La précision du dépôt des films minces métalliques détermine directement le plafond des performances des dispositifs. Or, le procédé de fabrication de films de molybdène métallique (Mo) à faible résistance, haute uniformité et facile à produire en série a toujours été un défi pour l'industrie.

Récemment, la plateforme pilote de semi-conducteurs composés - plateforme procédés du laboratoire Jiufengshan, en étroite collaboration avec un fabricant d'équipements de dépôt de couches atomiques (ALD), a réalisé une nouvelle percée dans le procédé ALD Mo — en utilisant le précurseur MoCl₂O₂, stable et efficace, un film mince de molybdène métallique haute performance a été préparé à 400°C. Il s'agit du premier développement de ce procédé réalisé en Chine sur une plateforme de 8 pouces.

En tant qu'avancée majeure du laboratoire dans le domaine des technologies fondamentales des semi-conducteurs composés, ce procédé répond aux exigences de production de masse pour des indicateurs clés tels que la résistivité, l'uniformité et la couverture de marche, jouant un rôle de soutien fondamental pour l'amélioration des performances des dispositifs à semi-conducteurs composés, et fournissant un exemple concret d'innovation collaborative entre les équipements chinois et les procédés autonomes.

Les ingénieurs de l'équipe films minces de la plateforme procédés utilisent l'équipement ALD pour la mise au point et l'optimisation des procédés

#1

Le Mo métallique : le choix idéal pour les puces de petite taille

Avec la réduction continue de la taille des dispositifs à semi-conducteurs, les matériaux d'interconnexion traditionnels comme le tungstène (W) et le cuivre (Cu) sont confrontés à des problèmes tels qu'une forte augmentation de la résistivité et des défaillances par électromigration à l'échelle nanométrique. Le molybdène métallique (Mo), grâce à ses excellentes propriétés électriques et sa stabilité à haute température, devient une solution alternative idéale. À l'échelle nanométrique, l'augmentation de la résistivité du Mo est bien inférieure à celle du tungstène (W) et du cuivre (Cu), et il peut être utilisé à la fois pour les couches d'interconnexion et la grille, s'adaptant ainsi aux nœuds technologiques avancés.

Cependant, la fenêtre de procédé pour les films minces ALD Mo haute performance est étroite et difficile à contrôler. Comment concilier résistivité, uniformité et couverture de marche dans une production de masse à grande échelle a toujours été un point central des efforts de l'industrie des semi-conducteurs.

(a) Schéma de principe du fonctionnement ALD : exemple de la préparation d'un film mince d'Al2O3 à partir de triméthylaluminium et d'eau ; (b) Schéma simplifié du système ALD

#2

Un précurseur sans fluor élimine les risques de fiabilité à la source

La clé de la percée de la voie technologique adoptée par la plateforme pilote de semi-conducteurs composés du laboratoire Jiufengshan réside dans le choix du précurseur et des réactifs.

Les solutions traditionnelles utilisent souvent des précurseurs fluorés, dont les résidus de fluor peuvent entraîner des problèmes de fiabilité des dispositifs. Cette solution de procédé utilise le MoCl₂O₂ comme précurseur, totalement exempt de fluor, ce qui évite ce problème à la source ; de plus, sa caractéristique de pression de vapeur élevée permet un transport stable à haut débit, répondant aux exigences de la production de masse.

En ce qui concerne les réactifs, l'utilisation de plasma d'hydrogène (H₂) en remplacement des procédés traditionnels à haute température, dont la haute réactivité permet un dépôt efficace à une température de 400°C, évitant ainsi d'endommager le substrat par la chaleur. Cela garantit à la fois la qualité du film mince et la compatibilité avec les dispositifs.

De plus, ce procédé élimine l'étape de préparation d'une couche de germination en nitrure de molybdène (MoN) présente dans le flux traditionnel, permettant le dépôt direct du film mince de Mo métallique, réduisant ainsi les étapes, le cycle et les coûts.

