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ALD原子层沉积技术发展及应用

ALD-Atomic Layer Deposition(原子层沉积)

随着微电子行业的发展, 集成度不断提高、器件尺寸持续减小, 使得许多传统微电子材料和科技面临巨大挑战, 然而原子层沉积(ALD)技术作为一种优异的镀膜技术, 因其沉淀的薄膜纯度高、均匀性及保行性好, 还能十分精确地控制薄膜的厚度与成分, 仍然备受关注并被广泛应用于半导体、光学、光电子、太阳能等诸多领域。


ALD技术的主要优点

•前驱体是饱和化学吸附,保证生成大面积均匀性的薄膜

•可生成极好的三维保形性化学计量薄膜,作为台阶覆盖和纳米孔材料的涂层

•可轻易进行掺杂和界面修正

•可以沉积多组份纳米薄片和混合氧化物

•薄膜生长可在低温(室温到400℃)下进行

•固有的沉积均匀性,易于缩放,可直接按比例放大

•可以通过控制反应周期数简单精确地控制薄膜的厚度,形成达到原子层厚度精度的薄膜

•对尘埃相对不敏感,薄膜可在尘埃颗粒下生长

•排除气相反应

•可广泛适用于各种形状的基底

•不需要控制反应物流量的均一性


一个ALD沉淀周期可以分为4个步骤:

(1)第一种反应前驱体与基片表面发生化学吸附或者反应;

(2)用惰性气体将多余的前驱体和副产物清除出反应腔体;

(3)第二种反应前驱体与基片表面的第一种前驱体发生化学反应,生成薄膜;

(4)反应完全后,在用惰性气体将多余的前驱体以及副产物清除出腔体。


前驱体具有的特点:

(1)挥发性好(易液化)。

(2)高反应性。

(3)良好的化学稳定性。

(4)不会对薄膜或基片造成腐蚀且反应产物呈惰性。

(5)液体或气体为佳。

(6)材料没有毒性, 防止发生环境污染。


前驱物的自我约束条件



三种常见的ALD技术:

T-ALD

热处理原子层沉积(Thermal-ALD , T-ALD)法是传统的、现在仍广泛使用的ALD 方法。它是利用加热法来实现ALD 的技术。

PE-ALD

等离子体增强(Plasma-Enhanced ALD , PE-ALD)工艺是等离子体辅助和ALD 技术的结合。通过等离子体离解单体或反应气体, 提供反应所需的活性基团, 替代原来ALD 技术中的加热。

EC-ALD

电化学原子层沉积(Electrochemical ALD , EC-ALD)将电化学沉积和ALD 技术相结合,用电位控制表面限制反应, 通过交替欠电位沉积化合物组分元素的原子层来形成化合物,又可以通过欠电位沉积不同化合物的薄层而形成超晶格。


PE-ALD相比较T-ALD,具有如下几个优点

具有更快的沉积速率和较低的沉积时间

降低了薄膜生长所需的温度

单体可选择性强

可以生长出优异的金属薄膜和金属氮化物



EC-ALD相比较T-ALD,具有如下几个优点

EC-ALE 法所用的主要设备有三电极电化学反应池恒电位仪和计算机, 工艺设备投资相对小, 降低了制备成本;

作为一种电化学方法膜可以沉积在设定面积或形状复杂的衬底上;

由于沉积的工艺参数(沉积电位、电流等)可控, 故膜的质量重复性, 均匀性, 厚度和化学计量可精确控制 ;

不同于其它热制备方法, EC-ALE 的工艺过程在室温下进行, 最大程度地减小了不同材料薄膜间的互扩散, 同时避免了由于不同膜的热膨胀系数不同而产生的内应力, 保证了膜的质量。


典型的ALD沉积过程——Al2O3沉积过程


典型的ALD沉积过程——TiO2沉积过程





一、高K介质材料

集成器件的小型化给当前材料的持续使用带来了严峻的挑战。在传统的微电子电路,由于二氧化硅介电层的物理限制,由硅/二氧化硅/金属组成的电容器,将无法运作。在纳米尺寸的二氧化硅的介电常数(κ)不足以防止泄漏电流,导致不必要的电容放电。新的更高的κ材料正在考虑。 1.5-10 nm厚层Zr、Hf和铝硅氧化物,ALD的生长过程产生的电流比SiO2的等效厚度具有更低的栅极漏。

ALD 制备的新型超薄TiO2/ Si3N4 叠栅介质薄膜具有优良的表面界面特性和良好的漏电流特性, 有能力成为下一代新型栅介质材料



二、IC互连技术——铜互连

因为Cu 具有良好的导电性和抗电迁移能力,且能够在低温下进行沉积, 所以目前Cu 工艺已经取代Al 工艺成为互连技术的主流技术。但Cu 高温下在Si 中有极高的扩散系数, 扩散到Si 中会形成能级复合中心, 降低Si 的少数载流子寿命使器件的性能发生退化, 利用ALD 技术可在Si 沉底表面沉积阻挡层克服其缺点。

T.Cheon 等采用ALD 技术, 在Si 基体上制备的RuAlO 薄膜, 作为无籽 Cu 的互连接防扩散阻挡层。其薄层电阻测试和X 射线衍射(XRD)结果表明:Cu(10 nm)/ RuAlO(15 nm)/ Si 结构在650 ℃经过30 min 的热处理后仍处于稳定状态, 并且在 RuAlO薄膜上经过电镀得到10 nm 厚的Cu 层, 有利于解决由于尺寸效应而引起Cu 阻抗增加的问题。


三、微型电容器

高速发展的动态随机存储器( DRAM) 面临着集成化和低功耗的挑战,国际半导体技术蓝图 ITRS 曾指出: “尽可能缩小存储单元大小的压力和提高单元电容的需求产生了矛盾,它迫使存储器设计者通过设计和材料的更新找到创造性的解决方案,在缩小存储单元尺寸的同时达到最低电容要求” 。目前,科研人员已经开始对微纳米尺度的电容器进行研究,其结构尺寸进一步减小,内部沟槽深宽比进一步增大这些都对加工工艺提出了更高的要求。

Han 等采用 ALD 技术在 1 μm 深硅纳米尖锥( SiNT) 阵列表面,沉积了 ZnO /Al2 O3 薄膜制备 MIM微电容器复合电极,如图 3 所示,沉积薄膜具有良好的均匀性和台阶覆盖率。这种具有较大深宽比的三维复合电极结构,有效增大了表面积,可以提高电荷储存能力。测试结果表明,其比电容可达300 μF /cm2,比采用普通电极结构的 MIM 纳米电容高约 30倍。


四、其他应用

高K栅介质和金属栅
用于IC图案化的断裂间隔物和硬掩模
射频和线性电容器
栅极垫片
TSV衬垫和隔板
电阻存储器
用于AL双镶嵌互连阻挡层和籽晶层
W成核层
FinFET



所遇到的问题:

生长速率很慢———最关键的问题

前驱体源材料的可选择性较小

低温时的不完全沉积

高温时的沉积薄膜分解



ALD技术发展

半导体产业正在转换到三维结构,进而导致关键薄膜层对ALD的需求;

特征尺寸的下降,导致其他成膜技术很难继续发展;

在更低尺寸的器件中,传统工艺会导致某些特性有难以控制的变化(K值,隧穿电流);

新型结构的产生,需要新技术的支持。(FinFET,多闸极元件)


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