Precursores de Semiconductores de Última Generación y Sus Retos

Superar las Complejidades del Gas Precursor de Última Generación en la Fabricación de Semiconductores

Autor: Frank Horvat, Doctor, Científico Jefe, Swagelok Company

La inteligencia artificial (IA) avanza cada día más—y, como consecuencia, las nuevas exigencias están provocando cambios importantes en la industria del semiconductor.

La inteligencia artificial avanzada requiere una mayor densidad computacional, eficiencia en el uso de datos, gestión térmica y reducción del consumo energético. Estas tendencias están impulsando cambios en la fabricación mundial de semiconductores por parte de grandes empresas como Samsung, Micron, TSMC y otras, ya que los dispositivos de última generación exigen ahora circuitos lógicos avanzados y memorias altamente integradas para sustentar el crecimiento exponencial que requieren los superordenadores de IA modernos.

Los fabricantes de equipos originales (OEMs) del sector de los semiconductores han respondido con la introducción de herramientas de última generación diseñadas para adaptarse a las especificaciones cambiantes de los dispositivos, mientras que los proveedores de productos químicos siguen perfeccionando las fórmulas de los precursores y las tecnologías de suministro. En concreto, actualmente se depositan capas dieléctricas, conductoras y de barrera a escala atómica sobre transistores con formas tridimensionales complejas y geometrías de alta relación de aspecto.

Conseguir una capa uniforme sobre estas formas complejas plantea nuevos retos en el proceso ALD, lo que obliga a los profesionales de la fabricación de semiconductores a adoptar continuamente nuevas fórmulas de precursores para adaptarse a los requisitos del proceso y a las fórmulas químicas cambiantes. En este artículo del blog, analizaremos los precursores de alta y baja presión de vapor, los retos de diseño de los sistemas asociados, las preocupaciones relacionadas con la contaminación y el rendimiento, y cómo la estrecha colaboración entre las partes interesadas será fundamental para el éxito.

Optimizar los Procesos ALD

Análisis de Precursores de Alta y Baja Presión de Vapor

• Los precursores de alta presión de vapor, como el trimetilaluminio (TMA) y el dietilzinc (DEZ), se vaporizan a temperatura ambiente o cerca de ella y pueden transportarse fácilmente a través de las líneas de suministro de gas hasta la cámara de reacción.
• Por el contrario, los precursores de baja presión de vapor, como el cloruro de hafnio (HfCl₄), el cloruro de tántalo (TaCl₅) y el cloruro de molibdeno (MoCl₅), requieren temperaturas elevadas (> 150°C) para conseguir la sublimación. Por lo general, dado que las presiones son tan bajas, se necesita un gas portador o impulsor que ayude a transportar el precursor hasta la cámara de reacción en cada ciclo de deposición. Los precursores de baja presión de vapor suelen requerir tiempos de pulso más largos o caudales de gas portador más elevados para conseguir una cobertura adecuada de la superficie. Las nuevas reducciones en la escala de los transistores también han hecho necesario adaptar el molibdeno para su uso en interconexiones, contactos y geometrías de gran relación de aspecto dentro de las estructuras de semiconductores, debido a las limitaciones de tamaño físico del cobre y el tungsteno. El molibdeno tiene una resistividad muy inferior y ofrece una mayor fiabilidad que estas dimensiones a escala nanométrica.

Estos comportamientos divergentes pueden afectar al pulso de las válvulas, especialmente en entornos de fabricación de gran volumen. Por ejemplo, el caudal del precursor es sensible a la apertura y el cierre de una válvula neumática durante la operación normal. En el caso de los precursores de alta presión de vapor, suele bastar con que la válvula abra durante breves intervalos de tiempo (< 100 milisegundos), lo que permite reducir la duración de los ciclos y aumentar el rendimiento. Sin embargo, estos precursores pueden provocar picos de presión y un exceso de respuesta, lo que requiere una sincronización temporal precisa y una adaptación del coeficiente de caudal (C_v) entre válvulas.

Para conseguir un alto rendimiento es necesario encontrar un equilibrio preciso entre la volatilidad del precursor, la duración del pulso y la conductancia de la válvula.

Por el contrario, los precursores de baja presión de vapor suelen requerir tiempos de actuación más prolongados y una gestión térmica precisa para mantener la estabilidad del vapor. Por lo tanto, para conseguir un alto rendimiento es necesario encontrar un equilibrio preciso entre la volatilidad del precursor, la duración del pulso y la conductancia de la válvula.

Superar los Retos en el Diseño de Sistemas

Dados los estrechos márgenes de tiempo que implica el proceso, los ingenieros de semiconductores deben gestionar cuidadosamente los múltiples parámetros del sistema que influyen en el rendimiento de las válvulas ALD para mantener la estabilidad, la repetitividad y la uniformidad de la capa. Entre éstos:

Caudal de la Válvula y Sincronización de Actuación:

El proceso ALD se lleva a cabo normalmente en un entorno de alto vacío, en el que los precursores a baja presión se extraen de la cámara de reacción. Hay dos variables importantes que los fabricantes de equipos originales (OEM) utilizan para transportar precursores: el coeficiente de caudal de la válvula (C_v) y la conductancia del sistema (C).

