- 原子層淀積的基本原理
- 原子層淀積設(shè)備的設(shè)計(jì)
- 選擇合適的金屬
- 采用新型的結(jié)構(gòu)
原子層淀積(ALD)技術(shù)正逐漸成為了微電子器件制造領(lǐng)域的必須。ALD技術(shù)于1977年首次由TuomoSuntola博士發(fā)明，他利用ZnC12和H2S來(lái)淀積應(yīng)用于電致發(fā)光器件中的硫化鋅薄膜。多年來(lái)，原子層淀積技術(shù)的應(yīng)用范圍涉及從液晶顯示面板(LCDpanel)到工業(yè)涂層等多種領(lǐng)域，目前，該技術(shù)正被開拓到先進(jìn)微電子制造工藝中，例如制備用于晶體管柵堆垛及電容器中的高k介質(zhì)和金屬薄膜、銅阻擋/籽晶膜、刻蝕終止層、多種間隙層和薄膜擴(kuò)散阻擋層、磁頭以及非揮發(fā)存儲(chǔ)器等。
ALD相比傳統(tǒng)的MOCVD和PVD等淀積工藝具有先天的優(yōu)勢(shì)。它充分利用表面飽和反應(yīng)（surfacesaturationreactions），天生具備厚度控制和高度的穩(wěn)定性能，對(duì)溫度和反應(yīng)物通量的變化不太敏感。這樣得到的薄膜既具有高純度又具有高密度，既平整又具有高度的保型性，即使對(duì)于縱寬比高達(dá)100:1的結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)良好的階梯覆蓋。ALD也順應(yīng)工業(yè)界向更低的熱預(yù)算發(fā)展的趨勢(shì)，多數(shù)工藝都可以在400攝氏度以下進(jìn)行，而傳統(tǒng)的化學(xué)氣相淀積工藝要在500攝氏度以上完成。
ALD的基本原理
ALD的基本步驟如圖一所示。這種淀積過程是在經(jīng)過活性表面處理的襯底上進(jìn)行的。首先將第一種反應(yīng)物引入反應(yīng)室使之發(fā)生化學(xué)吸附，直至襯底表面達(dá)到飽和。過剩的反應(yīng)物則被從系統(tǒng)中抽出清除，然后將第二種反應(yīng)物放入反應(yīng)室，使之和襯底上被吸附的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。剩余的反應(yīng)物和反應(yīng)副產(chǎn)品將再次通過泵抽或惰性氣體清除的方法清除干凈。這樣就可得到目標(biāo)化合物的單層飽和表面。這種ALD的循環(huán)可實(shí)現(xiàn)一層接一層的生長(zhǎng)從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)淀積厚度的精確控制。
[page]由于ALD是基于在交互反應(yīng)過程中的自約束性生長(zhǎng)，此工藝必須經(jīng)過精細(xì)的調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到最合適的結(jié)果。即使原子層淀積唯一的表面反應(yīng)特征降低了正?；瘜W(xué)氣相淀積對(duì)溫度、壓力和組分的嚴(yán)格要求，人們?nèi)匀恍枰獌?yōu)化ALD的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確的厚度控制和超級(jí)的保型性。反應(yīng)室溫度是用來(lái)控制表面飽和的重要參數(shù)之一，作為ALD的基礎(chǔ)，反應(yīng)室溫度起著兩個(gè)主要作用：提供原子層淀積反應(yīng)所需的激活能量和幫助清除單原子層形成過程中的多余反應(yīng)物和副產(chǎn)品。單原子層形成最理想的ALD溫度窗口，如圖2所示。ALD工藝窗口與反應(yīng)物的選擇、用量以及清除息息相關(guān)。為了獲得完全的單層覆蓋，足量的具有熱穩(wěn)定性的反應(yīng)物，即在反應(yīng)溫度下不會(huì)分解的反應(yīng)物，被引入到襯底上。人們往往使用過量的反應(yīng)物來(lái)確保實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。通常采用以下幾種參數(shù)來(lái)控制反應(yīng)物的劑量：反應(yīng)物源的溫度、流量、分壓以及這個(gè)反應(yīng)室的壓力。
