A precisão da deposição de filmes metálicos finos determina diretamente o limite máximo do desempenho do dispositivo. E o processo de filme de molibdênio (Mo) metálico com baixa resistência, alta uniformidade e facilidade de produção em massa sempre foi um desafio na indústria.

Recentemente, a Plataforma de Produção Piloto de Semicondutores Compostos - Plataforma de Processos do Laboratório Jiufengshan, em profunda sinergia com fabricantes de equipamentos de Deposição de Camada Atômica (ALD), alcançou um novo avanço no processo de ALD Mo — utilizando o precursor estável e eficiente MoCl₂O₂, preparou filmes finos de molibdênio metálico de alto desempenho a 400°C. Esta é a primeira vez que o desenvolvimento deste processo é realizado com base numa plataforma de 8 polegadas na China.

Como um avanço importante do laboratório no campo das tecnologias-raiz de semicondutores compostos, este processo atende aos requisitos de produção em massa em indicadores-chave como resistividade, uniformidade e cobertura de degrau, desempenhando um papel de suporte fundamental na melhoria do desempenho de dispositivos semicondutores compostos, e fornecendo um modelo viável para a inovação colaborativa entre equipamentos chineses e processos autônomos.

Engenheiros da equipe de filmes finos da plataforma de processos operam o equipamento ALD para ajuste e otimização de processos

#1

Mo Metálico: A escolha ideal para chips de pequenas dimensões

Com a contínua redução das dimensões dos dispositivos semicondutores, materiais de interconexão tradicionais como tungstênio (W) e cobre (Cu) enfrentam problemas como aumento acentuado da resistividade e falhas por eletromigração em escala nanométrica. O molibdênio (Mo) metálico surge como uma alternativa ideal devido às suas excelentes propriedades elétricas e estabilidade a altas temperaturas. Em escala nanométrica, o aumento da resistividade do Mo é muito menor que o do tungstênio (W) e do cobre (Cu), podendo ser aplicado simultaneamente em camadas de interconexão e eletrodos de porta, adaptando-se a processos de fabricação avançados.

No entanto, a janela de processo para filmes finos de ALD Mo de alto desempenho é estreita e o controle é difícil. Como equilibrar resistividade, uniformidade e cobertura de degrau na produção em larga escala sempre foi um foco de pesquisa e desenvolvimento na indústria de semicondutores.

(a) Diagrama esquemático do princípio de funcionamento do ALD: exemplo da preparação de filme de Al2O3 usando trimetilalumínio e água; (b) Diagrama esquemático simplificado do sistema ALD

#2

Precursor livre de flúor elimina riscos de confiabilidade na origem

A chave para o avanço na rota de processo adotada pela Plataforma de Produção Piloto de Semicondutores Compostos do Laboratório Jiufengshan reside na escolha do precursor e dos reagentes.

As soluções tradicionais frequentemente usam precursores contendo flúor, cujos resíduos podem trazer riscos à confiabilidade do dispositivo. Este esquema de processo seleciona MoCl₂O₂ como precursor, completamente livre de flúor, evitando este problema desde a origem; ao mesmo tempo, sua característica de alta pressão de vapor permite um transporte estável e de alto fluxo, atendendo aos requisitos de produção em massa.

Em relação aos reagentes, adota-se plasma de hidrogênio (H₂) em substituição aos processos tradicionais de alta temperatura. Sua alta reatividade permite uma deposição eficiente a uma temperatura de 400°C, evitando danos ao substrato por altas temperaturas. Isso garante tanto a qualidade do filme quanto a compatibilidade com o dispositivo.

Além disso, este processo elimina a etapa de preparação da camada semente de nitreto de molibdênio (MoN) do fluxo tradicional, permitindo a deposição direta do filme fino de Mo metálico, reduzindo etapas, encurtando o ciclo e diminuindo custos.

