-
ALD
技术的发展与应用
摘要：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、<
/p>
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领域。本文简要介绍了
ALD
技术的原理、
沉积周期、特征、优势、化
学吸附自限制
ALD
技术及
ALD
本身作为一种技术的发展状况
(T-ALD,PE-ALD
和
EC-ALD
等
);
< br>重点叙述了
ALD
技术在半导体领域
(
高
k
材料、
IC
互连技术等
)
应用。
最后
,
对
ALD
未来
的发展应用前景进行了展望。
关键字：原子层沉积
;
薄膜沉淀
;
高
K
材料
< br>;
铜互连
The Develpoement and Application of ALD
Technology
Su yuan
SchoolofMicroelectronics
,
X
idianUniversity
,
Xi
’
anShanxi710071
Abstract
：
The
latest development of atomic layer
deposition(ALD)technology was tentatively reviewed
.ALD has
been
widely
used
in
fabrication
of
electronics
chips
because
ALD
is
capable
of
depositing
highly
pure
homogenous films with
well-controlled film thickness and chemical
contents .The discus-sions focused on :i)the
principle
of
ALD
technology
,its
characteristics,and
technical
advantages
;ii)the
mechanisms
of
chemical
self-
limiting(CS)
and
possible
ways
to
achieve
ALD
,
such
as
thermal-ALD(T-ALD),
plasma-enhanced
ALD(PE-ALD),
electro
chemical
ALD(EC-ALD),
and
etc.i;ii)its
applications
in
synthesis
ofhigh
k
materials
,
interconnecting materials for
integrated circuit(IC).The development trends of
ALD technology and its potential
applications were also briefly
discussed.
Keyword
：
ALD
;Film-Deposition high-k material Cu-
Interconnecting
一、引言
随着半导体工艺的不断发展，
基于微结构的集成期间在进一步微型化和集成
化，特征尺寸已经缩小到了亚微米和纳米量级。芯片尺寸以及线宽的不断缩小、
功能的不断提升成为半导体制造业技术的关键，特别是对薄膜的要求日益增加，
例如薄膜厚度的均匀性和质量的严格要求。这就使得传统的
CVD
沉积技术，已
很难有效地精确控制薄膜特性及满足日益严苛的工艺技术要求，
特别是随着复杂
高深宽比和多孔纳米结构的应用
【
1
】
。
目
前具有发展潜力的一种技术就是原子层沉
积
(
< br>AtomicLayer Deposition,ALD
)
。
原子层沉积技术
(
Atomic
Layer
Deposition
；
ALD)
，最初称为原子层外延
(
Atomic
Layer
Epitaxy
，
ALE)
，也称为原子层化学气相沉积
(
Atomic
Layer
Chemical
Vapor
De
position
，
ALCVD)
。其
产生可以追溯到芬兰科学家
Suntolabo
在
20
世纪六、
七十年代的研究工作。
20
世纪
80
年代后期，
采用
ALD
技术生长
Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—Ⅴ族单晶化合物以及制备有序异质超晶格而受到关注，
但由于这
一工艺涉及复杂表面化学过程和较低沉积温度，并没有获得实质性的突破。
< br>20
世纪
90
年代中后期，随着
微米和深亚微米芯片技术的发展，集成器件进一步微
型化，结构进一步复杂化，相比其他
传统薄膜制备技术，
ALD
技术在加工三维
高深宽比微纳结构超薄膜上的优势逐渐体现。自
2001
年
国际半导体工业协会
（
ITRS
）
将
ALD
与金属有机化学气相沉积
（
MOCVD
）
、
等离子体增强化学气相沉
积（
PECVD<
/p>
）并列作为与微电子工艺兼容的候选技术以来，其发展势头强劲，
赢得众多科研人员的关注
【
2
】
，
已经成为新一代微纳器件功能薄膜制备中的一项关
< br>键技术，为制造低成本、超精细的微纳器件创造了条件。
如图
1
所示，根据数据，从
2004
-2015
年，
ALD
设备的市场份额
每年增加约
22%
。同时表
1
，也列出了现在以及未来，
ALD
和
PEALD
技术可能的微电子应用
范围
【
3
】
。
900.0
800.0<
/p>
700.0
M
a
r
k
e
t
<
/p>
S
i
z
e
(
$$
M
)
22%/yr
600.0
500.0
400.0
300.0
2
00.0
100.0
2
0
0
5
2
0
< br>0
6
2
0
0
7
2
0
0
8
2
0
0
9
2
0
1
0
2
0
1
1
2
0
1
< br>2
2
0
1
3
2
0
1
4
