ALD对照CVD淀积技术的优势

Posted 2021-05-18 吴建明

ALD对照CVD淀积技术的优势

ALD 适合制备很薄的高K金属氧化物层，对腔室的真空度要求比较高，对反应气体源及比例的要求也较高。

目前沉积速率还是比较慢，大大限制了其在工业上的推广应用，不过随着设备技术的不断进步，包括ALD系统，前景还是很值得期待的。

ALD 除了常规的半导体高K 材料，太阳能等领域，军事上的用途： MCP ， 热和快中子探测等领域。
应用范围会越来越广，只是，沉积速率，成本和价格的问题，在制约推广。

如果说严重不足应该是源的问题，不像CVD的源那样广

有了合适的源，ALD才能更好的发挥作用。

ALD发展是很迅速的，推广的步伐随着微电子及光伏的发展也在加快。现在的突出问题是其沉积速率低，源是一方面，但不是主要的。

由于低温沉积、薄膜纯度以及绝佳覆盖率等固有优点，ALD（原子层淀积）技术早从21世纪初即开始应用于半导体加工制造。DRAM电容的高k介电质沉积率先采用此技术，但近来ALD在其它半导体工艺领域也已发展出愈来愈广泛的应用。

高k闸极介电质及金属闸极的ALD沉积对于先进逻辑晶片已成为标准，并且该技术正用于沉积间隔定义的双倍暨四倍光刻图样（SDDP、SDQP），用以推广传统浸润式微影的使用，以界定高密度逻辑，memory设计的最小特征尺寸。本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。

过去在平面元件中，虽可使用几个PVD与CVD步骤，但就闸极堆叠的观点而言，过渡到FinFET元件，需要全方位的ALD解决方案。FinFET大小尺寸及控制关键元件参数，对后闸极（gate last）处理的需求，按14nm制程，需用到全ALD层。有趣的是，使用FinFET减缓了效能提升，对介电质EOT缩放的需求，可用较缓慢的速度，调整闸极介电质厚度。

二氧化铪（HfO2）的厚度，对于最新一代的元件已缩小至15埃以下，再进一步的物理缩放，将会导致层形成不完全；对于二氧化铪的缩放，10至12埃似乎已达到极限。然而，利用能提升闸极堆叠k值，并且能使用实体较厚层之添加元素，本材料可预期延续，使用于更多代工艺，借以降低穿隧漏电流。

FinFET为解决平面结构中，某些关键整合难题的有效方式，尤其是控制短通道效应，以及使用轻掺杂或无掺杂通道，控制随机掺杂扰动。然而，对于先进制程节点，鳍部宽度已低于微影限制，需要ALD层，以供间隔定义的双倍光刻图样界定（SDDP）鳍部结构。

线缘粗糙度和CD圴匀度，在鳍部定义中扮演关键的角色，鳍部变异会使元件或晶圆之间的临界电压产生扰动。必须有效控制鳍部的蚀刻，以在最小化鳍部高度变异的同时，使晶体损害降到最低。由于邻近鳍部的阴影效应，对离子布植技术造成影响，鳍部的均匀掺杂会有挑战性。电浆掺杂也有类似问题。

将鳍部做成锥状，可以解决前述问题，解决覆盖性闸极介电质与金属沉积的忧虑，但下一代最终仍需要利用高掺杂、一致性、ALD层之固态掺杂之类的新颖方法以持续缩放鳍部。

在FinFET、多闸极元件中，Fin的侧边与上部为主动通道区。高k闸极介电质与金属闸极，必须以最小厚度及物理特性变异，以沉积于鳍部。变异将导致电晶体彼此之间产生临界电压变异和效能变异，或使鳍部的电流承载能力降低。另外，闸极接点金属，必须对闸极腔提供无空隙填充物。逐层ALD沉积快速地成为解决这些问题的唯一技术。

在标准平面替换闸极技术中，金属闸极堆叠，已由ALD、PVD以及CVD金属层的结合所组成。ALD用于覆盖性关键阻障物（critical barrier）与功函数（work function）设定层，而传统PVD和CVD用于沉积纯金属，给低电阻率闸极接点。

随着FinFET之类三维结构的出现，全方位ALD解决方案对于介电质、阻挡层与work function设定层，以及闸极接点具有关键性。最大热预算持续压低，理论上，金属沉积必须在低于500℃的温度下进行。纯金属之热ALD，在此温度范围具有挑战性，以及大部份将在此温度，形成纯金属的母材并不稳定，在沉积期间把杂质混入金属内。

然而，电浆增强型ALD（PEALD）的使用极具优势，这一技术能以混入最少杂质的方式，进行纯金属之低温沉积。直接或远端电浆两者皆可用于沉积纯金属，靠近闸极区，使用电浆仍留有某些忧虑。本产业持续评估不同低温金属母材，用以对藉由ALD沉积纯金属，提供一个适用于所有温度的解决方案。

三维架构和较低热预算的结合，对于特定关键薄膜沉积应用，需要由CVD与PVD移向ALD。在传统PVD与CVD技术领域中，已观察到对ALD替代的强烈关注。在不久的将来，可完全预期ALD扩展至MEOL与BEOL的应用。ALD母材的开发至关重要，尤其是在金属沉积空间中，以供交付特性与PVD/CVD基线效能匹配的薄膜。

除了确保ALD母材具有足够的反应性，母材的稳定度与蒸气压力具有关键性。若ALD大量取代传统的PVD和CVD技术，未来ALD母材的开发，在化学供应商、设备制造商以及元件制造商之间需密切配合，确保这些薄膜，能以可再生、生产保证的方式沉积。