Les difficultés associées aux précurseurs de nouvelle génération

Gérer les difficultés associées aux gaz précurseurs de nouvelle génération dans la fabrication des semi-conducteurs

Auteur : Frank Horvat, chargé de recherche senior chez Swagelok

Alors que l’intelligence artificielle (IA) progresse de jour en jour, de nouvelles demandes apparaissent qui entraînent des changements majeurs dans le secteur des semi-conducteurs.

L’IA avancée nécessite une plus forte densité de calcul ainsi qu’une plus grande efficacité des données et exige de maîtriser les températures et de réduire la puissance. Ces évolutions entraînent des changements dans la fabrication des semi-conducteurs à l’échelle mondiale chez des acteurs majeurs comme Samsung, Micron ou TSMC, entre autres. En effet, les puces de nouvelle génération exigent désormais des circuits logiques sophistiqués et une mémoire étroitement intégrée pour alimenter la croissance exponentielle requise par les superordinateurs modernes.

Les fabricants d’outils pour le secteur des semi-conducteurs ont réagi en proposant des équipements de nouvelle génération conçus pour répondre aux spécifications de puces qui ne cessent d’évoluer, tandis que les fournisseurs de produits chimiques continuent de progresser dans le domaine des précurseurs et des technologies nécessaires pour acheminer ces gaz. Plus précisément, des films barrières, diélectriques, conducteurs à l’échelle atomique sont maintenant déposés sur des transistors en 3D complexes et des structures à rapport d’aspect élevé.

Obtenir un film uniforme sur ces formes complexes introduit de nouvelles difficultés dans le procédé de dépôt par couche atomique (ALD), ce qui oblige les professionnels du secteur à sans cesse renouveler la composition des gaz précurseurs pour rester en phase avec des conditions de procédé et des formulations chimiques qui évoluent constamment. Dans cet article de blog, nous aborderons les précurseurs à pression de vapeur élevée et faible, les difficultés associées à la conception des systèmes, les problèmes de contamination et de rendement, ainsi que la nécessité pour les diverses parties concernées de collaborer étroitement.

Optimiser les procédés ALD

Les précurseurs à pression de vapeur élevée et faible

• Les précurseurs à pression de vapeur élevée comme le triméthylaluminium (TMA) ou le diéthylzinc (DEZ) se vaporisent à température ambiante ou à une température proche de la température ambiante. Ils peuvent donc être facilement acheminés dans des lignes de gaz vers la chambre de réaction.
• En revanche, les précurseurs à faible pression de vapeur comme le chlorure de hafnium (HfCl₄), le chlorure de tantale (TaCl₅) ou le chlorure de molybdène (MoCl₅) nécessitent des températures élevées (> 150°C) pour obtenir une sublimation. En règle générale, ces faibles pressions obligent à utiliser un gaz porteur ou un gaz de poussée pour faciliter l’acheminement du précurseur vers la chambre de réaction pour chaque cycle de dépôt. Les précurseurs à faible pression de vapeur nécessitent souvent des temps d’impulsion plus longs ou des débits de gaz porteur plus élevés pour couvrir la surface correctement. De nouvelles réductions de la taille des transistors ont également nécessité d’adapter le molybdène aux interconnexions, aux contacts et aux formes à rapport d’aspect élevé au sein des structures semi-conductrices en raison des limites liées à taille du cuivre et du tungstène. Le molybdène conserve une résistivité bien moindre et est beaucoup plus fiable à ces nanomatériaux.

Ces comportements différents peuvent avoir une incidence sur les impulsions des vannes, en particulier lorsque les volumes produits sont importants. Par exemple, le débit de gaz précurseur est sensible à l’ouverture et à la fermeture d’une vanne pneumatique en fonctionnement normal. Pour les précurseurs à pression de vapeur élevée, une durée d’ouverture courte (< 100 ms) est généralement suffisante, ce qui permet de raccourcir les cycles et d’augmenter la production. Cependant, ces précurseurs peuvent entraîner des pics de pression et des dépassements du seuil de pression, d’où la nécessité d’une synchronisation précise de la temporisation et d’une harmonisation des coefficients de débit (C_v) des vannes.

Pour atteindre une cadence élevée, il faut trouver le bon équilibre entre volatilité des précurseurs, durée des impulsions et conductance des vannes.

À l’inverse, les précurseurs à faible pression de vapeur nécessitent généralement des temps d’actionnement plus longs et une gestion précise de la température pour maintenir la stabilité de la vapeur. Par conséquent, pour atteindre une cadence élevée, il faut trouver le bon équilibre entre volatilité des précurseurs, durée des impulsions et conductance des vannes.

Surmonter les difficultés liées à la conception des systèmes

Compte tenu des contraintes du procédé, les ingénieurs en semi-conducteurs doivent gérer avec soin les multiples paramètres du système qui influent sur les performances des vannes ALD afin de préserver la stabilité, la reproductibilité et l’uniformité du film. Ces paramètres sont les suivants :

Débit et temporisation de l’actionnement des vannes :

Le procédé de dépôt par couche atomique se déroule généralement dans un environnement caractérisé par un vide poussé, dans lequel les précurseurs à faible pression de vapeur sont attirés vers la chambre de réaction. S’agissant de l’acheminement des précurseurs, deux variables utilisées par les équipementiers sont importantes : le coefficient de débit des vannes (C_v) et la conductance du système (C).

