半導(dǎo)體制造里的ALD工藝：比“精”更“精”！

在半導(dǎo)體制造這一高度精密且不斷進步的領(lǐng)域，每一項技術(shù)都承載著推動行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵使命。原子層沉積（Atomic Layer Deposition，簡稱ALD）工藝，作為一種先進的薄膜沉積技術(shù)，正逐漸成為半導(dǎo)體制造中不可或缺的一環(huán)。本文將深入探討半導(dǎo)體中為何會用到ALD工藝，并分析其獨特優(yōu)勢和應(yīng)用場景。

一、半導(dǎo)體制造中的薄膜沉積技術(shù)概述

薄膜沉積是晶圓制造的三大核心步驟之一，薄膜的技術(shù)參數(shù)直接影響芯片性能。半導(dǎo)體器件的不斷縮小對薄膜沉積工藝提出了更高要求，需要實現(xiàn)高精度、高均勻性、高保形性的薄膜沉積。目前，用于薄膜沉積的技術(shù)主要包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）和原子層沉積（ALD）。

• 物理氣相沉積（PVD）：通過物理方法將材料從固態(tài)直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后沉積在基底表面形成薄膜。這種方法適用于沉積金屬和合金等導(dǎo)電性好的材料。
• 化學(xué)氣相沉積（CVD）：通過化學(xué)反應(yīng)在基底表面生成薄膜，適用于沉積多種材料，包括絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。
• 原子層沉積（ALD）：作為CVD的一種變種形式，ALD通過交替引入兩種或多種氣相反應(yīng)物，在基底表面進行自限性反應(yīng)，逐層沉積薄膜。

二、ALD工藝的基本原理與優(yōu)勢

1. 基本原理

ALD工藝的基本原理是利用氣相前驅(qū)體在基底表面上的化學(xué)反應(yīng)，逐層沉積薄膜。一個典型的ALD沉積周期可以分為以下幾個階段：

• 通入一種前驅(qū)體：前驅(qū)體與基底表面發(fā)生吸附或化學(xué)反應(yīng)，形成一層單原子或分子厚度的薄膜。
• 惰性氣體沖洗：通入惰性氣體（如氮氣或氬氣），將剩余的前驅(qū)體和反應(yīng)副產(chǎn)物從反應(yīng)室中排出，確保下一步反應(yīng)的純凈性和可靠性。
• 通入第二種前驅(qū)體：與第一層的前驅(qū)體生成物進行反應(yīng)，進一步形成薄膜。
• 再次沖洗：用惰性氣體沖洗剩余的前驅(qū)體和副產(chǎn)物，確保反應(yīng)結(jié)束并保持反應(yīng)室的干凈和穩(wěn)定。

通過重復(fù)上述周期，可以精確地控制薄膜的厚度和成分。由于ALD工藝的自限性反應(yīng)機制，每個沉積周期只沉積一層原子或分子厚度的薄膜，因此可以實現(xiàn)極高的膜厚度控制精度和均勻性。

2. 獨特優(yōu)勢

• 精確的厚度控制：ALD工藝可以在原子級上沉積材料，確保出色的均勻性和精確的厚度控制。這種控制水平對于創(chuàng)建具有一致特性的超薄膜至關(guān)重要，適用于電子和光子學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
• 優(yōu)異的均勻性和保形性：即使在復(fù)雜的3D表面上，ALD也能產(chǎn)生均勻且保形的涂層。這對于涂覆高縱橫比特征（如溝槽、孔和復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)）尤為重要，這些特征用于諸如全柵（GAA）晶體管等先進半導(dǎo)體器件中。
• 多功能性：ALD工藝可廣泛應(yīng)用于各種材料，從氧化鉿等高k電介質(zhì)到各種金屬和含硅電介質(zhì)。這種多功能性使ALD非常適合滿足半導(dǎo)體和電子設(shè)備制造中各種薄膜需求。
• 低溫沉積：許多ALD過程可以在相對較低的溫度下進行，適用于對溫度敏感的基板和材料，減少了熱應(yīng)力和材料相容性的問題。

三、半導(dǎo)體制造中的ALD工藝應(yīng)用

在半導(dǎo)體制造中，ALD工藝憑借其獨特的優(yōu)勢在多個關(guān)鍵領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1. 晶體管柵極介電層

在晶體管制造中，柵極介電層的質(zhì)量對器件性能有著重要影響。ALD工藝可以用于制備高介電常數(shù)（高k）的柵極介電層，如氧化鋁（Al?O?）、氧化鉿（HfO?）等。高k材料具有更好的電荷存儲能力，可以在相同電容密度下減少漏電流，提高器件的性能和可靠性。