2
0
1
5
2
0
0
4
0.0
Year
图
1
：
2004
< br>—
2015
年，
ALD
设备的市场份额
表
1
：
ALD
和
P
EALD
在微电子领域的发展趋势
Micro-electronics applications of ALD
and PEALD
IC
Non-
IC
EL Displays
FRAM
Passivation
DRAM Capacitor
Dielectric
RF BEOL Capacitor
Dielectric
Magnetic Head
Dielectric
CMOS Image
Sensor
MOS Gate Dielectric
W
Contact Liner
DRAM Capacitor
Electrode
Magnetic Head
Metal
Double Patterning
MOS
Gate Electrode
MEMS Printer
Head
Gate Spacer
Other MEMS
Applications
TSV
Liners
Contact
Metal/Silicide
PV
Passivation
Sensors, e-Nose
Cu
Barrier and Seed
Active Matrix
Displays
Resistive
Memories
Other PV
Applications
OLED
Applications
Deposition on III-V and
Ge
LED Applications
ITO
Replacement
Emerging
Devices
Other Photonics
Carbon Electronics
Solid
State Batteries
Fuel Cells
F
u
t
u
r
e
C
u
r
r
e
n
t
二、原子层沉积技术的原理
ALD
沉积技术，
本质上是
CVD
技术的一种，
但是又与传统的
CVD
技术不同。
它是一种在速率可控制的条件下，
利用反应气体与基板之间的气－固相反应，
来
完成工艺的需求；
将前驱体气体和反应气体
脉冲交替性的通入反应腔体，
在沉积
基体上化学吸附或者反应，
一层一层的生长单原子膜的方法。
ALD
技术的主要优点：
（
1
）前驱体是饱和化学吸附，保证生成大面积均
匀性的薄膜
（
2
）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
（
3
）可轻易进行
掺杂和界面修正
（
4
）可以沉积多组份纳米薄片和混合氧化物
（
5
）薄膜生长可在低温（室温到
400
℃）下进行
（
6
）固有的沉积均匀性，易于缩放，可直接按比例放大
（
7
）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
（
8
）对尘埃相对不敏感，薄膜可在尘埃颗粒下生长
（
9
）排除气相反
应
（
10
）
可广泛适用于各种形状的基底
（
11
）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。
每一个
生长周期只能生长单原子层薄膜，
从而可以实现对趁机厚度的精确控
制。
由于可完成精度较高的工艺，
因此被视为先进半导体工
艺技术的发展关键环
节之一。
图
2
：一个
ALD
的沉淀周期
ALD
技术沉淀
Al2O3:
（
1
）对羟基硅表面形成三甲基铝化学吸附；
（
2
）三甲
基铝反应产生
CH4
，通入惰性气体吹扫出多余气体；
（
3
）三甲基铝与水
蒸气反应；
（
4
）之后，吹入更多惰性气体去除三甲基铝；
（
5
）重复
ALD
过程，形
成
Al2O3:
薄膜。
图
3
用<
/p>
ALD
沉淀
Al
2
O
3
的制备过程
ALD
技术对化学前驱物的要求与适用于
C
VD
的那些材料不同。前躯体起着
至关重要的作用
,
通常它需满足以下条件：
（
1
）挥发性好
(
易液化
)
。以此降低对整个工艺条件的需求。
（
2
）
高反应性。
因为高反应性前驱体应能迅速发生化学吸附
,
或快速发生有
效的反应
,
可以保证使表面膜具有高的纯度
,
并
避免在反应器中发生气相反应而
增加薄膜缺陷。
（
3
）
良好的化学稳定性。
反应前驱体必须有足够好的化学稳定性
,
在最高的
工艺温度条件下不会在反应器和衬底材料表面发生自分解。
（
4
）不会对薄膜或基片造
成腐蚀且反应产物呈惰性。这样反应产物不会腐
蚀或溶解衬底及薄膜
,
不会再吸附到膜层表面而阻碍自限制薄膜的继续生长
,
否
则将阻碍自限制薄膜的生长。
（
5
）
液体或气体
为佳。
这样可以避免物料结块
,
以免发
生堵塞或结垢等问题。
（
6
）材料没有毒性
,
防止发生环境污染。
非自约束生长<
/p>
增
长
速
率
自约束生长
前驱物
图
4
自约束和非自约束状态时的理论生长速度
< br>
ALD
工艺与衬底表面前驱物的化学性质关系极大。特
别是为了获得好的粘附
性和形貌必须有较高的反应性，
不过在淀
积单原子层过程中要阻止再进入反应位
置的真正自约束生长。
在原子层沉积过程中，
新一层原子膜的化学反应是直接与之前一
层相关联的，
这种方式使每次反应只沉积一层原子。
这种自限制
性特征正是
ALD
技术的基础。
不断
重复这种自限制反应直至制备出所需厚度的薄膜。表
2
中列出了
ALD
的特
征、对薄膜沉积的内在影
响及其实际应用中的优势。
表
2 ALD
的特征、对薄膜沉积的内在影响及其实际应用中的优势
ALD
特征
自
约
束
的
表<
/p>
面反应
对沉积薄膜的内在影响
薄膜厚度只取决于循环次数
前驱物是交替通入反应室
实际应用中的优势
精确控制薄膜厚度
,
形成达到原子层
厚度精度的薄膜
以精确控制薄膜成分
,
避免了有害物
质的污染
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