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ALD原子層沉積技術發展及應用

ALD-Atomic Layer Deposition(原子層沉積)

隨著微電子行業的發展, 集成度不斷提高、器件尺寸持續減小, 使得許多傳統微電子材料和科技面臨巨大挑戰, 然而原子層沉積(ALD)技術作為一種優異的鍍膜技術, 因其沉淀的薄膜純度高、均勻性及保行性好, 還能十分精確地控制薄膜的厚度與成分, 仍然備受關注并被廣泛應用于半導體、光學、光電子、太陽能等諸多領域。


ALD技術的主要優點

?前驅體是飽和化學吸附,保證生成大面積均勻性的薄膜

?可生成極好的三維保形性化學計量薄膜,作為臺階覆蓋和納米孔材料的涂層

?可輕易進行摻雜和界面修正

?可以沉積多組份納米薄片和混合氧化物

?薄膜生長可在低溫(室溫到400℃)下進行

?固有的沉積均勻性,易于縮放,可直接按比例放大

?可以通過控制反應周期數簡單精確地控制薄膜的厚度,形成達到原子層厚度精度的薄膜

?對塵埃相對不敏感,薄膜可在塵埃顆粒下生長

?排除氣相反應

?可廣泛適用于各種形狀的基底

?不需要控制反應物流量的均一性


一個ALD沉淀周期可以分為4個步驟:

(1)第一種反應前驅體與基片表面發生化學吸附或者反應;

(2)用惰性氣體將多余的前驅體和副產物清除出反應腔體;

(3)第二種反應前驅體與基片表面的第一種前驅體發生化學反應,生成薄膜;

(4)反應完全后,在用惰性氣體將多余的前驅體以及副產物清除出腔體。


前驅體具有的特點:

(1)揮發性好(易液化)。

(2)高反應性。

(3)良好的化學穩定性。

(4)不會對薄膜或基片造成腐蝕且反應產物呈惰性。

(5)液體或氣體為佳。

(6)材料沒有毒性, 防止發生環境污染。


前驅物的自我約束條件



三種常見的ALD技術:

T-ALD

熱處理原子層沉積(Thermal-ALD , T-ALD)法是傳統的、現在仍廣泛使用的ALD 方法。它是利用加熱法來實現ALD 的技術。

PE-ALD

等離子體增強(Plasma-Enhanced ALD , PE-ALD)工藝是等離子體輔助和ALD 技術的結合。通過等離子體離解單體或反應氣體, 提供反應所需的活性基團, 替代原來ALD 技術中的加熱。

EC-ALD

電化學原子層沉積(Electrochemical ALD , EC-ALD)將電化學沉積和ALD 技術相結合,用電位控制表面限制反應, 通過交替欠電位沉積化合物組分元素的原子層來形成化合物,又可以通過欠電位沉積不同化合物的薄層而形成超晶格。


PE-ALD相比較T-ALD,具有如下幾個優點

具有更快的沉積速率和較低的沉積時間

降低了薄膜生長所需的溫度

單體可選擇性強

可以生長出優異的金屬薄膜和金屬氮化物



EC-ALD相比較T-ALD,具有如下幾個優點

EC-ALE 法所用的主要設備有三電極電化學反應池恒電位儀和計算機, 工藝設備投資相對小, 降低了制備成本;

作為一種電化學方法膜可以沉積在設定面積或形狀復雜的襯底上;

由于沉積的工藝參數(沉積電位、電流等)可控, 故膜的質量重復性, 均勻性, 厚度和化學計量可精確控制 ;

不同于其它熱制備方法, EC-ALE 的工藝過程在室溫下進行, 最大程度地減小了不同材料薄膜間的互擴散, 同時避免了由于不同膜的熱膨脹系數不同而產生的內應力, 保證了膜的質量。


典型的ALD沉積過程——Al2O3沉積過程


典型的ALD沉積過程——TiO2沉積過程





一、高K介質材料

集成器件的小型化給當前材料的持續使用帶來了嚴峻的挑戰。在傳統的微電子電路,由于二氧化硅介電層的物理限制,由硅/二氧化硅/金屬組成的電容器,將無法運作。在納米尺寸的二氧化硅的介電常數(κ)不足以防止泄漏電流,導致不必要的電容放電。新的更高的κ材料正在考慮。 1.5-10 nm厚層Zr、Hf和鋁硅氧化物,ALD的生長過程產生的電流比SiO2的等效厚度具有更低的柵極漏。

ALD 制備的新型超薄TiO2/ Si3N4 疊柵介質薄膜具有優良的表面界面特性和良好的漏電流特性, 有能力成為下一代新型柵介質材料



二、IC互連技術——銅互連

因為Cu 具有良好的導電性和抗電遷移能力,且能夠在低溫下進行沉積, 所以目前Cu 工藝已經取代Al 工藝成為互連技術的主流技術。但Cu 高溫下在Si 中有極高的擴散系數, 擴散到Si 中會形成能級復合中心, 降低Si 的少數載流子壽命使器件的性能發生退化, 利用ALD 技術可在Si 沉底表面沉積阻擋層克服其缺點。

T.Cheon 等采用ALD 技術, 在Si 基體上制備的RuAlO 薄膜, 作為無籽 Cu 的互連接防擴散阻擋層。其薄層電阻測試和X 射線衍射(XRD)結果表明:Cu(10 nm)/ RuAlO(15 nm)/ Si 結構在650 ℃經過30 min 的熱處理后仍處于穩定狀態, 并且在 RuAlO薄膜上經過電鍍得到10 nm 厚的Cu 層, 有利于解決由于尺寸效應而引起Cu 阻抗增加的問題。


三、微型電容器

高速發展的動態隨機存儲器( DRAM) 面臨著集成化和低功耗的挑戰,國際半導體技術藍圖 ITRS 曾指出: “盡可能縮小存儲單元大小的壓力和提高單元電容的需求產生了矛盾,它迫使存儲器設計者通過設計和材料的更新找到創造性的解決方案,在縮小存儲單元尺寸的同時達到最低電容要求” 。目前,科研人員已經開始對微納米尺度的電容器進行研究,其結構尺寸進一步減小,內部溝槽深寬比進一步增大這些都對加工工藝提出了更高的要求。

Han 等采用 ALD 技術在 1 μm 深硅納米尖錐( SiNT) 陣列表面,沉積了 ZnO /Al2 O3 薄膜制備 MIM微電容器復合電極,如圖 3 所示,沉積薄膜具有良好的均勻性和臺階覆蓋率。這種具有較大深寬比的三維復合電極結構,有效增大了表面積,可以提高電荷儲存能力。測試結果表明,其比電容可達300 μF /cm2,比采用普通電極結構的 MIM 納米電容高約 30倍。


四、其他應用

高K柵介質和金屬柵
用于IC圖案化的斷裂間隔物和硬掩模
射頻和線性電容器
柵極墊片
TSV襯墊和隔板
電阻存儲器
用于AL雙鑲嵌互連阻擋層和籽晶層
W成核層
FinFET



所遇到的問題:

生長速率很慢———最關鍵的問題

前驅體源材料的可選擇性較小

低溫時的不完全沉積

高溫時的沉積薄膜分解



ALD技術發展

半導體產業正在轉換到三維結構,進而導致關鍵薄膜層對ALD的需求;

特征尺寸的下降,導致其他成膜技術很難繼續發展;

在更低尺寸的器件中,傳統工藝會導致某些特性有難以控制的變化(K值,隧穿電流);

新型結構的產生,需要新技術的支持。(FinFET,多閘極元件)


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