半导体制造里的ALD工艺:比“精”更“精”!

描述

在半导体制造这一高度精密且不断进步的领域,每一项技术都承载着推动行业发展的关键使命。原子层沉积(Atomic Layer Deposition,简称ALD)工艺,作为一种先进的薄膜沉积技术,正逐渐成为半导体制造中不可或缺的一环。本文将深入探讨半导体中为何会用到ALD工艺,并分析其独特优势和应用场景。

一、半导体制造中的薄膜沉积技术概述

薄膜沉积是晶圆制造的三大核心步骤之一,薄膜的技术参数直接影响芯片性能。半导体器件的不断缩小对薄膜沉积工艺提出了更高要求,需要实现高精度、高均匀性、高保形性的薄膜沉积。目前,用于薄膜沉积的技术主要包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)。

  • 物理气相沉积(PVD):通过物理方法将材料从固态直接转化为气态,然后沉积在基底表面形成薄膜。这种方法适用于沉积金属和合金等导电性好的材料。
  • 化学气相沉积(CVD):通过化学反应在基底表面生成薄膜,适用于沉积多种材料,包括绝缘体、半导体和导体。
  • 原子层沉积(ALD):作为CVD的一种变种形式,ALD通过交替引入两种或多种气相反应物,在基底表面进行自限性反应,逐层沉积薄膜。

二、ALD工艺的基本原理与优势

1. 基本原理

ALD工艺的基本原理是利用气相前驱体在基底表面上的化学反应,逐层沉积薄膜。一个典型的ALD沉积周期可以分为以下几个阶段:

  • 通入一种前驱体:前驱体与基底表面发生吸附或化学反应,形成一层单原子或分子厚度的薄膜。
  • 惰性气体冲洗:通入惰性气体(如氮气或氩气),将剩余的前驱体和反应副产物从反应室中排出,确保下一步反应的纯净性和可靠性。
  • 通入第二种前驱体:与第一层的前驱体生成物进行反应,进一步形成薄膜。
  • 再次冲洗:用惰性气体冲洗剩余的前驱体和副产物,确保反应结束并保持反应室的干净和稳定。

通过重复上述周期,可以精确地控制薄膜的厚度和成分。由于ALD工艺的自限性反应机制,每个沉积周期只沉积一层原子或分子厚度的薄膜,因此可以实现极高的膜厚度控制精度和均匀性。

2. 独特优势

  • 精确的厚度控制:ALD工艺可以在原子级上沉积材料,确保出色的均匀性和精确的厚度控制。这种控制水平对于创建具有一致特性的超薄膜至关重要,适用于电子和光子学领域的广泛应用。
  • 优异的均匀性和保形性:即使在复杂的3D表面上,ALD也能产生均匀且保形的涂层。这对于涂覆高纵横比特征(如沟槽、孔和复杂的3D结构)尤为重要,这些特征用于诸如全栅(GAA)晶体管等先进半导体器件中。
  • 多功能性:ALD工艺可广泛应用于各种材料,从氧化铪等高k电介质到各种金属和含硅电介质。这种多功能性使ALD非常适合满足半导体和电子设备制造中各种薄膜需求。
  • 低温沉积:许多ALD过程可以在相对较低的温度下进行,适用于对温度敏感的基板和材料,减少了热应力和材料相容性的问题。

三、半导体制造中的ALD工艺应用

在半导体制造中,ALD工艺凭借其独特的优势在多个关键领域得到了广泛应用。

1. 晶体管栅极介电层

在晶体管制造中,栅极介电层的质量对器件性能有着重要影响。ALD工艺可以用于制备高介电常数(高k)的栅极介电层,如氧化铝(Al₂O₃)、氧化铪(HfO₂)等。高k材料具有更好的电荷存储能力,可以在相同电容密度下减少漏电流,提高器件的性能和可靠性。

