ALD在半导体应用

一、ALD发展历史

Ø 二十世纪六七十年代，由前苏联科学家Aleskovsky和Koltsov首次报道，由于其表面化学复杂等因素，并没有取得较大发展。

Ø 1974年，芬兰PICOSU公司Suntalo博士研发多晶荧光材料ZnS:Mn以及非晶Al2O3绝缘膜，用于平板电致发光显示器。

Ø 二十世纪九十年代，随着半导体工业的兴起，ALD被国际半导体协会列入与微电子工艺兼容的候选技术，成为独立研究领域

Ø 2006年，英特尔推出第一个商用酷睿微架构微处理器，使用ALD沉积的高k材料用于晶体管栅极氧化物。

图一 英特尔的酷睿微架构微处理器

二、ALD在半导体中的应用

随着泛半导体行业的发展，对微型化和集成化要求越来越高，尺寸缩小至亚微米和纳米量级，ALD作为一种高精度薄膜沉积技术，可用于晶体管栅极电介质层(High-k材料)、金属栅电极、有机发光显示器涂层、铜互联扩散阻挡层、DRAM电介质层、微流体和MEMS涂层、传感器等众多领域。研峰科技致力于ALD高纯半导体薄膜前驱体材料的自主研发和生产，拥有二碘硅烷以及其他前驱体合成工艺发明授权或首次工艺论证批复资质，供应产品包括高制程硅基前驱体系列、High-k前驱体系列产品，部分新品已被客户用于5nm以下制程薄膜设备。

图二 ALD应用于DRAM储存、NAND闪存、逻辑计算(CPU GPU)示意图

高 k 介质层

具有高介电常数(k)的绝缘体在现代半导体器件中起着几个关键作用，包括电容器 DRAM，去耦滤波电容器，栅极与晶体管的通道隔离等。图三显示了一些栅极氧化物的静态介电常数与带隙，其中，Si3N4、Al2O3介电常数较低。TiO2虽然介电常数很高(k=80)，但禁带宽度小且与衬底明显的界面缺陷限制了其作为栅介质的应用。综合各方面性能要求，高k材料HfO2、ZrO2作为栅介质层得到了业内广泛的认可和应用。

图三 栅极氧化物的静态介电常数与带隙

DRAM是ALD沉积高k材料的重要应用之一。随着DRAM存储器容量的增大，其内部电容器数量增多，单个电容器的尺寸减小，导致内部沟槽的深宽比越来越大。ALD技术凭借高均匀性、高台阶覆盖率和原子级别的精准控制而发挥巨大作用。如图四由ALD沉积三层TiN和三层介质层组成的三层结构电容器示意图，底部沟槽的概览图以及沟槽顶部和底部的详细横截面图像，显示所有层的良好台阶覆盖。

图四 ALD沉积三层TiN和三层介质层

金属互连扩散阻挡层

互连工艺中需要使用一层阻挡层金属，可以增强铝铜合金互连线附着在硅化物上的力，减小互连线与接触孔之间的接触电阻和应力(如图五)。铝工艺中的阻挡层金属是钛(Ti)和氮化钛(TiN)，铜的阻挡层金属是钽(Ta)和氮化钽(TaN)。当器件内部沟槽深宽比超过100:1，ALD技术沉积扩散阻挡层，能够得到阶梯覆盖率高，原子层厚度较薄且可精确控制的薄膜。

图五 互联阻挡层示意图

水氧阻隔层

柔性电子是下一代显示技术重要发展方向之一，柔性电子器件往往用到柔性有机聚合物基底，这些基底稳定性较差，水汽和氧气会引起器件失效，利用ALD技术沉积水氧阻隔层可以避免被侵蚀。Lee等报道了ALD沉积Al2O3/ZrO2叠层结构薄膜，表现出较好的性能(如图六)。

图六 ALD Al2O3/ZrO2叠层结构的横截面图

以上图片来自网络和参考文献

参考文献

1. Int. J. Extrem. Manuf. 2003, 5, 032003.

2. Elers, Kai-Erik. Helsinki: [Kai-Erik Elers], 2008. 72 p.

3. [J].材料导报, 2024, 38(20): 23030081.