圖3中的飽和曲線說明了ALD過程的自約束特性。生長(zhǎng)率隨脈沖時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，直到達(dá)到飽和條件。達(dá)到飽和以后，增長(zhǎng)率為常數(shù)，且不再隨脈沖時(shí)間變化而變化。但是，如果同時(shí)存在一種寄生的CVD生長(zhǎng)成分或反應(yīng)物的分解的話，增長(zhǎng)率就會(huì)顯著增加。因而，飽和曲線通常用來(lái)確定ALD的純度。ALD生長(zhǎng)速率介于每循環(huán)0.3埃到1.5埃間。雖然ALD的生長(zhǎng)速率在制備很薄的膜（<200埃）時(shí)還可以接受，但在用ALD生長(zhǎng)厚膜時(shí)，生長(zhǎng)周期就成為挑戰(zhàn)。
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因?yàn)锳LD在半導(dǎo)體制造的不同領(lǐng)域都經(jīng)過評(píng)估和采用，所以選擇合適的原始反應(yīng)物（precursor）就變得日益重要。ALD原始反應(yīng)物應(yīng)當(dāng)具備幾個(gè)“理想”的品質(zhì)，即要具有一定的揮發(fā)性和可重復(fù)的汽化率；理想情況下不應(yīng)在反應(yīng)溫度下發(fā)生自身反應(yīng)或分解；應(yīng)當(dāng)極易與補(bǔ)充反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)；應(yīng)能產(chǎn)生可揮發(fā)的副產(chǎn)品；基于生長(zhǎng)速率和成核的原因應(yīng)具有最佳的配合基尺寸。為了使用方便，原始反應(yīng)物最好為液體有機(jī)金屬物，但是薄膜的性質(zhì)和應(yīng)用指標(biāo)(如雜質(zhì)含量、電學(xué)特性等)應(yīng)該決定材料的選擇。另外，對(duì)制備成本的關(guān)注也要求反應(yīng)源能與傳統(tǒng)的制備工藝在成本上更有競(jìng)爭(zhēng)性。ALD具有很高的反應(yīng)源的使用效率，這通常能平衡新反應(yīng)源的高價(jià)格。隨著ALD進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)，并且工業(yè)界減少對(duì)反應(yīng)源的選擇，對(duì)成本的顧慮將可能會(huì)隨著化學(xué)品供應(yīng)商規(guī)?；渖L(zhǎng)流程而減輕。利用現(xiàn)有的反應(yīng)源，目前人們已經(jīng)可以制備多種多樣的ALD薄膜（圖4）。
ALD的變數(shù)
雖然ALD最初僅被視為一個(gè)純粹的熱工藝，但是對(duì)基本的原子層淀積循環(huán)的微小變更已經(jīng)提出了多年。最常見的變種是等離子體增強(qiáng)原子層沉積工藝(PEALD)。PEALD可取消原子層淀積中的一個(gè)步驟，從而進(jìn)一步縮短生產(chǎn)周期。PEALD過程中，在淀積溫度下互不發(fā)生反應(yīng)的互補(bǔ)反應(yīng)源在同一時(shí)間被引入到反應(yīng)室，然后反應(yīng)源關(guān)閉并凈化反應(yīng)室，接著施加一個(gè)直接的等離子脈沖，這個(gè)等離子體環(huán)境產(chǎn)生高活性自由基并與吸附于襯底的反應(yīng)物反應(yīng)。關(guān)閉等離子可迅速清除活性自由基源，反應(yīng)室中一直流過的清潔氣體將清除過剩自由基和反應(yīng)副產(chǎn)物(圖5)。除了較高的生長(zhǎng)速度和較短的周期時(shí)間，PEALD薄膜表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的原子層淀積薄膜更高的密度和更高的擊穿電壓。該技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)應(yīng)用中取得了發(fā)展，如DRAM、MIM和eDRAM電介質(zhì)薄膜。不過在一些關(guān)鍵的薄膜應(yīng)用中，如高功率柵介質(zhì)，等離子損傷以及界面氧化的顧慮阻礙了PEALD技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
硬件設(shè)計(jì)