Le coefficient de débit (C_v) est un paramètre d’écoulement qui correspond au débit pouvant traverser une vanne pour une chute de pression (dP) donnée. Ce paramètre permet aux fabricants de déterminer le débit de gaz qui traverse une vanne. Lorsqu’il est associé à une temporisation précise, il permet d’obtenir un dosage très fiable des précurseurs.

La conductance (C) est utilisée dans un système sous vide pour décrire la facilité avec laquelle les molécules de fluide peuvent se déplacer dans le système. Ce paramètre est essentiel pour déterminer le temps nécessaire à un précurseur pour s’écouler d’une vanne vers une chambre de réaction, ce qui devient primordial lorsque l’on veut produire des volumes importants.

 

La temporisation de l’actionnement est ici un facteur capital. Un écart de quelques millisecondes peut considérablement modifier la masse de précurseurs injectée dans la chambre de réaction et la dose totale de précurseurs par cycle. Par ailleurs, des variations dans les délais d’ouverture et de fermeture, la vitesse de réaction des vannes et la synchronisation des vannes peuvent nuire à l’uniformité du film et entraîner une saturation incomplète de la surface, entre autres problèmes. Par conséquent, il est indispensable d’harmoniser les C_v des vannes et de synchroniser celles-ci à moins d’une milliseconde près sur plusieurs lignes de précurseurs pour obtenir un procédé reproductible et préserver la fiabilité du dosage au niveau atomique (contrôle de la dose). Un outil comme le calculateur de C_v  de Swagelok peut être très utile dans ces situations.

Contrôle de la dose :

Un contrôle précis des doses de précurseurs est indispensable pour obtenir une croissance rapide du film et un rendement élevé du procédé de fabrication des galettes semi-conductrices. Le procédé de dépôt par couche atomique repose sur la capacité de fournir un nombre précis et reproductible de précurseurs pour induire des réactions de surface automodératrices. Lorsque le dosage des gaz est bien contrôlé, la croissance du film à chaque cycle reste stable, prévisible et indépendante de la géométrie. Cela permet de contrôler l’épaisseur, la conformité et l’uniformité nécessaires pour les nouvelles puces de pointe qui intègrent des rapports d’aspect extrêmes. À l’inverse, une dose insuffisante peut entraîner une saturation incomplète de la surface et une croissance non uniforme du film, tandis qu’une dose excessive peut entraîner des réactions en phase gazeuse, un comportement indésirable semblable à un dépôt chimique en phase vapeur, une production accrue de particules et un usage peu rentable des précurseurs.

Alors que la taille des puces continue de diminuer et que la forme des transistors se complexifie, la tolérance sur les doses de précurseurs se réduit considérablement. De petits écarts dans la masse des précurseurs injectés dans la chambre de réaction, quelle qu’en soit la cause – débit des vannes (C_v), variation de la pression de vapeur, instabilité de la température, effets de la conductance des lignes (C) ou imprécision des temporisations –, se traduisent par des modifications mesurables dans les propriétés électriques, la composition et l’épaisseur du film d’une galette à l’autre et d’un outil à l’autre. Dans un environnement de fabrication aux volumes de production élevés, ces variations se combinent, ce qui a une incidence sur l’harmonisation des outils, le transfert des process et la stabilité à long terme. Un contrôle rigoureux des doses réduit donc la variabilité d’une galette à l’autre et permet d’uniformiser la production d’une chambre à l’autre.

Uniformité de la température :

Une répartition uniforme de la température dans les réservoirs de précurseurs, les lignes de distribution et les vannes est capitale pour éviter la condensation et une décomposition chimique prématurée. Une répartition non uniforme de la chaleur peut entraîner des dépôts localisés qui vont nuire aux performances des vannes et contaminer les doses suivantes.

Résistance à la corrosion et problèmes de rendement :

L’autre point à prendre en compte dans la conception d’un système destiné à la fabrication de semi-conducteurs est le choix des matériaux. Les précurseurs de nouvelle génération peuvent être très corrosifs pour des matériaux non compatibles, un point dont les concepteurs de systèmes doivent avoir conscience au moment d’acquérir des composants critiques comme les vannes. Même les plus petites particules peuvent avoir des conséquences catastrophiques pour le procédé de fabrication des semi-conducteurs.

Même les plus petites particules peuvent avoir des conséquences catastrophiques pour le procédé de fabrication des semi-conducteurs.

Cela est particulièrement vrai pour les nœuds semi-conducteurs de très petite taille produits aujourd’hui. Pour ces raisons, il devient de plus en plus nécessaire d’utiliser des vannes et des composants fabriqués dans des matériaux adaptés (l’Hastelloy, par exemple), qui sont moins susceptibles de se détériorer prématurément, si l’on veut prolonger la durée de vie des vannes et assurer la disponibilité des systèmes.

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Les professionnels des semi-conducteurs font aujourd’hui face à des défis multiples et leur réussite nécessite plus que jamais une collaboration, de l’innovation et un apprentissage continu. Chez Swagelok, nous sommes prêts à vous aider. Nous avons l’expérience et l’expertise dont les professionnels ont besoin et nous nous attachons à partager nos connaissances, tout en proposant une gamme complète de composants ultraperformants pour les applications les plus exigeantes du secteur des semi-conducteurs, partout dans le monde.

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