2. 金屬柵極

隨著半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展，金屬柵極逐漸取代了傳統(tǒng)的多晶硅柵極。金屬柵極具有極高的電子密度，可以提高器件的遷移率，有效解決多晶硅柵極耗盡問題。ALD工藝可以用于制備金屬柵極，確保沉積的金屬薄膜具有良好的臺階覆蓋率和平整度，從而提高器件的性能和可靠性。

3. 銅互連阻擋層

在半導(dǎo)體互連技術(shù)中，銅（Cu）因其優(yōu)良的導(dǎo)電性而得到廣泛應(yīng)用。然而，銅的擴散速度很快，容易在電介質(zhì)內(nèi)部移動使器件“中毒”。因此，在鍍銅之前必須首先沉積一層防擴散的阻擋層。ALD工藝可以用于制備銅互連阻擋層，如氮化鈦（TiN）等。在高深寬比下，ALD沉積的阻擋層仍具有良好的均勻性以及防擴散阻擋特性。

4. 微型電容器

在存儲器芯片中，微型電容器是關(guān)鍵的組成部分。隨著存儲器容量的擴大，內(nèi)部電容器數(shù)量劇增，單個電容器尺寸進一步減小。電容器內(nèi)部溝槽的深寬比越來越大，對沉積薄膜的有效面積和均勻性提出了更高要求。ALD工藝可以滿足大面積均勻性、高臺階覆蓋率和對膜厚的精確控制要求，適用于制備高性能的微型電容器。

5. 其他應(yīng)用領(lǐng)域

除了上述應(yīng)用領(lǐng)域外，ALD工藝還在半導(dǎo)體制造的其他領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在MEMS器件制造中，ALD工藝可以用于制備高精度的薄膜電極和介質(zhì)層；在光電子器件制造中，ALD工藝可以用于制備高反射率和耐候性的光學(xué)涂層等。

四、半導(dǎo)體制造中選用ALD工藝的原因

在半導(dǎo)體制造中選用ALD工藝的原因可以歸納為以下幾點：

• 滿足高精度、高均勻性要求：隨著半導(dǎo)體器件的不斷縮小，對薄膜沉積的精度和均勻性提出了更高要求。ALD工藝以其原子級的控制精度和優(yōu)異的均勻性滿足了這一需求。
• 適應(yīng)復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)：在先進半導(dǎo)體器件中，復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。ALD工藝能夠在這些結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生均勻且保形的涂層，確保器件的性能和可靠性。
• 多功能性：半導(dǎo)體制造中需要用到多種材料，包括絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體等。ALD工藝可廣泛應(yīng)用于各種材料，滿足半導(dǎo)體和電子設(shè)備制造中各種薄膜需求。
• 低溫沉積：許多半導(dǎo)體器件對溫度敏感，需要在較低的溫度下進行沉積。ALD工藝的低溫沉積特性使其適用于這些器件的制造。

五、ALD工藝面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢

盡管ALD工藝在半導(dǎo)體制造中具有諸多優(yōu)勢，但其也面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，ALD工藝的沉積速度相對較慢，這限制了其在一些需要快速沉積的應(yīng)用領(lǐng)域中的使用。此外，ALD工藝對設(shè)備的要求較高，需要專門的反應(yīng)室和精密的控制系統(tǒng)。

然而，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的不斷拓展，ALD工藝的未來發(fā)展趨勢仍然值得期待。一方面，研究人員正在不斷探索新的前驅(qū)體和反應(yīng)條件，以提高ALD工藝的沉積速度和薄膜質(zhì)量。另一方面，隨著半導(dǎo)體器件的不斷縮小和復(fù)雜度的提高，ALD工藝在半導(dǎo)體制造中的重要性將進一步提升。

此外，ALD工藝還與其他先進技術(shù)相結(jié)合，形成了新的發(fā)展方向。例如，將ALD工藝與光刻技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)自對準多重圖案化；將ALD工藝與刻蝕技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)原子層刻蝕（ALE）等。這些新技術(shù)的出現(xiàn)將進一步拓展ALD工藝的應(yīng)用領(lǐng)域和潛力。

六、結(jié)語

綜上所述，ALD工藝憑借其獨特的優(yōu)勢在半導(dǎo)體制造中得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的不斷拓展，ALD工藝將在半導(dǎo)體制造中發(fā)揮越來越重要的作用。未來，隨著半導(dǎo)體器件的不斷縮小和復(fù)雜度的提高，ALD工藝將繼續(xù)推動半導(dǎo)體技術(shù)的整體進步和發(fā)展。對于半導(dǎo)體制造企業(yè)和研究人員來說，深入了解ALD工藝的原理、優(yōu)勢和應(yīng)用場景，將有助于更好地掌握這一先進技術(shù)，推動半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。