ALD在半导体行业应用

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

随着半导体行业的发展，对微型化和集成化要求越来越高，器件尺寸不断减小，晶体管的刻蚀沟槽也不断减小，镀膜技术面临严峻的挑战。化学气相沉积(CVD)与物理气相沉积(PVD)难以满足极小尺寸下良好的台阶覆盖要求，ALD技术以其自限制生长和三维共形性的特点，适合各种复杂基底，被广泛应用于半导体先进薄膜工艺制程。如图二所示，通过ALD沉积的Al2O3、TiO2、SiO2薄膜都能很好的台阶式覆盖在垂直的沟槽结构上，且叠层结构质检界面清晰，表现了ALD极强的保形性。下面将简单介绍一下ALD在高k介质层、金属互连扩散阻挡层、水氧阻隔层中的应用。

图二 ALD交替沉积TiO2和SiO2层以及单层Al2O3的横截面图像

²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

²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

²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.