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原子层ALD沉积介绍

冬至子 来源:Tong Thomas芯片小屋 作者:Thomas 2023-06-15 16:19 次阅读

ALD介绍

原子层沉积(Atomic layer deposition,ALD)是一种可以沉积单分子层薄膜的特殊的化学气相沉积技术

有别于化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD),这两种方式要么是通过气体的化学反应在晶圆表面沉积所需物质,要么是通过轰击离子束的物理过程沉积所需物质。 ALD利用顺序暴露的化学反应物,每种反应物在分隔的时间内进行自限制(Self-limiting)的沉积

在CVD中,化学反应发生于气相中或在衬底的表面上,但 在ALD中,化学反应仅在衬底表面发生,从而阻止了气相的化学反应 。简单来说,如果想在晶圆表面上沉积薄薄的一层A物质,则要先备好经反应后可生成A物质的反应物B和C。反应物B必须是容易被晶圆表面吸附的气体(前驱体,Precursor),反应物C则应具有较强的反应活性。

在ALD中,先把气体B吸附到晶圆表面,如果气体B之间很难相互吸附,晶圆表面将形成一层由气体B组成的原子层。然后,除去剩余气体B并输入气体C, 使吸附在晶圆表面上的气体B和气体C发生反应 ,形成A物质和其他副产物气体,再除去多余的气体C和副产物气体。

以生长ALD-Al2O3薄膜为例,可以非常好的解释,ALD利用顺序暴露的化学反应物。下图中(a) Al(CH3)3(三甲基铝,TMA)和OH·Si反应,生成AlO(CH2)2·Si和CH4

通过化学反应移除副产物CH4和尚未反应的TMA,如图(b)所示。下图(c)中, AlO(CH3)2·Si和H2O发生反应,产生AlO(OH)2·Si和CH4 。通过化学反应移除副产物CH4和未反应的水,如图(d)所示。两个反应不断重复发生,以生成ALD-Al2O3薄膜。

图片

参考ALD-AL2O3薄膜的化学式,可以发现,薄膜的厚度只取决于反应周期的次数。不断重复上述过程,以单原子膜形式一层一层地在基底表面镀膜。 这也显示了ALD技术主要受限于其沉积速率,因为ALD一个周期只能沉积一层原子层,需要逐次沉积,沉积速率也慢了下来

OH·Si+Al(CH3)3->AlO(CH3)2·Si+CH4

AlO(CH3)2·Si+2H2O->AlO(OH)2·Si+2CH4

总结

未来集成电路技术所需薄膜越来越薄,虽然ALD自身存在着沉积速率低的问题,但在电容、栅极和互连线上,ALD显示了其独特的优势。

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