Herausforderungen im Umgang mit modernen Vorläuferprodukten in der Halbleiterindustrie

Komplexe Herausforderungen im Umgang mit modernen Vorläufergasen in der Halbleiterfertigung und wie sich diese meistern lassen

Autor: Frank Horvat, PhD, Senior Scientist bei der Swagelok Company

Künstliche Intelligenz (KI) entwickelt sich rasant weiter. Dies hat auch tiefgreifende Veränderungen in der Halbleiterindustrie zur Folge, denn:

Mit immer ausgefeilteren KI-Technologien steigen auch die Anforderungen an die zugrunde liegende Hardware – insbesondere in Bezug auf Rechendichte, Dateneffizienz, Wärmemanagement und Energieeffizienz. Diese Entwicklungen führen dazu, dass namhafte Halbleiterhersteller wie Samsung, Micron und TSMC ihre Fertigungsprozesse entsprechend anpassen, da Geräte der nächsten Generation eng integrierte Speicherlösungen und komplexe Logikstrukturen benötigen, um die exponentiell wachsenden Anforderungen moderner KI-Supercomputer zu bewältigen.

Herstellende Unternehmen (OEMs) bringen ausgefeilte Ausrüstung auf den Markt, die präzise auf die steigenden technischen Anforderungen neuer Geräte zugeschnitten ist. Chemikalienlieferanten treiben unterdessen die Weiterentwicklung von Vorläuferprodukten und Liefertechnologien voran. Konkret können in modernen Fertigungsprozessen mit Atomlagenabscheidung beispielsweise dielektrische, leitfähige und Barriereschichten nun auf komplexe 3D-Transistorstrukturen und bei hohen Seitenverhältnissen aufgebracht werden.

Um damit gleichmäßige Schichten auf diesen komplexen 3D-Transistorstrukturen erzielen zu können, müssen die veränderten Herausforderungen im ALD-Prozess berücksichtigt werden. Denn Vorläuferprodukte müssen fortlaufend neu formuliert werden, damit sie den sich ständig ändernden Prozessanforderungen und chemischen Spezifikationen entsprechen. In diesem Blogbeitrag geht es um Vorläuferprodukte mit hohem und niedrigem Dampfdruck und damit verbundene Herausforderungen für die Systemkonstruktion. Wir beleuchten, welche Auswirkungen Verunreinigungen auf die Ausbeute haben können und inwiefern die enge Zusammenarbeit zwischen allen Stakeholdern entscheidend für einen erfolgreichen Prozessbetrieb ist.

Optimierung von ALD-Prozessen

Im Fokus: Vorläuferprodukte mit hohem und niedrigem Dampfdruck

• Vorläufer mit hohem Dampfdruck, wie Trimethylaluminium (TMA) und Diethylzink (DEZ), verdampfen bei oder nahe Raumtemperatur und lassen sich problemlos über Gaszuleitungen in die Reaktionskammer transportieren.
• Im Gegensatz dazu erfordern Vorläufer mit niedrigem Dampfdruck wie Hafniumchlorid (HfCl₄), Tantalchlorid (TaCl₅) und Molybdänchlorid (MoCl₅) höhere Temperaturen (> 150 °C), um zu sublimieren. Da die Drücke so niedrig sind, wird in der Regel ein Träger- oder Druckgas eingesetzt, um das Quellmaterial bei jedem Abscheidungszyklus in die Reaktionskammer zu transportieren. Vorläufer mit niedrigem Dampfdruck machen oft eine längere Pulsdauer oder höhere Trägergasraten erforderlich, um eine angemessene Oberflächenabdeckung zu erreichen. Mit der weiteren Verkleinerung der Transistoren musste Molybdän auch für Kontakte, Leitungen und Strukturen mit hohen Seitenverhältnissen angepasst werden, da Materialien wie Kupfer und Wolfram bei engen Strukturen physikalische Einschränkungen aufweisen. Molybdän bietet bei nanoskaligen Abmessungen einen deutlich niedrigeren effektiven Widerstand und höhere Zuverlässigkeit als Materialien wie Kupfer oder Wolfram.

Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Vorläufer können sich auf das Pulsverhalten der Ventile auswirken, insbesondere in Produktionsumgebungen mit hohen Durchsatzraten. Schon geringfügige Änderungen beim Öffnen oder Schließen pneumatischer Ventile können den Durchfluss der Vorläuferprodukte bei normalem Prozessbetrieb empfindlich beeinflussen. Bei Vorläufern mit hohem Dampfdruck genügen in der Regel kurze Ventilöffnungszeiten von weniger als 100 Millisekunden, um kürzere Zykluszeiten und einen höheren Durchsatz zu erzielen. Solche Vorläufer können jedoch zu Druckschlägen und Druckspitzen führen und die präzise Synchronisierung der Ventilsteuerzeiten sowie eine Anpassung der Durchflusskoeffizienten (C_v) für jedes Ventil erforderlich machen.

Um einen hohen Durchsatz zu erreichen, muss ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen der Volatilität der Vorläuferprodukte, der Pulsdauer und dem Ventilleitwert gewährleistet sein.

Umgekehrt benötigen Vorläufer mit niedrigem Dampfdruck in der Regel längere Betätigungszeiten und ein präzises Wärmemanagement, um die Dampfstabilität zu erhalten. Um einen hohen Durchsatz zu erzielen, muss ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen der Volatilität der Vorläuferprodukte, der Pulsdauer und dem Ventilleitwert gewährleistet sein.

Herausforderungen mit einer klugen Systemkonstruktion begegnen

Um stabile und wiederholbare Prozesse sowie eine gleichmäßige Schichtabscheidung zu gewährleisten, müssen Ingenieure in der Halbleiterfertigung angesichts der engen Prozessgrenzen eine Vielzahl an Systemparametern aussteuern, da diese einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von ALD-Ventilen haben. Dazu zählen:

Ventildurchfluss und Betätigungszeitpunkt:

Der ALD-Prozess wird üblicherweise unter Vakuumbedingungen durchgeführt, wobei die Vorläuferprodukte mit niedrigem Dampfdruck kontrolliert in die Reaktionskammer eingeleitet werden. Für den Transport von Vorläuferprodukten spielen zwei zentrale Parameter eine Rolle: der Durchflusskoeffizient des Ventils (C_v) und der Leitwert des Systems (C).

Der C_v (Durchflusskoeffizient) gibt an, wie viel Fluid bei einem bestimmten Druckabfall (dp) durch ein Ventil strömen kann. Mit diesem Parameter sind Hersteller in der Lage, den Gasfluss durch ein Ventil zu bestimmen. In Kombination mit einer präzisen Ventilsteuerung lässt sich so eine äußerst genaue Dosierung der Vorläuferprodukte erreichen.

In Vakuumsystemen beschreibt C (Systemleitwert) wie leicht Fluidmoleküle durch das System strömen können. Dieser Parameter ist entscheidend, um die Zeit zu bestimmen, die ein Vorläuferprodukt benötigt, um von einem Ventil in die Reaktionskammer zu strömen. Dies spielt insbesondere in Produktionsumgebungen mit hohen Durchsatzraten eine wichtige Rolle,

 

in denen der Zeitpunkt der Ventilbetätigung entscheidend ist. Bereits Abweichungen von wenigen Millisekunden können die Menge des in die Reaktionskammer eingeleiteten Vorläuferprodukts und damit die gesamte Dosis pro Zyklus deutlich beeinflussen. Darüber hinaus können Schwankungen der Öffnungszeitpunkte oder Schließverzögerungen, der Ventilansprechgeschwindigkeit sowie der Ventilsynchronisation die Schichtgleichmäßigkeit beeinträchtigen, zu unvollständiger Oberflächensättigung führen und weitere Probleme im ALD-Prozess verursachen. Daher sind die Anpassung des Durchflusskoeffizienten (C_v) und die präzise Steuerung der Ventilsynchronisation im Sub-Millisekundenbereich über mehrere Vorläuferlinien hinweg entscheidend, um die Wiederholbarkeit des Prozesses sicherzustellen und die Dosiergenauigkeit (Dosiskontrolle) auf atomarer Ebene aufrechtzuerhalten. Tools wie der C_v-Rechner von Swagelok können zu diesem Zweck nützlich sein.

