Современные прекурсоры для полупроводников и сопутствующие им трудности

Особенности использования газов-прекурсоров нового поколения в полупроводниковой промышленности

Автор: Фрэнк Хорват, доктор наук, старший научный сотрудник Swagelok

Развитие искусственного интеллекта (AI) ускоряется, что приводит к появлению новых требований, которые серьезно меняют полупроводниковую отрасль.

Системы ИИ нуждаются в более высокой вычислительной плотности, эффективной работе с данными, отводе тепла и оптимизации энергопотребления. Данные факты приводят к изменениям в мировом производстве полупроводников у ведущих игроков, как Samsung, Micron, TSMC и других, поскольку устройства нового поколения требуют передовых логических схем и тесно интегрированной памяти для обеспечения роста, необходимого современным ИИ-суперкомпьютерам.

OEM-производители оборудования для полупроводников реагируют на такие изменения, внедряя новое поколение устройств и механизмов, тогда как поставщики химии продолжают развивать составы прекурсоров и технологии их доставки. В частности, на сложные 3-х мерные формы транзисторов и структуры с высоким аспектным отношением осаждаются атомарно тонкие, диэлектрические, проводящие и барьерные пленки.

Обеспечение равномерного покрытия пленкой на сложных геометриях создает дополнительные трудности в процессе ALD, вследствие чего специалистам отрасли необходимо постоянно внедрять новые составы прекурсоров, соответствующие технологическим требованиям. В этом блоге мы рассмотрим прекурсоры с высоким и низким давлением насыщенного пара, сопутствующие трудности проектирования систем, вопросы загрязнения и выхода годной продукции, а также роль сотрудничества между участниками процесса.

Оптимизация процессов атомно-слоевого осаждения (ALD)

Исследование прекурсоров с высоким и низким давлением пара

• Прекурсоры с высоким давлением насыщенного пара, включая триметилалюминий (TMA) и диэтилцинк (DEZ), переходят в паровую фазу при комнатной температуре и легко подаются по газовым линиям в реакционную камеру.
• Напротив, прекурсоры с низким давлением пара, такие как хлорид гафния (HfCl₄), хлорид тантала (TaCl₅) и хлорид молибдена (MoCl₅), требуют нагрева свыше 150° C для сублимации. Обычно при столь низких давлениях необходим газ-носитель, который обеспечивает перенос прекурсора в реакционную камеру на каждом цикле осаждения. Прекурсоры с низким давлением пара часто требуют увеличенного времени импульса или более высокого расхода газа-носителя для обеспечения корректного покрытия поверхности. Дальнейшая миниатюризация транзисторов обусловила необходимость применения молибдена для межсоединений, контактов и геометрий с большим отношением сторон в полупроводниковых структурах ввиду физических ограничений меди и вольфрама. Молибден сохраняет значительно более низкое эффективное удельное сопротивление и обеспечивает лучшую надежность в условиях наноразмерных структур.

Такие различия в характеристиках могут сказываться на импульсной работе клапанов, особенно в условиях массового производства. Например, расход прекурсора в штатном режиме эксплуатации зависит от того, как открывается и закрывается пневматический клапан. Для прекурсоров с высоким давлением насыщенного пара, как правило, достаточно кратковременного открытия клапана (< 100 мс), что позволяет сократить цикл и увеличить производительность. В то же время такие прекурсоры могут вызывать перерасход и скачки давления, что требует точной синхронизации и подбора одинаковых коэффициентов C_v для клапанной арматуры.

Высокая производительность достигается за счет оптимального баланса между летучестью прекурсора, длительностью импульса и характеристик клапана.

Напротив, прекурсоры с низким давлением пара обычно требуют увеличенного времени срабатывания и точного температурного контроля для поддержания стабильности пара. В результате высокая производительность достигается за счет оптимального баланса между летучестью прекурсора, длительностью импульса и характеристик клапана.

Решение задач при проектировании систем

Учитывая ограниченные технологические окна, инженеры полупроводниковой отрасли должны тщательно контролировать множество параметров системы, влияющих на работу клапанов ALD, чтобы обеспечить стабильность, повторяемость и равномерность пленки. К таким параметрам относятся:

Пропускная способность клапана и время срабатывания:

Процесс атомно-слоевого осаждения происходит в условиях высокого вакуума, где прекурсоры с низким давлением насыщенного пара втягиваются в реакционную камеру. Существуют два ключевых параметра, используемых OEM-производителями для транспортировки прекурсоров: коэффициент расхода клапана (C_v) и проводимость системы (C).

