一篇文章带你入门原子层沉积(ALD)

化学气相沉积

实际上，ALD是一种化学气相沉积 (CVD) ，也是芯片制造过程中最常用的薄膜生产方法之一。

在CVD技术中，气态的“前驱体”化学物质流向含有硅晶圆的工艺腔体，在晶圆表面发生反应，形成期望的膜和从腔体中释放的副产物。

等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 借助等离子体来降低沉积温度，同时保持良好的膜质量和沉积速度。这是一个很重要的优势，因为在部分CVD工艺中，先进半导体使用的材料需耐受更高的温度。

然而，PECVD工艺是“汤水态”的——前驱体、等离子体、副产物和其它分子碎片及物质都在腔体内浮动，从而很难将膜沉积控制到原子级。

原子层沉积

改善控制的秘诀是将沉积过程分为几个更容易控制的半反应。ALD工艺中，首先是覆盖（吸附）在暴露的晶圆表面的前驱体浸满整个反应腔。这一过程具有自限制性，因为前驱体只能吸附在暴露的区域，一旦全部被覆盖，吸附随即停止。

随后，第二种气体被引入并与前驱体发生反应，从而形成所需的材料。这一步骤也是自限制的：一旦前驱体耗尽，反应即停止。通过重复这两个步骤，我们就可以得到所需的膜厚度。

常见的划分步骤有以下几种。在一种被称为“空间隔离原子层沉积” (Spatial ALD)的技术中，晶圆在不同位置间移动，在每个位置上暴露于不同的前驱体。

另一种方法是固定晶圆，在腔体里交替引入和去除前驱体，即“时间隔离原子层沉积” (Temporal ALD) ，采用这种方法能在更均衡的环境下处理晶圆，从而改善成果，比如更好地控制关键尺寸的范围。

ALD有什么优势？

自限制性和序贯反应给ALD带来了众多优点。首先，虽然每次反应发生的沉积不完全是单个原子层，但膜厚度可被良好控制，并在晶圆上实现出色的均匀性。

更重要的是，ALD可以制造出与晶圆形状高度吻合的薄膜层，而且器件图形顶部、侧面和底部沉积的膜厚度都是相同的。这种极好的保形性是形成高纵横比和3D结构的关键。

最后，ALD产生的膜表面由易控制的化学成份组成，可达到原子级的光滑度。

如何应用ALD？

根据前驱体的选择，ALD工艺能够生成电介质（绝缘）和金属（导电）膜。ALD拥有众多优点，因此它被应用到多个领域，我们在这里做如下扼要介绍。

自对准图形

ALD在自对准图形技术中起到关键作用，能比当前的光刻技术形成更小的图形。在这种技术中，薄间隔物被沉积在预先定义的特征上。这层间隔膜必须高度保形并且非常均匀，因为它将限定最终图形的关键尺寸。

3D NAND

3D NAND存储器件的3D结构需要高度的工艺变异性控制，因此ALD非常合适用于在存储器孔的侧壁上形成介电膜。金属ALD也被用来替代栅格方案中的字线填充，这需要横向沉积，以完全填充狭窄的水平特征。

FinFET

FinFET的薄栅极侧壁的间隔物必须形成极其均匀的厚度并没有小孔。ALD能把控制栅极和三维鳍结构分开，是沉积该层的绝佳方式。

ALD的潜力

ALD的用途正不断拓展，例如，一项大有潜力的应用就是利用原有选择性膜的选择区域沉积。研究人员目前正在研发在特定位置沉积金属和电介质的方法，本质上来说，这是一种不同的图形化方式 。

选择性第一次成为了最重要的膜性质，并对5nm至3nm技术节点的集成至关重要。ALD也正被探索用来改进覆盖控制，或被用以将新图形准确地对接到现有的图形上。对下层电触点的任何偏移或错位都会减少传导率，并给芯片的性能带来负面影响。

展望未来，我们预计原子层工艺将在推动先进半导体制造方面发挥越来越重要的作用。 作为一项关键的技术支持，ALD将持续发展，被集成到下一代设备中，用以应对新的结构和缩放策略的挑战。