半導体ALDプロセスを最適化するには

適切なバルブを使用してALDプロセスの精度および一貫性を向上させるには

Masroor Malik、半導体マーケット担当マネジャー、スウェージロック

スループットの最大化という課題に加えて、最新のマイクロチップ製造に必要なプロセスが複雑化および精密化の一途をたどっている昨今、半導体 メーカーはますます厳格なプロセス制御を追求するようになっています。原子層蒸着（ALD）などの製造プロセスにおいて、プロセス性能の変動幅をより小さくすることは、製造デバイスの歩留まりを最適化する上で欠かせません。

この成膜材料供給システムの精度は、生産性の高いALDプロセスにおいて重要な要素です。そして、優れた設計のバルブ制御システムであれば、それをサポートすることが可能です。今回は、技術の進化の過程における重要なポイントにおいて、半導体研究者が直面し、克服してきた難問から、その理由を探っていきます。

ALD技術について

半導体産業の変遷

半導体産業は、1960年代にシリコン・バレーで産声を上げましたが、1990年代後半になると、研究者は「ムーアの法則」（シリコン・デバイス1個あたりのトランジスタの数が2年ごとに倍増するという経験則）の進行がやがて鈍化すると予期していました。これは、デバイスにおける従来の誘電体層の技術的限界と関連するもので、業界はSiO₂ （二酸化ケイ素）に代わる誘電体材料がすぐに必要になるであろうと認識していました。

これはひとつの挑戦でした。というのは、SiO₂ は「成長」させて、シリコン・ウエハ上で優れた精度や均一性を維持するのに便利だからです。CVD（化学気相成長）やPVD（物理気相成長）といった従来の蒸着方法を使用して新しい誘電体材料の蒸着を行うのは、容易ではありませんでした。

そこで、新しい材料を正確な厚さで成膜するための新たな方法として登場したのが、ALDプロセスです。当初こそ蒸着速度が遅いといった大きな技術的課題があったものの、時がたつにつれて、半導体製造にALDをより効果的に活用する方法が開発されました。ALDが今後の半導体デバイス製造において重要な役割を果たすことは明らかでしたが、成膜材料供給に関する課題が残されていました。

ALDプロセスにおけるバルブの重要性

半導体製造では、直径300 mmのウェハ上にサブナノメートルの精度で蒸着膜を維持するよう取り組んでいます。これは、月の表面全体に1 cmの厚さで成膜するのに相当します。現代の半導体デバイスでは、わずか数個の原子の誤差が、デバイスのパフォーマンスに大きな影響を与えることになります。

半導体製造では、直径300 mmのウェハ上にサブナノメートルの精度で蒸着膜を維持するよう取り組んでいます。
これは、月の表面全体に1 cmの厚さで成膜するのに相当します。

蒸着膜に影響を与える大きな要因として、原子層プロセス中の成膜材料濃度が挙げられます。つまり、成膜材料の各供給量には、高い精度が求められます。プロセス・チャンバーへの成膜材料の流れを正確かつ一貫して停止／開始させるためには、専用の高純度用ALDバルブ が欠かせません。

ALDバルブに求められる特性

ALDプロセスでは、1回のプロセス中に成膜材料供給を数百ステップ繰り返すことも少なくないため、プロセス・バルブは多くの動作（時には週100万サイクル以上）を経験することになります。そのため、非常に高いサイクル信頼性が求められます。また、プロセス・バルブはシステムの流れを制限する役割を担う場合もあるため、流量および一貫性が重要になることもあります。また、バルブ間の流れの一貫性は、プロセス・マッチングを実現し、バルブ交換後も一貫したプロセスを維持する上でも重要です。

ALDプロセスでは、1回のプロセス中に成膜材料供給を数百ステップ繰り返すことも少なくないため、プロセス・バルブは多くの動作（時には週100万サイクル以上）を経験することになります。そのため、非常に高いサイクル信頼性が求められます。

作動のレスポンス・タイム（応答時間）および一貫性も重要です。バルブのレスポンス・タイム（応答時間）が変化すると、供給時間ばかりか、供給量にも影響するためです。例えば、バルブのオープン・レスポンス・タイム（応答時間）が速く、クローズ・レスポンス・タイム（応答時間）が遅いと、供給時間が長くなることになります。100ミリ秒の供給時間の場合、開閉時間が3ミリ秒ずれると、供給量が6%増える可能性があります。これは、大半の原子層アプリケーションにおいて、プロセスの結果に対して非常に大きな影響が及ぶことになります。

また、作動スピードが向上すると、時に数百ステップの材料供給を含むこともあるプロセスの効率化にもつながります。作動が速くなると、各手順に要する時間が短くなるため、総プロセス時間を大幅に短縮できる可能性があります。

また、大流量かつ安定した流量、高速かつ再現性の高い作動が可能なバルブは、供給する成膜材料や供給システムの温度に適合している場合にのみ有効であることも覚えておきましょう。大半の場合、特にALDでは、成膜材料プリカーサーが十分な温度に維持されていない表面で凝縮したり、蒸着したりすると、プロセスに悪影響が及ぶおそれがあります。

ALDプロセスに関するその他の考慮事項

ALDプロセスの再現性は、使用する各成膜材料の供給量の一貫性および精度に明確に関連しています。そして、成膜材料の供給量に変化や差が生じると、関連するプロセスにも変化や差が生じることになります。成膜材料をウェハ表面まで供給するすべての原子層蒸着装置は、材料供給に影響を与えるため、、システム全体にわたって高品質の チューブ や 継手 を選定することが重要です。

最後に、プロセス・バルブを制御する空気作動式システムは、ALDバルブの速度や一貫性を定義する上で重要な役割を担っています。作動圧力とその変動、給排気チューブのサイズや長さ、パイロット・バルブ、さらには使用する空気作動式継手はすべて、原子層プロセスにおいて重要なプロセス・バルブのタイミングに影響を与える可能性があります。極めて一貫性に優れたALDプロセス・バルブだけでは十分ではありません。バルブを操作する空気作動式システム、そして場合によっては、バルブのタイミングのパフォーマンスを正確にモニタリングするセンサーも重要です。

装置メーカーや製造業者が信頼性の高いALDの一貫性を達成するには

まずは、ALDプロセスに関連する課題を熟知している知識豊富なチームと協力することをお勧めします。原子層プロセス特有の課題を理解し、それを解決した経験を持つサプライヤーやコンサルタントは、ALDプロセスの精度および一貫性を高める上で大きな力となります。

スウェージロックは、長年にわたる原子層プロセスの進化および成熟に伴い、半導体業界のお客さまをサポートしてきました。そして今後もその歩みを支援していく所存です。適切なバルブ技術やシステム構成がいかにALDプロセスの改善に役立つか、興味がございますか？スウェージロックは、半導体製造において継続的に成功を収めるための適切なソリューションの開発に取り組んでいます。スウェージロック製品のラインアップをご覧いただくか、半導体専門スタッフまでお問い合わせください。

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