如何优化半导体 ALD 工艺

合适的阀门如何提高 ALD 工艺的准确性和一致性

Masroor Malik，世伟洛克半导体市场经理

最大化产量的挑战与制造最新微芯片所需的日益复杂和精确的工艺相结合，正在推动半导体制造商追求越来越严格的工艺控制。在原子层沉积 (ALD) 等生产过程中实现更窄的性能公差对于优化生产芯片良率至关重要。

化学计量和输送系统的这种精度是优化生产 ALD 工艺的关键要素。精心设计的阀门控制系统可以提供帮助。我们将从半导体科学家在技术持续发展的关键点遇到并克服的一个重要难题开始探讨其中的原因。

半导体行业简史

半导体行业于 1960 年代在硅谷起步，但到 1990 年代后期，科学界预计摩尔定律的进展将面临一个迫在眉睫的障碍——观察到每个硅芯片的晶体管数量每两年翻一番。这与器件中传统介电层的技术限制有关，业界知道很快就会需要一种介电材料来替代 SiO2。

这是一个挑战，因为 SiO2 便于“生长”并在硅晶片上保持出色的精度和均匀性。使用更传统的沉积方法（如 CVD 或 PVD）沉积新的介电材料并不容易。

就在那时，ALD 工艺作为一种新颖的方法出现了，可以应用具有精确薄膜厚度的新材料。在早期阶段，有一些主要的进入障碍，包括缓慢的沉积速率，但随着时间的推移，该行业开发了更有效的方法来在半导体制造中实施 ALD。很快就清楚，ALD 将对半导体器件制造的未来变得重要，但仍然存在一些需要应对的化学品输送挑战。

阀门在 ALD 工艺中的重要性

半导体制造商正在努力在直径为 300 毫米的晶圆上保持亚纳米级沉积膜的精度。这相当于在月球的整个表面上涂上 1 厘米厚的层。在现代半导体器件中，只需要一些额外的变异原子就能显着影响器件的性能。

半导体制造商正在努力在直径为 300 毫米的晶圆上保持亚纳米级沉积膜的精度。这相当于在整个月球表面涂上 1 厘米厚的层。

影响沉积层的一个主要因素是原子层工艺步骤中化学物质的浓度。这需要在每次给药期间输送的化学品量具有高精度。专用的高纯度 ALD 阀是准确、一致地停止和启动化学品流入工艺室的必要条件。

寻找 ALD 阀的特性

考虑到 ALD 工艺通常涉及数百个计量步骤，工艺阀会执行很多操作 - 有时每周超过一百万个循环。因此，需要非常高的循环可靠性。而且由于过程阀有时充当系统中的限流元件，因此流量和一致性可能很重要。从阀门到阀门的流量一致性对于实现过程匹配和在阀门更换后保持一致的过程也很重要。

考虑到 ALD 工艺通常涉及数百个计量步骤，工艺阀会执行很多操作 - 有时每周超过一百万个循环。因此，需要非常高的循环可靠性。

驱动响应时间和一致性也很重要——影响剂量长度的阀门响应时间的任何变化也会影响输送剂量的体积。例如，较快的阀门打开响应时间和较慢的关闭响应时间会增加剂量长度。对于 100 毫秒的剂量时间，打开和关闭时间 3 毫秒的偏移可以增加 6% 的剂量体积，这在许多原子层应用中对工艺结果非常重要。

原始驱动速度还有助于提高有时可能涉及数百个计量步骤的过程的效率。更快的驱动可能意味着减少每个步骤的时间，这有助于显着减少总处理量 时间。

同样重要的是要记住，具有高、一致流量和快速、可重复驱动的阀门只有在它们与所输送的化学品和输送系统的温度兼容时才有用。在许多情况下，特别是在 ALD 中，化学前体会凝结或沉积在未保持足够温度的表面上，这会对工艺产生不良影响。

其他 ALD 工艺注意事项

ALD 工艺的可重复性与所采用的离散化学剂量的一致性和准确性明确相关——任何可能导致化学剂量变化或差异的事物都会导致相关工艺发生变化或差异。存在于基础化学品和晶圆表面之间的所有原子层沉积设备都有可能影响化学品剂量，因此在整个系统中选择高质量的管材和配件非常重要。

最后，控制过程阀的气动驱动系统在定义 ALD 阀的速度和一致性方面起着重要作用。驱动压力和公差、供气和排气管的尺寸和长度、导阀，甚至使用的气动接头都会影响工艺阀门的正时，这在任何原子层工艺中都很重要。仅靠一个超稳定的 ALD 工艺阀是不够的——一个气动系统来操作阀门，在某些情况下，精确监控阀门正时性能的传感器也很关键。

OEM 和 Fab 如何实现可靠的 ALD 一致性

与了解与 ALD 流程相关的挑战的知识渊博的团队合作是很好的第一步。了解原子层流程固有挑战并具有解决这些挑战的经验的供应商和顾问可以大大提高 ALD 流程的准确性和一致性。

在世伟洛克，随着原子层工艺多年来的发展和成熟，我们的团队一直在为整个半导体行业的客户提供支持，我们很高兴在这一持续的旅程中继续提供帮助。有兴趣详细了解正确的阀门技术和系统配置如何帮助改进您的 ALD 工艺？我们一直在努力开发正确的解决方案，以帮助建立晶圆厂以取得持续成功。浏览我们的产品组合或与我们的半导体专家联系以了解更多信息。