ALD設(shè)備的設(shè)計(jì)通常可分為熱壁反應(yīng)室和冷壁反應(yīng)室兩大類。熱壁反應(yīng)室將整個(gè)反應(yīng)室維持或接近于淀積溫度，熱壁反應(yīng)室的主要優(yōu)勢(shì)是在反應(yīng)室側(cè)壁上所淀積的也都是高品質(zhì)的ALD薄膜，熱壁反應(yīng)室設(shè)備往往能阻止薄膜的早期剝離，由于從加熱的側(cè)壁脫附的反應(yīng)源流量較高，從而加速了對(duì)反應(yīng)空間的清潔。冷壁反應(yīng)室通常只將襯底加熱到淀積溫度，其它反應(yīng)室組件卻維持在較低的溫度，這將有利于傳送在淀積溫度可能分解的反應(yīng)物，但風(fēng)險(xiǎn)是易受長(zhǎng)時(shí)間凈化的影響，冷壁表面的反應(yīng)源脫附速率的降低導(dǎo)致了更大的化學(xué)氣相淀積成分。隨著反應(yīng)室內(nèi)淀積薄膜的積累，上述問題會(huì)進(jìn)一步惡化。
不同配置的ALD設(shè)備可用于半導(dǎo)體制造的不同工藝中。ALD反應(yīng)室可以是單晶圓設(shè)備、小批量晶圓(<25晶圓負(fù)載)設(shè)備、或大批量晶圓（50-100晶圓負(fù)載）系統(tǒng)。單晶圓設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝極好地控制，而多晶圓系統(tǒng)能極大地提升生產(chǎn)能力。應(yīng)用對(duì)薄膜的要求決定如何選擇合適的設(shè)備裝置。此外，一些ALD薄膜很難均勻地在大批量晶圓系統(tǒng)中淀積，這就必須使用單晶圓或小批量晶圓工藝設(shè)備。[page]
應(yīng)用
自從CMOS晶體管發(fā)明以來(lái)，二氧化硅和后來(lái)的氮氧硅已經(jīng)成為完美的柵介質(zhì)材料，使得柵介質(zhì)厚度從1000埃減小到大約10個(gè)埃。這使得集成電路的晶體管數(shù)量大約每24個(gè)月翻一番(摩爾定律)，目前量產(chǎn)器件的尺寸已縮小到65納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)。由于量子力學(xué)隧穿機(jī)理，電子很容易通過非常薄的柵氧化層，進(jìn)一步減小二氧化硅會(huì)造成額外的功率損耗問題。在45nm及以下工藝，較厚的高k電介質(zhì)材料替代了二氧化硅或氮氧硅柵介質(zhì)以減少漏電流。高K柵介質(zhì)的等效氧化層厚度的表達(dá)式為:
EOT=(kSiO2/kHK)/tox
Ksio2為二氧化硅的介電常數(shù)，Khk為高K介質(zhì)材料介電常數(shù)，tox為高K介質(zhì)材料的物理厚度。采用高k材料，能夠淀積較厚薄膜，同時(shí)保持結(jié)柵介質(zhì)EOT的縮放比例。柵氧化層高K材料必須被淀積以取代在過去幾十年中的關(guān)鍵柵氧化工藝方法-熱氧化工藝方法。這在世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個(gè)巨大的變化，因?yàn)橐环N淀積工藝方法現(xiàn)在必須達(dá)到氧化爐中得到的柵氧介質(zhì)的均勻性和缺陷特性。業(yè)界的領(lǐng)先企業(yè)在45納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)正引入基于鉿(Hf)的高k柵介質(zhì)化合物，其它公司有望32納米節(jié)點(diǎn)采用高k柵方案。
當(dāng)高k材料替代二氧化硅材料后，金屬柵必須取代傳統(tǒng)的多晶硅柵以充分實(shí)現(xiàn)電學(xué)優(yōu)勢(shì)。由于費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，多晶硅耗盡和化學(xué)不穩(wěn)定性，多晶硅柵電極已被發(fā)現(xiàn)與高k柵介質(zhì)不兼容。圖6顯示了二氧化硅(SiO2)和二氧化鉿(HfO2)柵介質(zhì)的柵級(jí)漏電流比較。在相同的等效氧化層厚度(EOT)下，HfO2/TiN柵堆的柵漏電流要比傳統(tǒng)的SiO2/Poly-Si柵堆的柵漏電流小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
