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。
高蒸气压与低蒸气压前驱体解读
在 ALD 工艺中，时序精准的 ALD 阀门会将每一次脉冲计量后送入反应腔，输送工艺所需的化学前驱体。前驱体与晶圆基底发生反应，每个循环仅形成一个原子层的材料。每道沉积工序通常包含两个前驱体步骤：源前驱体（前驱体 A）和反应前驱体（前驱体 B）。在每一组源前驱体/反应前驱体脉冲之间，会通过高真空吹扫或抽真空步骤，清除残余气体与反应副产物。
随着芯片生产需求的不断升级，市场上涌现出各类新型前驱体，以实现更高的性能指标。根据其行为特性，这类前驱体通常分为高蒸气压或低蒸气压前驱体。
- 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(Cv) 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 (Cv) 与系统流导 (C)。
Cv （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。
