原子层ALD沉积介绍

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。

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。