Au début du développement du procédé, l'équipe a été confrontée à des problèmes tels que l'instabilité du transport du précurseur et une vitesse de dépôt trop faible. Après des efforts techniques continus et une optimisation conjointe équipement-procédé, l'équipe a surmonté une série de défis techniques pour finalement parvenir à un procédé de production de masse stable et contrôlable.

#3

Un procédé développé en interne, en synergie avec les équipements chinois, pour une production de masse autonome et contrôlable

Outre les avantages inhérents au développement de procédés en interne, le point fort central de ce procédé réside dans le développement collaboratif basé sur les équipements chinois, avec une optimisation précise des paramètres de procédé en fonction des caractéristiques clés telles que la structure de la chambre de réaction et le système de transport des gaz des équipements ALD chinois.

Cette adaptation bidirectionnelle apporte deux avantages : d'une part, elle tire parti de la précision de contrôle des équipements chinois pour réaliser un dépôt uniforme au niveau atomique ; d'autre part, l'optimisation du procédé améliore en retour les performances de fonctionnement de l'équipement. Ce procédé est stable et contrôlable, pouvant répondre directement aux besoins de production de masse de l'industrie, réalisant ainsi un cercle vertueux où « les équipements chinois renforcent le procédé, et le procédé améliore les équipements ».

Équipement chinois ALD Mo du laboratoire Jiufengshan

#4

Cinq indicateurs clés répondent directement aux exigences industrielles

Après des tests systématiques, le film mince ALD Mo développé par la plateforme pilote de semi-conducteurs composés du laboratoire Jiufengshan présente des performances exceptionnelles sur cinq dimensions.

• Faible résistivité : contrôlée en dessous de 9 μΩ·cm, proche de la résistivité intrinsèque du matériau massif Mo, bien meilleure que les procédés traditionnels (généralement >15 μΩ·cm), ce qui permet de réduire le délai RC (délai résistance-capacité) du dispositif, d'augmenter la vitesse de transmission et de réduire la consommation d'énergie.

• Bonne uniformité : l'uniformité intra-plaquette (1sigma) est de 2 %, et l'uniformité inter-plaquettes atteint 0,334 %, garantissant des performances de film constantes sur les plaquettes de grande surface, ce qui assure le rendement de production de masse.

• Excellente couverture de marche : s'appuyant sur l'avantage de conformité de l'ALD, elle couvre parfaitement les structures tridimensionnelles complexes des puces, s'adaptant aux scénarios de fabrication tels que la NAND 3D et les puces logiques haut de gamme.

• Structure de film dense et sans défauts apparents : capable de bloquer la diffusion d'impuretés, d'améliorer la résistance à l'oxydation et à la corrosion, de réduire le risque de fuite de courant et de prolonger la durée de vie du dispositif.

• Procédé simplifié : pas besoin de préparer une couche de germination MoN, dépôt direct du film mince Mo, réduction des étapes, du cycle et des coûts de matériaux et d'équipement.

Bonne couverture de marche de l'ALD Mo dans une structure à haut rapport d'aspect (AR > 12:1)

Le succès du développement de ce procédé marque la première réalisation en Chine du développement d'un procédé ALD Mo sur une plateforme de 8 pouces, avec des indicateurs clés répondant aux exigences de la production de masse. Dans la fabrication de NAND 3D, la haute couverture de marche s'adapte parfaitement aux structures de canal vertical, contribuant à augmenter la capacité de stockage et la vitesse de lecture/écriture. Dans les puces logiques de 7 nm et en deçà, la faible résistivité se traduit directement par un délai RC plus faible, une vitesse de calcul accrue et une consommation réduite. Dans la fabrication de DRAM (mémoire vive dynamique), la haute uniformité et la structure dense contribuent à améliorer la stabilité et la durée de vie du dispositif.

Cette percée réussie du procédé valide également un constat : la synergie profonde entre les équipements de production chinois et les procédés autonomes peut tout à fait fournir des résultats de haut niveau.