1、1ALD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。3ALD技术的主要优点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
2、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4一个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。5(1)挥发性好(易液化)。(2)高反应性。(3)良好的化学稳定
3、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。前驱体具有的特点6前驱物的自约束条件吸附达到饱和 不再继续生长7ALD特征对沉积薄膜的内在影响实际应用中的优势自约束的表面反应薄膜厚度只取决于循环次数精确控制薄膜厚度,形成达到原子层厚度精度的薄膜前驱物是交替通入反应室以精确控制薄膜成分,避免了有害物质的污染前驱体是饱和化学吸附很好的台阶覆盖率及大面积厚度均匀性连续反应薄膜无针孔、密度高8三种常见的三种常见的ALDALD技术技术uT-ALDuPE-ALDuEC-ALD9 热处理原子层沉积(Thermal-ALD,T-ALD)法是传统的
4、、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。uPE-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。uEC-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。uT-ALD10PE-ALDPE-ALD相比较相比较T-ALDT-ALD
5、，具有如下几个优点，具有如下几个优点l 具有更快的沉积速率和较低的沉积时间l 降低了薄膜生长所需的温度l 单体可选择性强l 可以生长出优异的金属薄膜和金属氮化物11EC-ALDEC-ALD相比较相比较T-ALDT-ALD，具有如下几个优点，具有如下几个优点lEC-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;l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;l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;l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
6、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。12131415方法ALDMBECVDSputterEvaporPLD厚度的均匀性好较好好好较好较好薄膜密度好好好好不好好台阶覆盖好不好多变不好不好不好界面质量好好多变不好好多变原料的数目不好好不好好较好不好低温沉积好好多变好好好沉积速率不好不好好好好好工业适用性好较好好好好不好16高高K K介质材料介质材料 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（）不足以防止泄漏
7、电流，导致不必要的电容放电。新的更高的材料正在考虑。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17Candidate High MaterialsMaterialDielectric constant()Si3N4/SiO25-6Sc2O310Al2O38-9Y2O315HfO221ZrO222LaAlO325Ta2O525La2O325-30SrTiO3200BaxSr1-xO330018IC互连技
8、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 RuA
9、lO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。19 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 ITS 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 m 深硅纳米尖锥(SiNT)阵列表面，沉积了 Zn
10、O/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 F/cm2，比采用普通电极结构的 MIM 纳米电容高约 30倍。2021其他应用lHigh-k Gate Dielectrics and Metal GatelSacrificial Spacers and Hard masks for IC PatterninglRF and Linear CapacitorslGate SpacerslTSV Liners and Barr
11、ierslResistive MemorieslMetal Barrier and Seed Layers for Dual Damascene InterconnectlW Nucleation LayerslFinFET2223所遇到的问题所遇到的问题 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24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）25