然而，金屬柵集成到柵工藝的模塊中是極其復(fù)雜的。選擇合適的金屬是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樽鳛殡姌O其功函數(shù)必須能夠調(diào)校到CMOS器件的合適工作范圍之內(nèi)。這將可能引入雙金屬柵方法:即為nMOS和pMOS晶體管提供不同的金屬柵。后續(xù)處理工藝也能影響到金屬電極的功函數(shù)，從而導(dǎo)致電學(xué)性能的偏移，如閾值電壓等。高溫處理(約1000℃)，如源/漏極的摻雜激活退火，可以導(dǎo)致金屬電極的功函數(shù)移動(dòng)和高k介質(zhì)材料的晶化。現(xiàn)在已對(duì)可以減輕這些效應(yīng)的一些技術(shù)進(jìn)行了研究，包括在柵介質(zhì)和金屬柵之間采用薄覆蓋(cap)層以幫助調(diào)節(jié)功函數(shù)，并添加氧化鋯(ZrO2)到二氧化鉿(HfO2)薄膜中以增加在高溫處理過程中高k柵介質(zhì)的穩(wěn)定性。
[page]半導(dǎo)體制造中首次大量采用ALD是在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)工藝中。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)尺寸越來(lái)越小是為了提高電容密度和減小存儲(chǔ)器每一比特的成本。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中要求高縱寬比的溝槽結(jié)構(gòu),原子層淀積具有這種功能,并能淀積高質(zhì)量的膜層。用ALD淀積的高k介質(zhì)能進(jìn)一步減小EOT，自2000年開始，ALD三氧化二鋁(Al2O3)就應(yīng)用于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)制造中。
最近，Al2O3/HfO2以及Al2O3/ZrO2結(jié)構(gòu)也引起了人們的關(guān)注。PEALD也已經(jīng)用于eDRAM中。電容滿足所有的要求，即等效氧化層厚度要小于8埃，125攝氏度時(shí)漏電流要小于1fA/cell，工作電壓為1伏時(shí)壽命要大于十年。圖7為典型的ALD薄膜在深槽結(jié)構(gòu)的保角性和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器生產(chǎn)中的半球形硅晶結(jié)構(gòu)，金屬ALD薄膜，例如氮化鈦(TiN)也廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器制造中的電容電極。
在非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的應(yīng)用中，人們也開始研究ALD在介質(zhì)和金屬淀積中的應(yīng)用。閃存技術(shù)主要由浮柵（floatinggate）技術(shù)主導(dǎo)(圖8)。高k電介質(zhì)目前正被研究作為二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)柵介質(zhì)的替代品，以改善浮柵和控制柵之間的電容耦合率。到2010年，浮柵技術(shù)可望被一些技術(shù)所取代，例如電荷捕獲存儲(chǔ)器(TANOS,NROM)，相變存儲(chǔ)器(PCM)、鐵電記憶體(存儲(chǔ)器)，三維堆疊式存儲(chǔ)器也正在研究中。ALD已被用作這些技術(shù)的阻擋層和擴(kuò)散阻擋層。
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)之外，ALD的重要性也今非昔比。ALD氧化鋁在制備薄膜磁頭(THMH)制造中已經(jīng)使用了許多年。THMH復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括多層薄金屬和介質(zhì)薄膜。ALD薄膜層被用作磁頭結(jié)構(gòu)中的帶隙介質(zhì)層和硅片級(jí)處理完成后的壓縮層。
ALD技術(shù)的獨(dú)特性決定了其在半導(dǎo)體工業(yè)中的運(yùn)用前景十分廣泛。器件尺寸的縮小導(dǎo)致的介質(zhì)薄膜厚度的減小已超出了其物理和電學(xué)極限，同時(shí)高縱寬比在器件結(jié)構(gòu)中隨處可見。由于傳統(tǒng)的淀積技術(shù)很難滿足需求，ALD技術(shù)已充分顯示了其優(yōu)勢(shì)，為器件尺寸的繼續(xù)微縮提供了更加廣闊的空間。
