随着半导体技术过渡到 5 纳米以下的先进节点，对工艺气体精度、可重复性和无污染气体输送的要求变得至关重要。这些气体中的一些具有很强的腐蚀性，而另一些则具有很高的反应性。必须仔细考虑这些气体与用于气体输送的润湿表面的兼容性。此外，某些特殊气体（例如氢化物）会在高温下热分解，经常需要更换组件，从而影响拥有成本。

在本文中，我们将回顾半导体制造中使用的电子特种气体的类型，并分析在晶圆级无污染地提供这些气体的标准。一套 SEMI 标准解决了半导体制造中使用的特种气体的纯度规范。SEMI 还维护着一个包含半导体制造中使用的所有气体的综合数据库，该数据库随着越来越多的新气体用于先进工艺节点而不断更新。

在半导体制造中使用特种气体

当今半导体制造中使用了 100 多种气体，主要用于干蚀刻（电介质、导体和多晶硅蚀刻）、化学气相沉积（电介质和金属沉积）、扩散和离子注入。表 1 显示了这些气体的示例。 SEMI 标准在 SEMI AUX030 文档中维护了一个包含半导体制造中使用的所有气体的综合数据库，其中包括唯一的气体代码、化学式和化学名称（包括商品名称），以帮助标准化无论全球的晶圆厂位置如何，这些气体都符合严格的规格。此外，当涉及到化学式相同但化学性质或反应化学性质不同的气体异构体的存在时，这些标准有助于避免混淆。

在为半导体制造提供特殊气体时，晶圆级的杂质贡献是最重要的考虑因素。源自特殊气体的杂质会导致半导体芯片中的致命缺陷，从而降低芯片产量。必须在制造阶段、交付阶段（交付车辆，如钢瓶）、气体传输系统（材料兼容性）和工艺室（化学、等离子体）中的相互作用消除杂质贡献。确保晶圆级纯度的最高水平需要综合分析和系统级污染控制方法。

ESG 制造商不遗余力地净化气体，并且经常使用需要尖端技术的纯度检测方法。SEMI 标准指定了一套标准，涉及涵盖半导体制造中使用的大多数加工步骤的特种气体纯度水平。这些由 SEMI 标准北美气体技术委员会维护，并为气体建立定义、规范、程序和分析方法。

分析技术的适用性取决于易用性、可靠性、维护性、精度、灵敏度和可用性。气体技术委员会每五年审查一次气体纯度和分析技术适用性的规范，以跟上对半导体技术先进工艺节点日益严格的要求。SEMI C3.2 至 C3.58 涵盖各种特殊气体的纯度规格。

确定晶圆级杂质时的另一个重要考虑因素是特殊气体与气体输送系统中使用的材料的兼容性，该系统将精确数量的气体输送到生产半导体芯片的工艺室。图 2 显示了气体输送系统以及它们如何与晶圆厂中的其他系统配合使用。气体输送系统由多个流道（气棒）组成，并使用各种组件来控制气体并将气体输送到处理室，包括手动阀、压力调节器、过滤器、压力传感器、质量流量控制器和隔离阀。

SEMI 标准 F105（气体输送系统金属材料兼容性指南）解决了这些组件和管道互连的所有气体接触流路的材料兼容性问题。SEMI F105 涵盖了表 1 中列出的所有气体。材料兼容性是气体输送系统中污染物（如水分、碳氢化合物、氧气等）、反应动力学和表面化学的复杂函数，可以加速化学过程与用于输送气体的材料发生反应。例如，溴化氢（一种用于导体蚀刻的常见干蚀刻气体）在超过 500 ppb2、3 的水分存在时会腐蚀不锈钢。

因此，工艺设备工程师必须实施出色的吹扫程序，以将气体输送系统中的水分含量保持在低 ppb 水平。SEMI 标准 F58（通过大气压电离质谱 (APIMS) 测定表面安装和常规气体输送系统的水分干燥特性的测试方法）和 SEMI F112（测定表面水分干燥特性的测试方法）由腔衰荡光谱 (CRDS) 提供的安装式和常规气体输送系统解决了测量低至 ppb 级水分的仪器和方法。

一些特殊气体，例如化学气相沉积过程中常用的硅烷，会与空气或氧气和水分发生剧烈反应，导致气体输送系统的流体流路中形成二氧化硅粉尘，从而需要昂贵的设备停机时间和组件更换. SEMI F1（高纯度气体管道系统和组件的泄漏完整性规范）解决了所需的泄漏完整性水平，以防止空气或湿气进入气体输送系统，从而可以防止此类灾难性反应。

气体输送系统的优化设计有助于避免死区（反过来，死区又充当水分或氧气等污染物的储存库）对于半导体的无污染制造也至关重要。一些特殊气体，例如乙硼烷，这是一种非常重要的气体，用于调节 DRAM 和逻辑芯片接触孔中钨 (W)/氮化钨 (WN) 阻挡膜的电阻率，在适度升高的温度下往往会分解4。这通常发生在热质量流量控制器 (MFC) 的加热热传感器内部。这种热分解将需要定期更换 MFC，并且可能具有破坏性并导致昂贵的设备停机时间。