Elektronische Bauteile (Chips) werden zu mehreren Hundert auf Wafern gefertigt. Dabei kommen verschiedenste Verfahren zum Schichtaufbau, Schichtabtrag, zur Strukturierung und Dotierung zum Einsatz. Vorstufen für die Feststoffe, aus denen die Prozessoren bestehen, sind flüssige und gasförmige Substanzen, sog. Precursor. Die Halbleiterindustrie benötigt immer neue Precursor in immer höherer Reinheit, um Prozessoren weiter zu verkleinern und ihre Leistung zu verbessern.

Air Liquide hat daher 2005 den weltweit agierenden Geschäftsbereich „Aloha Advanced Precursors" gegründet, der sich auf die Weiterentwicklung dieser Vorstufen spezialisiert hat. Zahlreiche Auszeichnungen und Einladungen zu renommierten Konferenzen sowie die Anerkennung der Kunden im Tagesgeschäft bestätigen die erfolgreiche Arbeit von Aloha.

Wie werden Precursor eingesetzt?

Ein Precursor ist ein metallorganisches Molekül, das eine metallische bzw. halbmetallische Komponente (wie Si, Ti, Zr, Ru usw.) enthält und als Oxid oder Nitrid in dünnen Schichten auf ein Trägermaterial aufgebracht wird. Diese Dünnschichttechnologie kam bisher vorrangig in der Chipproduktion zum Einsatz, mittlerweile hat sich ihr Anwendungsbereich auch auf die Herstellung von Solarzellen und LEDs erweitert.

Zur Steigerung der Prozessorleistung enthalten heute viele Computer der neuesten Generation eine auf dem Element Hafnium basierende Gate-Oxid-Schicht (HfO2) anstelle der klassischen Silizium-Oxid-Nitrid Gate-Oxid-Schicht (SiON). Precursor dienen dazu, diese dünnen Schichten mithilfe der Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapour Deposition) oder der Atomlagenabscheidung (ALD = Atomic Layer Deposition) aufzubringen. Letzteres funktioniert mittlerweile auch im industriellen Maßstab und gehört seit kurzem zu den Standard-Produktionsverfahren. Stärke dieses Verfahrens sind dreidimensionale homogene Schichten selbst auf komplexen Strukturen mit Schichtdicken im Nanometerbereich.

Precursor müssen in der Produktion in gasförmigem Zustand vorliegen, um mit den anderen Reaktionspartnern reagieren zu können. Zur Versorgung in der Gasphase sind aufgrund des niedrigen Dampfdrucks dieser Substanzen (d.h. sie sind schwerflüchtig) spezielle Verpackungen (sog. Kanister) erforderlich (Abb. 1). Air Liquide hat eine komplette Baureihe dieser Kanister entwickelt, um die unterschiedlichsten Anforderungen erfüllen zu können. Die Volumina dieser Behälter reichen von 1-20 L. Sie verfügen über spezielle Funktionen wie beispielsweise Sensoren für Füllstand und Temperatur.

Meist wird der Precursor durch Einleiten von Stickstoff in die Flüssigphase gasförmig ausgetrieben und dann der Fertigung zur Verfügung gestellt; es gibt jedoch auch eine Reihe von Möglichkeiten der Flüssigversorgung durch Injektion.

Warum Precursor anstelle von Gas?

Ein Precursor ist ein spezielles Molekül, das eine metallische Komponente, die in das Produkt eingebracht werden soll, und organische Liganden enthält. Metallische Komponenten können im Allgemeinen nicht gasförmig zur Verfügung gestellt werden. In diesem besonderen Fall ist dies aber in Kombination mit den geeigneten Liganden möglich. Die Auswahl der organischen Liganden ändert nicht nur die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Precursormoleküls, sondern beeinflusst auch sein Verhalten im Reaktionsprozess.

Precursor von Air Liquide

Der Geschäftsbereich „Aloha Advanced Precursors" betreibt drei Produktionszentren in USA, Europa und Japan, in denen Precursor entwickelt, hergestellt, verpackt und einer strikten Qualitätskontrolle unterzogen werden. Die Entwicklungsarbeit erfolgt - gefördert durch die Präsenz von Air Liquide in unmittelbarer Nähe zu den Herstellern - in mehreren Programmen gemeinsam mit der Elektronikindustrie. Die Kunden schätzen dabei vor allem die hohe Qualifikation der Fachleute von Air Liquide. Zu den wichtigsten Ergebnissen dieser Entwicklungsarbeit zählen die Precursor ZyAld (High-k, Abb. 2) und Torus (metallisch), die bei führenden Halbleiterherstellern in der Produktion eingesetzt werden. Hinzu kommen eine ganze Reihe weiterer Precursor, die verschiedene Einsatzbereiche abdecken wie Low-k (3MS, OMCTS, BCHD), High-k/Metallische (TEMAZ, TBTDET ...) und Silizium-Quellen (HCDS, SAM.24 ...).

• CVD = Chemical Vapor Deposition ist ein Verfahren zum Abscheiden dünner Schichten in der Mikroelektronik. Dabei wird aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase eine Feststoffkomponente abgeschieden. Voraussetzung ist, dass flüchtige Verbindungen der Schichtkomponenten existieren, die bei einer bestimmten Reaktionstemperatur die feste Schicht abscheiden.
• ALD = Atomic Layer Deposition ist ein stark verändertes CVD-Verfahren. Im Unterschied zur CVD erfolgt das Schichtwachstum zyklisch. In der Einwirkphase chemisorbieren oder reagieren die Precursor (Vorstufenmoleküle) mit den Oberflächengruppen bis die Oberfläche vollständig belegt ist. Danach wird die Reaktionskammer gespült. Die Schichtdicke hängt dann nur von der Anzahl der Reaktionszyklen ab, die Anforderungen an die Homogenität der Precursor sind niedrig.
• Liganden = Bezeichnung für neutrale Moleküle oder Ionen, die in Koordinationsverbindungen (Komplexe) um ein Zentralatom gruppiert sind.
• High-k-/Metallische-Precursor sind in der Halbleitertechnik Materialien, die eine höhere Dielektrizitätszahl aufweisen als herkömmliches Siliziumdioxid. Sie verbessern das Verhalten der Steuerelektrode (Gate) eines Transistors. Dadurch kann zur Verringerung des Leckstroms die Dicke des Dielektrikums (Isolationsschicht) erhöht werden, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt. Das macht eine weitere Miniaturisierung möglich.
• Low-k-Precursor werden als Isolator zwischen den Leiterbahnen eingesetzt und verringern durch ihre niedrige Dielektrizitätszahl die entstehenden parasitären Kapazitäten. Letztere entstehen bei Kreuzung oder geringem Abstand der Leiterbahnen und reduzieren beispielsweise die maximale Schaltgeschwindigkeit des Transistors.