Dosiskontrolle:

Für stabile ALD-Prozesse mit hoher Schichtqualität und effizienter Wafer-Ausbeute ist eine präzise Dosiskontrolle unerlässlich. Die Atomlagenabscheidung beruht auf der kontrollierten, zyklischen Zufuhr von Vorläuferprodukten, durch die selbstbegrenzende Oberflächenreaktionen ausgelöst werden. Mit einer präzisen Gasdosierung bleibt die Schichtbildung pro Zyklus stabil, bestimmbar und weitgehend unabhängig von den geometrischen Eigenschaften. Eine präzise Dosierung ermöglicht darüber hinaus die Kontrolle von Schichtdicke, Gleichmäßigkeit sowie eine Anpassung an innovative Gerätearchitekturen mit sehr hohen Seitenverhältnissen. Im Gegensatz dazu kann eine unzureichende Dosierung zu einer unvollständigen Oberflächensättigung und einer ungleichmäßigen Schichtbildung führen, während eine zu hohe Dosierung Gasphasenreaktionen, unerwünschtes Verhalten wie bei der chemischen Gasphasenabscheidung, erhöhte Partikelbildung und eine ineffiziente Nutzung der Vorläuferprodukte zur Folge haben kann.

Da die Bauteile immer kleiner und die Transistorstrukturen zunehmend komplexer werden, sind bei der Vorläuferdosierung deutlich geringere Abweichungen möglich. Schon geringe Abweichungen in der Menge des eingespeisten Vorläufers, verursacht durch Ventildurchfluss (C_v), Dampfdruckschwankungen, Temperaturinstabilität oder Leitwerteffekte (C) sowie zeitliche Ungenauigkeiten, können zu messbaren Unterschieden in Schichtdicke, Materialzusammensetzung und elektrischen Eigenschaften zwischen Wafern sowie zwischen verschiedenen Anlagen führen. In Produktionsumgebungen mit hohen Durchsatzraten verstärken sich diese Abweichungen, was sich auf die Anpassung der Anlagen, den Prozesstransfer und die langfristige Prozessstabilität auswirkt. Eine stabile Dosiskontrolle reduziert daher die Variabilität von Wafer zu Wafer und ermöglicht eine exakte Abstimmung zwischen den Reaktionskammern.

Temperaturbeständigkeit:

Eine gleichmäßige Temperatur in Vorläufer-Behältern, Leitungen und Ventilen ist entscheidend, um Kondensation und vorzeitige chemische Zersetzung zu vermeiden. Eine ungleichmäßige Erwärmung kann zu lokalisierten Ablagerungen führen, die die Ventilleistung beeinträchtigen und dadurch die nachfolgenden Dosen verunreinigen.

Korrosionsbeständigkeit und Ertrag:

Bei der Systemkonstruktion für die Halbleiterherstellung mittels ALD ist außerdem die Werkstoffauswahl von zentraler Bedeutung. Moderne Vorläuferprodukte können stark korrosiv auf inkompatible Werkstoffe wirken. Daher muss bei der Systemauslegung besonderes Augenmerk auf kritische Komponenten wie Ventile gelegt werden. Selbst kleinste Partikel können in der Halbleiterfertigung erhebliche Schäden verursachen.

Selbst kleinste Partikel können in der Halbleiterfertigung erhebliche Schäden verursachen,

insbesondere bei modernen Fertigungsknoten mit sehr kleinen Strukturen, die besonders empfindlich sind. Um die Lebensdauer von Ventilen und die Betriebszeiten von Systemen zu verlängern, sind daher zunehmend alternative Werkstoffe (z. B. Hastelloy) erforderlich, die weniger anfällig für vorzeitige Abnutzung sind.

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Die Halbleiterindustrie steht vor komplexen Herausforderungen und ihr Erfolg wird in Zukunft weiterhin von Zusammenarbeit, Innovation und kontinuierlichem Lernen abhängen. Wir bei Swagelok sind bereit, sie dabei zu unterstützen. Wir verfügen über umfassende Erfahrung und das nötige Fachwissen und setzen alles daran, die Branche mit unserem technischen Know-how, unserem Expertennetzwerk sowie unserem umfassenden Angebot an leistungsstarken Bauteilen für die anspruchsvollsten Halbleiteranwendungen zu unterstützen.

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