Maîtriser l'ALD des semi-conducteurs : Stratégies pour la précision et l'efficacité

Comment la bonne vanne peut améliorer la précision et la cohérence dans votre processus ALD

Masroor Malik, Responsable Marché Semi-conducteurs, Swagelok

Le défi de maximiser le débit combiné aux processus de plus en plus complexes et précis nécessaires pour fabriquer les dernières micropuces pousse les fabricants de semi-conducteurs à poursuivre des contrôles de process de plus en plus serrés. Atteindre des tolérances de performance plus étroites dans les processus de production tels que le dépôt de couche atomique (ALD) est essentiel pour optimiser les rendements de puces en production.

Cette précision dans le système de dosage et de livraison chimique est un élément critique d'un processus ALD optimalement productif. Et un système de contrôle de vanne bien conçu peut aider. Nous explorerons les raisons pourquoi, en commençant par un important dilemme que les scientifiques des semi-conducteurs ont rencontré — et surmonté — à un point charnière dans l'évolution continue de la technologie.

Brève histoire de l'industrie des semi-conducteurs

L'industrie des semi-conducteurs a démarré dans la Silicon Valley dans les années 1960, mais à la fin des années 1990, la communauté scientifique anticipait une barrière imminente à la progression de la loi de Moore — l'observation que le nombre de transistors par puce de silicium double tous les deux ans. Cela était associé aux limites techniques des couches diélectriques traditionnelles dans les dispositifs, et l'industrie savait qu'un matériau diélectrique pour remplacer le SiO₂ serait bientôt nécessaire.

C'était un défi parce que le SiO₂ était pratique à "faire croître" et maintenait une excellente précision et uniformité sur les wafers de silicium. Déposer un nouveau matériau diélectrique en utilisant des méthodes de dépôt plus traditionnelles comme CVD ou PVD ne serait pas facile.

C'est alors que le processus ALD est apparu comme une nouvelle façon d'appliquer de nouveaux matériaux avec des épaisseurs de film précises. Dans les premiers stades, il y avait quelques barrières majeures à l'entrée, y compris des taux de dépôt lents, mais au fil du temps l'industrie a développé des moyens plus efficaces d'implémenter l'ALD dans la fabrication de semi-conducteurs. Il est rapidement devenu clair que l'ALD deviendrait important pour l'avenir de la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, mais il y avait encore quelques défis de livraison chimique avec lesquels composer.

L'importance des vannes dans le processus ALD

Les fabricants de semi-conducteurs travaillent à maintenir une précision sub-nanométrique dans les films déposés sur la surface d'un wafer de 300 mm de diamètre. C'est l'équivalent à l'échelle d'appliquer une couche de 1 cm d'épaisseur sur toute la surface de la lune. Dans les dispositifs semi-conducteurs modernes, il ne faut que quelques atomes supplémentaires de variation pour influencer notablement la performance du dispositif.

Les fabricants de semi-conducteurs travaillent à maintenir une précision sub-nanométrique dans les films déposés sur la surface d'un wafer de 300 mm de diamètre. C'est l'équivalent à l'échelle d'appliquer une couche de 1 cm d'épaisseur sur toute la surface de la lune.

Un facteur majeur qui influence les couches déposées est la concentration de produits chimiques dans les étapes du processus de couche atomique. Cela nécessite une haute précision dans la quantité de produit chimique livrée pendant chaque dose. Des vannes ALD spécialisées de haute pureté sont une nécessité pour arrêter et démarrer l'écoulement de produits chimiques dans la chambre de process précisément et de manière cohérente.

Caractéristiques à rechercher dans les vannes ALD

Considérant qu'un processus ALD implique souvent des centaines d'étapes de dosage, les vannes de process voient beaucoup d'action — parfois plus d'un million de cycles par semaine. Ainsi, il y a un besoin de fiabilité de cycle très élevée. Et parce que les vannes de process fonctionnent parfois comme l'élément limitant le débit dans le système, la capacité de débit et la cohérence peuvent être importantes. La cohérence du débit de vanne à vanne peut aussi être importante pour atteindre l'appariement de process et maintenir un processus cohérent après le changement de vannes.

