Comment optimiser les procédés de dépôt par couche atomique dans la fabrication des semi-conducteurs

Comment une vanne parfaitement adaptée peut améliorer la précision et la constance du procédé de dépôt par couche atomique

Masroor Malik, responsable du marché des semi-conducteurs chez Swagelok

Le défi consistant à maximiser la production tout en gérant le procédé toujours plus complexe et précis utilisé pour fabriquer des micropuces de dernière génération, pousse les fabricants de semi-conducteurs à effectuer des contrôles des process sans cesse plus rigoureux. Parvenir à des tolérances de performance plus strictes dans un procédé de fabrication comme le dépôt par couche atomique (ALD) est essentiel pour optimiser les rendements de la production de puces électroniques.

Cette précision dans le système de dosage et de distribution des produits chimiques est un élément essentiel d’un procédé ALD optimisé. Et c’est là qu’un système de commande des vannes bien conçu peut aider. Nous allons voir pourquoi, en commençant par un problème auquel les chercheurs du secteur des semi-conducteurs se sont heurtés – et qu’ils ont résolu – à un moment crucial dans l’évolution constante de cette technologie.

Découvrir la technologie ALD

Bref historique de la fabrication des semi-conducteurs

Les débuts du secteur des semi-conducteurs remontent aux années 1960 dans la Silicon Valley. Cependant, c’est vers la fin de la décennie 1990 que la communauté scientifique a commencé à entrevoir une limite imminente à la loi de Moore, à savoir, le doublement du nombre de transistors par puce de silicium observé tous les deux ans. Les limites techniques des couches diélectriques traditionnellement utilisées dans les dispositifs en étaient la raison, et les fabricants savaient qu’un matériau diélectrique serait bientôt nécessaire pour remplacer le dioxyde de silicium (SiO₂).

Cela représentait un problème, car le SiO₂ était facile à « produire » tout en conservant par ailleurs une grande précision et une parfaite uniformité sur les plaquettes de silicium. Il ne serait donc pas facile de déposer un nouveau matériau diélectrique en utilisant des méthodes traditionnelles comme le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou le dépôt physique en phase vapeur (PVD).

C’est alors que le procédé de dépôt par couche atomique (ALD) est apparu comme un moyen pour appliquer de nouveaux matériaux sous la forme de couches d’une épaisseur précise. Aux tout débuts, la pénétration du marché a connu quelques difficultés majeures, notamment liées à la lenteur du processus de dépôt. Toutefois, avec le temps, des méthodes plus efficaces ont été élaborées pour mettre en œuvre le procédé ALD dans la fabrication de semi-conducteurs. Malgré quelques problèmes résiduels à régler concernant la distribution des produits chimiques, il est vite devenu évident que le procédé ALD était l’avenir de la fabrication des dispositifs semi-conducteurs.

L’importance des vannes dans le processus ALD

Les fabricants de semi-conducteurs travaillent à maintenir une précision sous-nanométrique dans les couches déposées sur la surface d’une plaquette de 300 mm de diamètre. Cela reviendrait à appliquer une couche d’un centimètre d’épaisseur sur l’ensemble de la surface de la Lune. Dans les dispositifs semi-conducteurs modernes, il suffit de quelques atomes supplémentaires pour influer sensiblement sur les performances du dispositif.

Les fabricants de semi-conducteurs travaillent à maintenir une précision sous-nanométrique dans les couches déposées sur la surface d’une plaquette de 300 mm de diamètre. Cela reviendrait à appliquer une couche d’un centimètre d’épaisseur sur l’ensemble de la surface de la Lune.

Un facteur important qui influe sur les couches déposées est la concentration des produits chimiques aux différentes étapes du procédé ALD. La quantité de produits chimiques dans chaque dose doit être extrêmement précise. Des vannes ALD haute pureté spéciales sont indispensables pour arrêter et lancer avec précision et constance l’écoulement de produits chimiques dans la chambre de réaction.

Caractéristiques à rechercher dans les vannes ALD

Compte tenu du fait que le procédé ALD comprend souvent plusieurs centaines d’étapes de dosage, les vannes de process sont très sollicitées – avec parfois plus d’un million de cycles par semaine. Par conséquent, la fiabilité de ces vannes est une nécessité absolue. Et comme ces vannes sont parfois l’élément du système qui va limiter le débit, la capacité et la constance sont deux facteurs potentiellement importants. La constance du débit d’une vanne à l’autre aura également de l’importance pour pouvoir reproduire le procédé avec précision ou pour préserver la stabilité du procédé lorsque des vannes ont été remplacées.