El coeficiente de caudal (C_v) es un parámetro de los fluidos que se utiliza para indicar el caudal que puede pasar a través de una válvula para una caída de presión (dP) determinada. Este parámetro permite a los fabricantes determinar el caudal de gas a través de una válvula y, cuando se combina con una sincronización precisa de la válvula, permite una dosificación de precursores de gran precisión.

C (Conductancia del Sistema) se utiliza en los sistemas de vacío para describir la facilidad con la que el caudal (las moléculas del fluido) puede desplazarse a través del sistema. Este parámetro es fundamental para determinar el tiempo que tarda un precursor en fluir desde una válvula hasta una cámara de reacción, lo cual cobra especial relevancia en la fabricación de gran volumen (HVM).

 

En este caso, el rendimiento de la sincronización de la actuación de las válvulas es fundamental. Una desviación de tan solo unos milisegundos puede alterar significativamente la cantidad de masa de precursor inyectada en la cámara de reacción y la dosis total de precursor por ciclo. Además, las variaciones en los retardos de apertura y cierre, la velocidad de respuesta de las válvulas y la sincronización de las mismas pueden dar lugar a una uniformidad deficiente de la capa, una saturación superficial incompleta y otros problemas. En consecuencia, la sincronización del C_v y el control de la sincronización de las válvulas con una precisión inferior al milisegundo en múltiples líneas de precursores, son esenciales para conseguir la repetitividad del proceso y mantener la precisión de la dosificación a nivel atómico (también conocida como control de la dosis). Una herramienta como la calculadora de C_v  de Swagelok puede resultar muy útil en estos casos.

Control de la Dosis:

El control de la dosis es esencial para que un proceso ALD sólido consiga tanto un buen rendimiento en el crecimiento de las capas como un buen rendimiento de las obleas. Los procesos ALD se basan en suministrar una cantidad precisa y de repetitividad alta de precursores para provocar reacciones superficiales autolimitadas. Cuando el proceso de dosificación del gas está bien controlado, el crecimiento de la capa por ciclo se mantiene estable, predecible e independiente de la geometría de la pieza. Esto permite el control del espesor, la conformidad y la uniformidad que requiere la nueva arquitectura avanzada de dispositivos, que incorpora relaciones de aspecto extremas. Por el contrario, una dosis insuficiente puede producir una saturación superficial incompleta y un crecimiento no uniforme de la capa, mientras que una dosificación excesiva puede provocar reacciones en fase gaseosa, un comportamiento indeseado similar al de la deposición química en fase gaseosa (CVD), una mayor generación de partículas y una utilización ineficaz de los precursores.

A medida que las dimensiones de los dispositivos siguen reduciéndose y las geometrías de los transistores se vuelven más complejas, el margen de tolerancia respecto a las variaciones de dosis se reduce considerablemente. Las pequeñas desviaciones en la masa de precursor suministrada, provocadas por el caudal de la válvula (C_v), la variación de la presión de vapor, la inestabilidad de la temperatura, los efectos de la conductancia de la línea (C) o las imprecisiones de sincronización, se traducen en variaciones apreciables en el espesor de las capas, la composición y las propiedades eléctricas entre las distintas obleas y entre las distintas herramientas. En un entorno de fabricación de gran volumen, estas variaciones se acumulan, lo que afecta a la compatibilidad de las herramientas, a la transferencia de procesos y a la estabilidad a largo plazo. Por lo tanto, un control riguroso de la dosis reduce la variabilidad entre obleas y permite una sincronización precisa entre cámaras.

Uniformidad de la Temperatura:

Una distribución uniforme de la temperatura en los recipientes de precursores, las tuberías de suministro y las válvulas es fundamental para evitar la condensación y la descomposición química prematura. Un caldeo no uniforme puede producir una deposición localizada, lo que deteriora el rendimiento de la válvula y, por lo tanto, contamina las dosis posteriores.

Preocupaciones Relativas a la Resistencia a la Corrosión y al Rendimiento:

Otro aspecto que debe tenerse en cuenta en el diseño de sistemas ALD para semiconductores es la selección de materiales. Los precursores de última generación pueden ser muy corrosivos para los materiales no compatibles, lo que significa que los diseñadores de sistemas deben ser muy cuidadosos al seleccionar componentes críticos, como las válvulas. Incluso las partículas más pequeñas pueden tener consecuencias catastróficas para el proceso de fabricación de semiconductores.

Incluso las partículas más pequeñas pueden tener consecuencias catastróficas para el proceso de fabricación de semiconductores.

Esto es especialmente relevante en los nodos avanzados actuales, que tienen componentes de tamaño reducido que pueden verse comprometidos con mayor facilidad. Por estas razones, las válvulas y los componentes fabricados con materiales alternativos (como el Hastelloy, por ejemplo), que son menos propensos al deterioro prematuro, resultan cada vez más necesarios para extender la vida útil de las válvulas y garantizar el tiempo de actividad del sistema.

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Los profesionales del sector de los semiconductores se enfrentan a retos de diversa índole en el panorama actual, y el éxito seguirá dependiendo de la colaboración, la innovación y el aprendizaje continuo—en Swagelok, estamos preparados para ayudarles. Contamos con la experiencia y los conocimientos especializados que necesitan los profesionales del sector de los semiconductores, y nos comprometemos a compartir nuestros conocimientos, así como nuestra gama completa de componentes de alto rendimiento para las aplicaciones de semiconductores más exigentes, con profesionales de todo el mundo.

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