C_v (коэффициент расхода) – это параметр, используемый для определения пропускной способности клапана при заданном перепаде давления (dP). Данная характеристика позволяет определять расход газа через клапан и, в сочетании с точным временем срабатывания клапана обеспечивает высокую точность дозирования прекурсоров.

C (проводимость системы) в вакуумных системах характеризует, насколько свободно поток (молекулы) перемещается через систему. Данный параметр имеет ключевое значение при расчете времени перемещения прекурсора от клапана до реакционной камеры, что особенно актуально в условиях массового производства (HVM).

 

Здесь ключевым фактором является временная характеристика срабатывания клапана. Даже отклонения в несколько миллисекунд могут значительно повлиять на массу прекурсора, подаваемую в реакционную камеру, и его суммарную дозу за цикл. Помимо этого, различия в задержках открытия и закрытия, скорости отклика и синхронизации клапана могут приводить к неравномерности пленки, неполному насыщению поверхности и другим технологическим дефектам. Таким образом, согласование C_v и управление синхронизацией клапанов по нескольким линиям подачи прекурсоров имеют решающее значение для воспроизводимости процесса и точного атомарного дозирования. В подобных ситуациях может быть весьма полезен калькулятор C_v  от Swagelok.

Контроль дозирования:

Важный аспект процесса ALD, обеспечивающий требуемые характеристики роста пленки и выход годных пластин. Процесс ALD требует подачу строго дозированного и воспроизводимого количества прекурсоров для самоограничивающихся реакций на поверхности. При точном контроле дозирования газа рост пленки за цикл является стабильным, предсказуемым и не зависит от геометрии элементов. Это обеспечивает контроль толщины, конформность и равномерность, необходимые для современных архитектур устройств с экстремальными аспектными отношениями. С другой стороны, малый объем дозы приводит к неполному насыщению поверхности и неравномерному росту пленки, а чрезмерный – к газофазным реакциям, нежелательным эффектам типа CVD, увеличению количества частиц и неэффективному расходу прекурсора.

С уменьшением размеров устройств и ростом сложности геометрии транзисторов допуски на вариации дозирования становятся значительно более строгими. Даже малые отклонения в массе подаваемого прекурсора, обусловленные коэффициентом C_v, дрейфом давления пара, нестабильной температурой, проводимостью линий (C) или ошибками синхронизации, приводят к заметным изменениям толщины пленки, состава и электрических свойств на уровне пластин и оборудования. В условиях массового производства такие отклонения накапливаются и влияют на согласованность процессов и долгосрочную устойчивость. Таким образом, эффективный контроль дозирования снижает вариабельность между пластинами и обеспечивает точное соответствие режимов камер.

Температурная однородность:

Однородное температурное поле в емкостях с прекурсорами, линиях подачи и клапанной арматуре является ключевым фактором для предупреждения конденсации и раннего химического разложения. Неравномерный нагрев может приводить к локальному осаждению, что негативно влияет на работу арматуры и загрязняет последующие дозы.

Коррозионная стойкость и проблема выхода годных изделий:

Проектирование ALD-систем для полупроводников учитывает такой дополнительный аспект, как выбор материалов. Прекурсоры нового поколения могут вызывать интенсивную коррозию несовместимых материалов, поэтому разработчикам необходимо тщательно подбирать ответственные компоненты, например клапаны. Даже крохотные частицы представляют серьезную угрозу для процесса изготовления полупроводников.

Даже крохотные частицы представляют серьезную угрозу для процесса изготовления полупроводников.

Это особенно актуально для современных технологических узлов с малыми размерами элементов, более подверженных дефектам. Таким образом, клапаны и компоненты из альтернативных материалов (Hastelloy), менее подверженных преждевременному износу, становятся необходимыми для продления срока службы клапанов и обеспечения надежной работы системы.

***

Специалисты полупроводниковой отрасли сталкиваются с широким спектром задач, где успех определяется сотрудничеством, инновациями и непрерывным обучением, и в Swagelok мы готовы помочь. Мы располагаем необходимым опытом и компетенциями в области полупроводников, и готовы делиться знаниями, а также предлагать полный ассортимент изделий высокого качества для реализации самых сложных локальных и международных проектов.

Ускорьте развитие ваших полупроводниковых процессов. Обратитесь в Swagelok.

Контактная информация