Compte tenu du fait que le procédé ALD comprend souvent plusieurs centaines d’étapes de dosage, les vannes de process sont très sollicitées – avec parfois plus d’un million de cycles par semaine. Par conséquent, la fiabilité de ces vannes est une nécessité absolue.

Le délai et la régularité de l’actionnement sont aussi des facteurs importants. Toute variation du temps de réponse de la vanne ayant une incidence sur la durée du dosage aura également une incidence sur le volume de la dose délivrée. Par exemple, un temps de réponse plus rapide à l’ouverture et plus lent à la fermeture augmente la durée du dosage. Pour un dosage d’une durée de 100 ms, un décalage de 3 ms de l’ouverture et de la fermeture peut augmenter de 6 % le volume de la dose, ce qui, dans de nombreuses applications ALD, aurait d’importantes répercussions sur le résultat du processus.

La vitesse d’actionnement en elle-même peut aussi contribuer à améliorer l’efficacité d’un procédé qui peut parfois nécessiter des centaines d’étapes de dosage. Un actionnement plus rapide aura pour effet de raccourcir chaque étape et, par conséquent, le processus dans son intégralité.

Il est également important de se rappeler que des vannes à débit élevé et constant et à actionnement rapide et reproductible ne sont utiles que si elles sont compatibles avec les produits chimiques délivrés et les températures du système de distribution. Dans de nombreux cas, en particulier dans le procédé ALD, les précurseurs chimiques peuvent se condenser ou se déposer sur des surfaces qui ne sont pas maintenues à une température suffisante, ce qui peut avoir des effets néfastes sur le procédé.

Considérations supplémentaires concernant le procédé ALD

La répétabilité du procédé ALD est clairement liée à la constance et à la précision des doses de produits chimiques utilisées, et tout ce qui peut entraîner une modification ou une différence dans ces doses entraînera une modification ou une différence dans le procédé associé. Tous les équipements qui interviennent dans le procédé ALD entre le produit chimique de base et la surface de la plaquette peuvent influer sur la dose de produit chimique délivrée, d’où l’importance de choisir des tubes et des raccords de qualité pour l’ensemble du système.

Enfin, le système d’actionnement pneumatique qui commande une vanne ALD joue un rôle important dans la vitesse de réaction et la constance de la vanne. La pression d’actionnement, la tolérance sur la vitesse d’actionnement, le diamètre des tubes d’alimentation et d’échappement d’air comprimé, les vannes de pilotage et même les raccords pneumatiques utilisés, peuvent tous avoir une incidence sur le délai d’actionnement des vannes de process – un point important dans tout procédé de dépôt par couche atomique. Une vanne ALD parfaitement constante ne suffit pas : le système pneumatique pour actionner cette vanne et, dans certains cas, les capteurs utilisés pour contrôler avec précision les délais d’actionnement sont également essentiels.

Comment les fabricants de semi-conducteurs et les fabricants de matériel pour le secteur peuvent-ils obtenir un procédé ALD fiable ?

Pour commencer, il est utile de travailler avec une équipe compétente qui comprend les difficultés associées au procédé ALD. Des fournisseurs et des consultants qui comprennent les problèmes inhérents au procédé de dépôt par couche atomique, et qui sont habitués à les résoudre, peuvent grandement contribuer à améliorer la précision et la constance de vos procédés.

Chez Swagelok, notre équipe a accompagné des clients de l’ensemble du secteur des semi-conducteurs au fil de l’évolution et de la maturation du procédé ALD, et nous sommes heureux de continuer à offrir notre assistance alors que cette évolution se poursuit. Vous souhaitez en savoir plus sur la manière dont vous pouvez améliorer vos procédés de dépôt par couche atomique avec des vannes et des configurations de système adaptées ? Nous travaillons continuellement à développer les solutions qui vont contribuer à la réussite des fabricants de semi-conducteurs. Parcourez notre gamme de produits ou contactez nos spécialistes des semi-conducteurs pour en savoir plus.

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