ALD應用教學講解課件

ALD技術發(fā)展及應用1ALD-AtomicLayerDeposition（原子層沉積）隨著微電子行業(yè)的發(fā)展,集成度不斷提高、器件尺寸持續(xù)減小,使得許多傳統(tǒng)微電子材料和科技面臨巨大挑戰(zhàn),然而原子層沉積(ALD)技術作為一種優(yōu)異的鍍膜技術,因其沉淀的薄膜純度高、均勻性及保行性好,還能十分精確地控制薄膜的厚度與成分,仍然備受關注并被廣泛應用于半導體、光學、光電子、太陽能等諸多領域。2ALD技術的主要優(yōu)點?前驅體是飽和化學吸附，保證生成大面積均勻性的薄膜?可生成極好的三維保形性化學計量薄膜，作為臺階覆蓋和納米孔材料的涂層?可輕易進行摻雜和界面修正?可以沉積多組份納米薄片和混合氧化物?薄膜生長可在低溫（室溫到400℃）下進行?固有的沉積均勻性，易于縮放，可直接按比例放大?可以通過控制反應周期數(shù)簡單精確地控制薄膜的厚度，形成達到原子層厚度精度的薄膜?對塵埃相對不敏感，薄膜可在塵埃顆粒下生長?排除氣相反應?可廣泛適用于各種形狀的基底?不需要控制反應物流量的均一性3一個ALD沉淀周期可以分為4個步驟：（1）第一種反應前驅體與基片表面發(fā)生化學吸附或者反應；（2）用惰性氣體將多余的前驅體和副產(chǎn)物清除出反應腔體；（3）第二種反應前驅體與基片表面的第一種前驅體發(fā)生化學反應，生成薄膜；（4）反應完全后，在用惰性氣體將多余的前驅體以及副產(chǎn)物清除出腔體。4(1)揮發(fā)性好(易液化)。(2)高反應性。(3)良好的化學穩(wěn)定性。(4)不會對薄膜或基片造成腐蝕且反應產(chǎn)物呈惰性。(5)液體或氣體為佳。(6)材料沒有毒性,防止發(fā)生環(huán)境污染。前驅體具有的特點5前驅物的自約束條件吸附達到飽和不再繼續(xù)生長6ALD特征對沉積薄膜的內在影響實際應用中的優(yōu)勢自約束的表面反應薄膜厚度只取決于循環(huán)次數(shù)精確控制薄膜厚度,形成達到原子層厚度精度的薄膜前驅物是交替通入反應室以精確控制薄膜成分,避免了有害物質的污染前驅體是飽和化學吸附很好的臺階覆蓋率及大面積厚度均勻性連續(xù)反應薄膜無針孔、密度高7三種常見的ALD技術T-ALDPE-ALDEC-ALD8熱處理原子層沉積(Thermal-ALD,T-ALD)法是傳統(tǒng)的、現(xiàn)在仍廣泛使用的ALD方法。它是利用加熱法來實現(xiàn)ALD的技術。PE-ALD等離子體增強(Plasma-EnhancedALD,PE-ALD)工藝是等離子體輔助和ALD技術的結合。通過等離子體離解單體或反應氣體,提供反應所需的活性基團,替代原來ALD技術中的加熱。EC-ALD電化學原子層沉積(ElectrochemicalALD,EC-ALD)將電化學沉積和ALD技術相結合,用電位控制表面限制反應,通過交替欠電位沉積化合物組分元素的原子層來形成化合物,又可以通過欠電位沉積不同化合物的薄層而形成超晶格。T-ALD9PE-ALD相比較T-ALD，具有如下幾個優(yōu)點具有更快的沉積速率和較低的沉積時間降低了薄膜生長所需的溫度單體可選擇性強可以生長出優(yōu)異的金屬薄膜和金屬氮化物10EC-ALD相比較T-ALD，具有如下幾個優(yōu)點EC-ALE法所用的主要設備有三電極電化學反應池恒電位儀和計算機,工藝設備投資相對小,降低了制備成本;作為一種電化學方法膜可以沉積在設定面積或形狀復雜的襯底上;由于沉積的工藝參數(shù)(沉積電位、電流等)可控,故膜的質量重復性,均勻性,厚度和化學計量可精確控制;不同于其它熱制備方法,EC-ALE的工藝過程在室溫下進行,最大程度地減小了不同材料薄膜間的互擴散,同時避免了由于不同膜的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的內應力,保證了膜的質量。11121314方法ALDMBECVDSputterEvaporPLD厚度的均勻性好較好好好較好較好薄膜密度好好好好不好好臺階覆蓋好不好多變不好不好不好界面質量好好多變不好好多變原料的數(shù)目不好好不好好較好不好低溫沉積好好多變好好好沉積速率不好不好好好好好工業(yè)適用性好較好好好好不好15高K介質材料集成器件的小型化給當前材料的持續(xù)使用帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的微電子電路，由于二氧化硅介電層的物理限制，由硅/二氧化硅/金屬組成的電容器，將無法運作。在納米尺寸的二氧化硅的介電常數(shù)（κ）不足以防止泄漏電流，導致不必要的電容放電。新的更高的κ材料正在考慮。1.5-10nm厚層Zr、Hf和鋁硅氧化物，ALD的生長過程產(chǎn)生的電流比SiO2的等效厚度具有更低的柵極漏。ALD制備的新型超薄TiO2/Si3N4疊柵介質薄膜具有優(yōu)良的表面界面特性和良好的漏電流特性,有能力成為下一代新型柵介質材料16CandidateHighκκMaterialsMaterialDielectricconstant(κκ)Si3N4/SiO25-6Sc2O3>10Al2O38-9Y2O315HfO221ZrO222LaAlO325Ta2O525La2O325-30SrTiO3200BaxSr1-xO330017IC互連技術——銅互連

