Comment optimiser les processus ALD des semi-conducteurs

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

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

Le défi de maximiser le débit combiné aux processus de plus en plus complexes et précis nécessaires à la fabrication de la dernière micropuce pousse les fabricants de semi-conducteurs à poursuivre des contrôles de processus de plus en plus stricts. 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 des puces de production.

Cette précision dans le système de dosage et de distribution de produits chimiques est un élément essentiel d'un processus ALD à productivité optimale. Et un système de contrôle des soupapes bien conçu peut aider. Nous explorerons les raisons pour lesquelles, en commençant par une importante énigme que les scientifiques des semi-conducteurs ont rencontrée - et surmontée - à un moment charnière de l'évolution continue de la technologie.

Une brève histoire de l'industrie des semi-conducteurs

L'industrie des semi-conducteurs a fait ses débuts dans la Silicon Valley dans les années 1960, mais à la fin des années 1990, la communauté scientifique anticipait un obstacle imminent à la progression de la loi de Moore - l'observation selon laquelle 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 appareils, et l'industrie savait qu'un matériau diélectrique pour remplacer le SiO₂ serait bientôt nécessaire.

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

C'est alors que le procédé ALD est apparu comme une nouvelle façon d'appliquer de nouveaux matériaux avec des épaisseurs de film précises. Au début, il y avait des obstacles majeurs à l'entrée, notamment des taux de dépôt lents, mais au fil du temps, l'industrie a développé des moyens plus efficaces pour mettre en œuvre 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 à semi-conducteurs, mais il y avait encore des problèmes de livraison de produits chimiques avec lesquels faire face.

L'importance des vannes dans le processus ALD

Les fabricants de semi-conducteurs s'efforcent de maintenir une précision inférieure au nanomètre dans les films déposés sur la surface d'une tranche de 300 mm de diamètre. C'est l'équivalent à l'échelle de l'application d'une couche de 1 cm d'épaisseur sur toute la surface de la lune. Dans les dispositifs à semi-conducteurs modernes, il suffit de quelques atomes de variation supplémentaires pour influencer sensiblement les performances du dispositif.

Les fabricants de semi-conducteurs s'efforcent de maintenir une précision inférieure au nanomètre dans les films déposés sur la surface d'une plaquette de 300 mm de diamètre. C'est l'équivalent à l'échelle de l'application d'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 la couche atomique. Cela nécessite une grande précision dans la quantité de produit chimique délivrée lors de chaque dose. Les vannes ALD spécialisées de haute pureté sont une nécessité pour arrêter et démarrer le flux de produits chimiques dans la chambre de traitement avec précision et cohérence.

Caractéristiques à rechercher dans les vannes ALD

Considérant qu'un processus ALD implique souvent des centaines d'étapes de dosage, les vannes de processus voient beaucoup d'action, parfois plus d'un million de cycles par semaine. Ainsi, il existe un besoin pour une fiabilité de cycle très élevée. Et parce que les vannes de procédé fonctionnent parfois comme élément limitant le débit dans le système, la capacité et la cohérence du débit peuvent être importantes. L'homogénéité du débit d'une vanne à l'autre peut également être importante pour obtenir l'adaptation du processus et maintenir un processus cohérent après le changement des vannes.

Étant donné qu'un processus ALD implique souvent des centaines d'étapes de dosage, les vannes de processus voient beaucoup d'action, parfois plus d'un million de cycles par semaine. Ainsi, il existe un besoin pour une fiabilité de cycle très élevée.

Le temps de réponse et la cohérence de l'actionnement sont également importants - tout changement dans le temps de réponse de la valve qui a un impact sur la longueur de la dose a également un impact le volume de la dose délivrée. Par exemple, un temps de réponse d'ouverture de vanne plus rapide et un temps de réponse de fermeture plus lent augmentent la durée 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 important pour le résultat du processus.

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

Il est également important de se rappeler que les 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, notamment en 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 processus.

Considérations supplémentaires sur le processus ALD

La répétabilité du processus ALD est liée sans ambiguïté à la cohérence et à la précision des doses chimiques discrètes utilisées - et tout ce qui peut provoquer un changement ou une différence dans les doses chimiques entraînera un changement ou une différence dans le processus associé. Tous les équipements de dépôt de couche atomique qui existent entre le produit chimique de base et la surface de la plaquette ont le potentiel d'influencer la dose chimique, ce qui rend important de sélectionner des tubes et des raccords de haute qualité dans l'ensemble du système.

Enfin, un système d'actionnement pneumatique qui contrôle une vanne de procédé joue un rôle important dans la définition de la vitesse et de la cohérence d'une vanne ALD. La pression et la tolérance d'actionnement, la taille et la longueur des tuyaux d'alimentation en air et d'échappement, les vannes pilotes et même les raccords pneumatiques utilisés peuvent tous avoir un impact sur le calage des vannes de processus, ce qui est important dans tout processus de couche atomique. Une vanne de procédé ALD ultra-cohérente ne suffit pas à elle seule ; un système pneumatique pour faire fonctionner la vanne et, dans certains cas, des capteurs pour surveiller avec précision les performances de synchronisation de la vanne sont également essentiels.

Comment les équipementiers et les fabricants peuvent-ils 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 les consultants qui comprennent les défis inhérents aux processus de couche atomique et qui ont de l'expérience pour les résoudre peuvent grandement contribuer à améliorer la précision et la cohérence de vos processus ALD.

Chez Swagelok, notre équipe a soutenu des clients dans l'ensemble 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 tout au long de ce parcours continu. Vous souhaitez en savoir plus sur la manière dont la bonne technologie de vanne et les bonnes configurations de système peuvent vous aider à améliorer vos processus ALD ? Nous travaillons en permanence pour développer les bonnes solutions pour aider à mettre en place des fabs pour un succès continu. Parcourez notre portefeuille ou contactez nos spécialistes des semi-conducteurs pour en savoir plus.