2. 金属栅极

随着半导体器件的不断发展,金属栅极逐渐取代了传统的多晶硅栅极。金属栅极具有极高的电子密度,可以提高器件的迁移率,有效解决多晶硅栅极耗尽问题。ALD工艺可以用于制备金属栅极,确保沉积的金属薄膜具有良好的台阶覆盖率和平整度,从而提高器件的性能和可靠性。

3. 铜互连阻挡层

在半导体互连技术中,铜(Cu)因其优良的导电性而得到广泛应用。然而,铜的扩散速度很快,容易在电介质内部移动使器件“中毒”。因此,在镀铜之前必须首先沉积一层防扩散的阻挡层。ALD工艺可以用于制备铜互连阻挡层,如氮化钛(TiN)等。在高深宽比下,ALD沉积的阻挡层仍具有良好的均匀性以及防扩散阻挡特性。

4. 微型电容器

在存储器芯片中,微型电容器是关键的组成部分。随着存储器容量的扩大,内部电容器数量剧增,单个电容器尺寸进一步减小。电容器内部沟槽的深宽比越来越大,对沉积薄膜的有效面积和均匀性提出了更高要求。ALD工艺可以满足大面积均匀性、高台阶覆盖率和对膜厚的精确控制要求,适用于制备高性能的微型电容器。

5. 其他应用领域

除了上述应用领域外,ALD工艺还在半导体制造的其他领域得到了广泛应用。例如,在MEMS器件制造中,ALD工艺可以用于制备高精度的薄膜电极和介质层;在光电子器件制造中,ALD工艺可以用于制备高反射率和耐候性的光学涂层等。

四、半导体制造中选用ALD工艺的原因

在半导体制造中选用ALD工艺的原因可以归纳为以下几点:

  • 满足高精度、高均匀性要求:随着半导体器件的不断缩小,对薄膜沉积的精度和均匀性提出了更高要求。ALD工艺以其原子级的控制精度和优异的均匀性满足了这一需求。
  • 适应复杂3D结构:在先进半导体器件中,复杂3D结构的应用越来越广泛。ALD工艺能够在这些结构上产生均匀且保形的涂层,确保器件的性能和可靠性。
  • 多功能性:半导体制造中需要用到多种材料,包括绝缘体、半导体和导体等。ALD工艺可广泛应用于各种材料,满足半导体和电子设备制造中各种薄膜需求。
  • 低温沉积:许多半导体器件对温度敏感,需要在较低的温度下进行沉积。ALD工艺的低温沉积特性使其适用于这些器件的制造。

五、ALD工艺面临的挑战与未来发展趋势

尽管ALD工艺在半导体制造中具有诸多优势,但其也面临着一些挑战。例如,ALD工艺的沉积速度相对较慢,这限制了其在一些需要快速沉积的应用领域中的使用。此外,ALD工艺对设备的要求较高,需要专门的反应室和精密的控制系统。

然而,随着技术的不断进步和应用的不断拓展,ALD工艺的未来发展趋势仍然值得期待。一方面,研究人员正在不断探索新的前驱体和反应条件,以提高ALD工艺的沉积速度和薄膜质量。另一方面,随着半导体器件的不断缩小和复杂度的提高,ALD工艺在半导体制造中的重要性将进一步提升。

此外,ALD工艺还与其他先进技术相结合,形成了新的发展方向。例如,将ALD工艺与光刻技术相结合,可以实现自对准多重图案化;将ALD工艺与刻蚀技术相结合,可以实现原子层刻蚀(ALE)等。这些新技术的出现将进一步拓展ALD工艺的应用领域和潜力。

六、结语

综上所述,ALD工艺凭借其独特的优势在半导体制造中得到了广泛应用。随着技术的不断进步和应用的不断拓展,ALD工艺将在半导体制造中发挥越来越重要的作用。未来,随着半导体器件的不断缩小和复杂度的提高,ALD工艺将继续推动半导体技术的整体进步和发展。对于半导体制造企业和研究人员来说,深入了解ALD工艺的原理、优势和应用场景,将有助于更好地掌握这一先进技术,推动半导体技术的不断创新和发展。

 

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