因為Cu具有良好的導電性和抗電遷移能力,且能夠在低溫下進行沉積,所以目前Cu工藝已經(jīng)取代Al工藝成為互連技術的主流技術。但Cu高溫下在Si中有極高的擴散系數(shù),擴散到Si中會形成能級復合中心,降低Si的少數(shù)載流子壽命使器件的性能發(fā)生退化,利用ALD技術可在Si沉底表面沉積阻擋層克服其缺點。

T.Cheon等采用ALD技術,在Si基體上制備的RuAlO薄膜,作為無籽Cu的互連接防擴散阻擋層。其薄層電阻測試和X射線衍射(XRD)結果表明:Cu(10nm)/RuAlO(15nm)/Si結構在650℃經(jīng)過30min的熱處理后仍處于穩(wěn)定狀態(tài),并且在RuAlO薄膜上經(jīng)過電鍍得到10nm厚的Cu層,有利于解決由于尺寸效應而引起Cu阻抗增加的問題。18微型電容器高速發(fā)展的動態(tài)隨機存儲器(DRAM)面臨著集成化和低功耗的挑戰(zhàn)，國際半導體技術藍圖ITＲS曾指出:“盡可能縮小存儲單元大小的壓力和提高單元電容的需求產(chǎn)生了矛盾，它迫使存儲器設計者通過設計和材料的更新找到創(chuàng)造性的解決方案，在縮小存儲單元尺寸的同時達到最低電容要求”。目前，科研人員已經(jīng)開始對微納米尺度的電容器進行研究，其結構尺寸進一步減小，內部溝槽深寬比進一步增大這些都對加工工藝提出了更高的要求。Han等采用ALD技術在1μm深硅納米尖錐(SiNT)陣列表面，沉積了ZnO/Al2O3薄膜制備MIM微電容器復合電極，如圖3所示，沉積薄膜具有良好的均勻性和臺階覆蓋率。這種具有較大深寬比的三維復合電極結構，有效增大了表面積，可以提高電荷儲存能力。測試結果表明，其比電容可達300μF/cm2，比采用普通電極結構的MIM納米電容高約30倍。1920其他應用High-kGateDielectricsandMetalGateSacrificialSpacersandHardmasksforICPatterningRFandLinearCapacitorsGateSpacersTSVLinersandBarriersResistiveMemoriesMetalBarrierandSeedLayersforDualDamasceneInterconnectWNucleationLayersFinFET2122所遇到的問題生長速率很慢———最關鍵的問題前驅體源