm

圖 4.4、第 4 類元素組態(C-O-K-P)之 SEM/ EDS 影像分析圖譜

4.5、第 5 類元素組態(C-O-Na-Mg-Al-P-S-Cl-K-Ca-Fe)之 SEM / EDS 影像 20.0μm

圖

分析圖譜

(2 - 3 天)的曝露後，晶圓表面斑點沈積物之濃度分佈可達到 100 顆/cm²左 右。另外，第 5 類元素組態之微粒斑點，其在長時間之曝露時間狀況下被 發現的機率為最大。

為了進一步探討晶圓表面之污染微粒來源是否因環境中之懸浮微粒沈 積形成，因此本研究利用微粒計數器(condensation particle counter, CPC, TSI model 3010)同步對潔淨室內的環境中之微粒濃度進行監測，並與廠內設有 偵測微粒濃度之裝置--製程即時微粒監測器(In Situ Particle Monitor, ISPM) 做比較，以了解潔淨室環境中微粒的分佈。經由兩次CPC量測結果發現，

於等級為class 1 潔淨室內其環境中微粒之平均濃度分別為 0.06±0.02 顆/cm³ 與0.07±0.03 顆/cm³，故微粒平均濃度皆小於0.1 顆/cm³(>0.01 µm)。因此本 研究初步推定，晶圓上之微污染物質並非由潔淨室內之微粒沈積至晶圓表 面上，而是可能經由環境中之分子污染物空降至晶圓表面累積形成。

在最新 2003 年版的半導體產業的國際技術發展藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductor, ITRS)^[34]中，曾提到在 80 nm DRAM 製程下晶圓表面製備時前段製程之需求限制，其建議表面有機物/高分子物 質需小於 1.4×10¹³ C atom cm^-2之限制，如表2.5 所示。而本研究所進行微 粒之元素分析中，其元素原子的半徑皆介於 0.5 至 2.5 Å之間，碳原子的半 徑為 0.77Å。故假設當晶圓曝露時間為 12 小時後，其表面之污染微粒濃度 約為 10 顆/cm², 並以 1~10 µm為主要微粒斑點大小，則可推算出晶圓表面 上的污染密度約為2×10¹³ ∼ 2×10¹⁶ C atom cm^-2，其值已超過晶圓製備表面 有機分子污染物之限制值，因此當晶圓曝露於環境中超過 12 小時，表面污 染微粒之沈積密度將可導致元件缺陷。