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原子层淀积技术及应用发展概况 熊丝纬
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发展历史 1977年首次由芬兰Tuomo Suntola博士发明， 淀积应用于电致发光器件中的ZnS薄膜。
20世纪90年代中期开始，ALD技术开拓到先 进微电子制造工艺中，譬如：电容器中的 High-K介质，金属薄膜，刻蚀终止层等。
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概述 ALD（ Atomic Layer Deposition）：是 一种可以将物质以单原子膜形式，一层 层地镀在基底表面
一种特殊的化学气相沉积 具备厚度控制和高度的稳定性 在400℃以下反应，顺应低热预算的发展 趋势 在传统工艺中,由于存在厚度控制和膜层均匀性的问题,因此通过CVD（Chemical Vapor Deposition）与PVD(Physical Vapor Deposition)工艺所生成的膜很难突破10nm和20nm的极限,且只有在深宽比不超过10:1时,CVD工艺才能保证100%的覆盖率,而PVD则只能达到50%。显然,传统的工艺不能完全满足未来半导体的发展要求。在这种情形下,ALD技术得到了广泛的关注。
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Outline 工艺 条件 特点 应用 原理
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反应原理 首先将衬底经过一定的活性表面处理。将第一种反应物引入反应室使之发生化学吸附，直至衬底表面达到饱和。过剩的反应物则被从系统中抽出清除，然后将第二种反应物放入反应室，使之和衬底上被吸附的物质发生反应。剩余的反应物和反应副产品将再次通过泵抽或惰性气体清除的方法清除干净。这样就可得到目标化合物的单层饱和表面。这种ALD的循环可实现一层接一层的生长从而可以实现对淀积厚度的精确控制。
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ALD沉积系统示意图 One Cycle
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原子层淀积系统 淀积
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互补性和自限制性 ………… 互补性（使反应可循环）
首先通入第一种前驱体的气体脉冲，使之与基片表面A0发生化学吸附，形成新表面A1，随后利用惰性气体脉冲净化反应室。然后通入第二种前驱体的气体脉冲，与表面A1发生化学反应，形成另一新表面A2，紧接着通入用于净化反应室的惰性气体脉冲。当然A0和A2所具备的功能团可以相似，也可以不同。但A2必须能够与第一种前驱体发生化学吸附或者化学反应，以便反应能再次进入新的循环。经过若干个周期的反应，最终实现整个ALD工艺过程。因此，互补性是维持沉积过程的关键。 自限制性（反应的量是一定的） …………
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举例
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TiO2
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工艺 条件 特点 应用 原理
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工艺条件 ALD对前驱体（反应物）的要求 液体或气体为佳，也可以是固体 挥发性好，易气化 热稳定性好，不会自分解 不会腐蚀基片或薄膜
副产物是气态并且稳定 前驱体的要求 挥发性好（利于充分覆盖材料表面） 液体或气体为佳（避免物料结块，发生堵塞） 良好的反应性（保证在较短时间内达到饱和吸附） 热稳定性好（最高工艺温度不发生自分解） 选择性（不会对基片或薄膜造成腐蚀） 压力的要求 通常在0.1Torr到1Torr的范围
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温度 ALD 温度窗口 4个状态 不完全反应 冷凝 解吸 热分解
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工艺 条件 原理 特点 应用
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主要技术特点比较
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台阶覆盖率—生长速度图
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用ALD沉积的材料
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PEALD（Plasma Enhanced ALD）
等离子体增强原子层淀积 反应源同一时间引入反应室，施加等离子脉冲，净化
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工艺 条件 应用 原理 特点
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应用 High-k介质薄膜 EOT（Equivalent Oxide Thickness） 等效氧化层厚度
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Cu互连技术 深度55um，直径0.475um，深宽比超过100:1！
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DRAM DRAM中的电容要求高深宽比的沟槽结构
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参考文献 Antti Rahtu, Atomic Layer Deposition of High Permittivity Oxides:Film Growth and In Situ Studies,2002 Markku Leskela¨*, Mikko Ritala, Atomic layer deposition (ALD): from precursors to thin film structures, Thin Solid Films , ,2002 Riikka L. Puurunen, Surface chemistry of atomic layer deposition: a case study for the trimethylaluminum/water process,2005 吴宜勇,李邦盛, 王春青,单原子层沉积原理及其应用,电子工业专用设备,第125期，2005 申灿,刘雄英,黄光周,原子层沉积技术及其在半导体中的应用,真空,第43卷第4期，2006 Steven M. George*,Atomic Layer Deposition: An Overview, Chemical Reviews, Vol. 110,2010
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