新一代半导体前驱体及其面临的挑战

破解半导体制造中新一代前驱体气体的复杂难题

作者：Frank Horvat 博士，世伟洛克公司高级科学家

人工智能 (AI) 技术日趋先进，全新需求正推动半导体行业发生重大变革。

先进 AI技术对计算密度、数据处理效率、热管理能力及功耗控制提出了更高要求。这些趋势正推动三星、美光、台积电等全球半导体制造龙头企业加速变革，新一代器件现需搭载先进逻辑芯片和高度集成存储芯片，才能支撑现代 AI 超级计算机所需的指数级算力增长。

半导体原始设备制造商 (OEM) 纷纷推出适配最新器件规格的新一代设备；与此同时，化学材料供应商也在持续升级前驱体化学配方与输送技术。具体而言，目前需在复杂的三维晶体管结构和高深宽比几何形状上，沉积原子级薄膜、介电质薄膜、导电薄膜及阻隔膜。

在这些复杂形状上实现均匀的薄膜覆盖，给原子层沉积 (ALD) 工艺带来了全新挑战，这要求半导体制造人员持续采用新型前驱体配方，以跟上不断发展的工艺要求与化学配方。在这篇博客文章中，我们将探讨高、低蒸气压前驱体、相关系统设计挑战、污染及良率问题，以及各相关方紧密协作对于成功落地的关键意义。

优化 ALD 工艺

高蒸气压与低蒸气压前驱体解读

• 高蒸气压前驱体，如三甲基铝 (TMA) 和二乙基锌 (DEZ)，在室温或接近室温下汽化，可轻松通过气体输送管路输送至反应腔。
• 与之相反，低蒸气压前驱体，如四氯化铪 (HfCl₄)、五氯化钽 (TaCl₅) 和五氯化钼 (MoCl₅)，则需要高温（> 150° C）条件才能实现升华。由于蒸气压通常很低，这类前驱体在每个沉积循环中，都需要借助载气或推送气将其输送至反应腔。低蒸气压前驱体往往需要更长的脉冲时长或更高的载气流量，才能实现良好的表面覆盖。随着晶体管尺寸进一步缩小，由于铜、钨在纳米尺度下的物理尺寸限制，钼正被引入应用于半导体结构中的互连、接触孔及高深宽比结构。在纳米尺度下，钼的电阻率更低，可靠性也更优。

这些特性差异会影响阀门的脉冲控制，尤其在大批量生产场景中。例如，在正常运行过程中，前驱体流量对气动阀门的开启与关闭十分敏感。对于高蒸气压前驱体，较短的阀门开启时长（< 100 毫秒）通常足够满足要求，有助于缩短循环周期、提升产量。但这类前驱体易引发流量超调与压力峰值，因此需要精准的时序同步，以及阀门间流量系数(C_v) 的匹配。

要实现高通量生产，需在前驱体挥发性、脉冲时长与阀门导流能力之间做好精细平衡。

反之，低蒸气压前驱体通常需要更长的阀门动作时间，以及精准的热管理以维持蒸气稳定性。因此，要实现高通量生产，同样需在前驱体挥发性、脉冲时长与阀门导流能力之间做好精细平衡。

攻克系统设计中的难题

考虑到工艺窗口非常狭窄，半导体工程师必须精细管控影响 ALD 阀门性能的多项系统参数，以保障工艺稳定性、重复性与薄膜均匀性。其中包括：

阀门流量与驱动时序：

ALD 工艺通常在高真空环境下进行，低压前驱体在真空作用下被吸入反应腔。OEM 在输送前驱体时，需把控两个关键变量：阀门流量系数 (C_v) 与系统流导 (C)。

C_v （流量系数）是一项流体参数，用于表征在给定压降 (dP) 下，可通过阀门的流体流量。借助该参数，生产厂商可确定通过阀门的气体流量；若配合精准的阀门时序控制，即可实现前驱体的高精度定量输送。

C （系统流导）用于真空系统中，表征流体分子流经系统的难易程度。该参数对于计算前驱体从阀门输送至反应腔的耗时至关重要，这一点在大批量生产 (HVM) 中尤为关键。

 

在此场景下，阀门驱动时序的性能表现至关重要。即使仅数毫秒的偏差，也会显著改变注入反应腔的前驱体质量，以及每个循环的前驱体总注入量。此外，阀门开关延时、响应速度及同步性的波动，会导致薄膜均匀性不佳、表面饱和不充分等问题。因此，实现多条前驱体管路的 C_v 匹配与亚毫秒级阀门同步控制，对于保障工艺重复性、维持原子级定量输送精度（即剂量控制）至关重要。在此类应用中，世伟洛克 C_v 计算器 等工具可发挥重要作用。

剂量控制：

剂量控制对于同时实现薄膜生长性能与晶圆良率的稳定可靠ALD工艺至关重要。ALD 工艺依赖于精准且可重复地输送前驱体，以驱动自限性表面反应。若气体剂量控制得当，每个循环的薄膜生长量将保持稳定、可控，且不受特征几何形状的影响。这实现了包含巨大深宽比的新型先进器件结构所需的厚度控制、保形性和均匀性。反之，剂量不足会导致表面饱和不充分、薄膜生长不均；而剂量过量则会引发气相反应、产生非预期的 CVD 型行为、增加颗粒生成量，并降低前驱体利用效率。

随着器件尺寸持续缩小、晶体管结构日趋复杂，剂量波动的允许偏差大幅收窄。由阀门流量 (C_v)、蒸气压漂移、温度不稳定、管路流导 (C) 效应或时序偏差引发的前驱体输送质量微小波动，都会直接导致晶圆间、设备间的薄膜厚度、成分及电学性能出现可检测的变化。在大批量生产环境中，此类波动会不断累积，进而影响设备匹配性、工艺转移效果与长期稳定性。因此，可靠的剂量控制能够降低晶圆间差异性，并实现反应腔间的精准匹配。

温度均匀性：

前驱体容器、输送管路及阀门的温度均匀分布，对于防止前驱体冷凝与化学物质提前分解至关重要。加热不均会引发局部沉积，导致阀门性能下降，并污染后续剂量的前驱体。

耐腐蚀性与良率问题：

半导体 ALD 系统设计中必须考虑的另一项因素是材料选型。新一代前驱体可能对非适配材料具有强腐蚀性，这要求系统设计人员在采购阀门等关键组件时必须格外谨慎。即便非常微小的颗粒，也可能对半导体制造工艺造成灾难性影响。

即便非常微小的颗粒，也可能对半导体制造工艺造成灾难性影响。

在当下特征尺寸非常小的先进制程节点中，这一问题尤为突出。因此，采用不易过早劣化的替代材料（例如哈氏合金）制造阀门及组件，对于延长阀门使用寿命、提升系统正常运行时间而言愈发重要。

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