No início do desenvolvimento do processo, a equipe enfrentou desafios como instabilidade no transporte do precursor e baixa taxa de deposição. Após persistentes esforços técnicos e ajustes conjuntos entre equipamento e processo, a equipe superou uma série de desafios técnicos, alcançando finalmente um processo de produção em massa estável e controlável.

#3

Processo autodesenvolvido em sinergia com equipamentos chineses alcança produção em massa autônoma e controlável

Além das vantagens inerentes ao desenvolvimento de processo autônomo, o destaque central deste conjunto de processos reside no desenvolvimento colaborativo baseado em equipamentos chineses, otimizando com precisão os parâmetros de processo em função das características centrais, como a estrutura da câmara de reação e o sistema de transporte de gases dos equipamentos ALD chineses.

Esta adaptação bidirecional traz benefícios em dois aspectos: por um lado, explora a vantagem de controle preciso dos equipamentos chineses para alcançar deposição uniforme em nível atômico; por outro, a otimização do processo retroalimenta o equipamento, melhorando seu desempenho operacional. Este processo é estável e controlável, podendo atender diretamente às demandas de produção em massa da indústria, realizando um ciclo virtuoso onde "equipamentos chineses capacitam o processo, e o processo retroalimenta os equipamentos".

Equipamento chinês de ALD Mo do Laboratório Jiufengshan

#4

Cinco indicadores principais visam diretamente os requisitos industriais

Após testes sistemáticos, o filme fino de ALD Mo desenvolvido pela Plataforma de Produção Piloto de Semicondutores Compostos do Laboratório Jiufengshan demonstrou desempenho excecional em cinco dimensões.

• Baixa resistividade: Controlada abaixo de 9 μΩ·cm, próxima da resistividade intrínseca do material bulk de Mo, muito superior aos processos tradicionais (geralmente >15 μΩ·cm), podendo reduzir o atraso RC (resistência-capacitância) do dispositivo, aumentar a velocidade de transmissão e diminuir o consumo de energia.

• Boa uniformidade: Uniformidade intra-wafer (1sigma) de 2% e uniformidade wafer-a-wafer tão baixa quanto 0,334%, garantindo desempenho consistente do filme em wafers de grande área, assegurando o rendimento da produção em massa.

• Excelente cobertura de degrau: Apoiando-se na vantagem de conformidade do ALD, pode cobrir perfeitamente estruturas tridimensionais complexas de chips, adaptando-se a cenários de fabricação como 3D NAND e chips lógicos de alta gama.

• Estrutura de filme densa e sem defeitos evidentes: Pode bloquear a difusão de impurezas, aumentar a resistência à oxidação e corrosão, reduzir o risco de fuga de corrente e prolongar a vida útil do dispositivo.

• Processo simplificado: Dispensa a preparação da camada semente de MoN, depositando diretamente o filme fino de Mo, reduzindo etapas, encurtando o ciclo e diminuindo custos de materiais e equipamentos.

ALD Mo apresenta boa cobertura de degrau em estruturas de alta razão de aspeto (AR > 12:1)

O desenvolvimento bem-sucedido deste processo marca a primeira vez que a China realiza o desenvolvimento do processo ALD Mo numa plataforma de 8 polegadas, atingindo os requisitos de produção em massa em indicadores-chave. Na fabricação de 3D NAND, a alta cobertura de degrau pode adaptar-se perfeitamente à estrutura de canal vertical, ajudando a aumentar a capacidade de armazenamento e a velocidade de leitura/escrita. Em chips lógicos de 7 nanômetros e abaixo, a baixa resistividade traduz-se diretamente em menor atraso RC, aumento da velocidade de computação e redução do consumo de energia. Na fabricação de DRAM (Memória de Acesso Aleatório Dinâmico), a alta uniformidade e a estrutura densa contribuem para melhorar a estabilidade e a vida útil do dispositivo.

O avanço bem-sucedido deste processo também valida uma premissa: a profunda sinergia entre equipamentos de produção chineses e processos autônomos pode, de facto, apresentar resultados de alto nível.