Considérant qu'un processus ALD implique souvent des centaines d'étapes de dosage, les vannes de process voient beaucoup d'action — parfois plus d'un million de cycles par semaine. Ainsi, il y a un besoin de fiabilité de cycle très élevée.

Le temps de réponse d'actionnement et la cohérence sont également importants — tout changement dans le temps de réponse de la vanne qui impacte la longueur de la dose impacte aussi le volume de la dose livrée. Par exemple, un temps de réponse d'ouverture de vanne plus rapide et un temps de réponse de fermeture plus lent augmentent la longueur de la dose. Pour un temps de dose de 100 millisecondes, un décalage de 3 millisecondes dans les temps d'ouverture et de fermeture peut augmenter le volume de dose de 6 %, ce qui dans de nombreuses applications de couche atomique serait assez significatif pour le résultat du processus.

La vitesse d'actionnement brute peut aussi aider à améliorer l'efficacité d'un processus qui peut parfois impliquer des centaines d'étapes de dosage. Un actionnement plus rapide peut signifier réduire le temps pour chaque étape, ce qui peut contribuer à une réduction significative du temps total de traitement.

Il est également important de se rappeler que les vannes avec un débit élevé et cohérent et un actionnement rapide et reproductible ne sont utiles que si elles sont compatibles avec les produits chimiques livrés et les températures du système de livraison. Dans de nombreux cas, particulièrement en ALD, les précurseurs chimiques peuvent 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 processus.

Considérations supplémentaires sur le processus ALD

La répétabilité du processus ALD est sans ambiguïté liée à la cohérence et à la précision des doses chimiques discrètes employées — et tout ce qui peut causer un changement ou une différence dans les doses chimiques causera un changement ou une différence dans le processus associé. Tout l'équipement de dépôt de couche atomique qui existe entre le produit chimique de base et la surface du wafer a le potentiel d'influencer la dose chimique, rendant important la sélection de tubage et raccords de haute qualité à travers tout le système.

Enfin, un système d'actionnement pneumatique qui contrôle une vanne de process joue un rôle important dans la définition de la vitesse et de la cohérence d'une vanne ALD. La pression d'actionnement et la tolérance, l'alimentation en air et la taille et les longueurs des tubages d'échappement, les vannes pilotes, et même les raccords pneumatiques utilisés peuvent tous impacter le timing de la vanne de process, ce qui est important dans tout processus de couche atomique. Une vanne de process ALD ultra-cohérente n'est pas suffisante à elle seule — un système pneumatique pour actionner la vanne et, dans certains cas, des capteurs pour surveiller avec précision la performance de timing de la vanne est aussi critique.

Comment les OEM et fabs peuvent atteindre une cohérence ALD fiable

Travailler avec une équipe compétente qui comprend les défis associés au processus ALD est une bonne première étape. Les fournisseurs et consultants qui comprennent les défis inhérents aux processus de couche atomique et qui ont de l'expérience à les résoudre peuvent aller loin vers l'amélioration de la précision et de la cohérence dans vos processus ALD.

Chez Swagelok, notre équipe a soutenu les clients tout au long de l'industrie des semi-conducteurs alors que les processus de couche atomique ont évolué et mûri au fil des ans, et nous sommes heureux de continuer à offrir notre assistance le long de ce voyage continu. Intéressé par en savoir plus sur comment la bonne technologie de vanne et les configurations de système peuvent aider à améliorer vos processus ALD ? Nous travaillons continuellement à développer les bonnes solutions pour préparer les fabs pour un succès continu. Parcourez notre portefeuille ou contactez nos spécialistes semi-conducteurs pour en savoir plus.