芯耀
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一、原子层沉积(ALD)技术优势
薄膜制备技术众多，常见的有化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition, PLD）、分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）、溅射沉积（Sputtering）和原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）等，它们具有各自的特点和优势，适用于不同场景下薄膜沉积需求。
就ALD技术而言，凭借其独特的自限制反应机制，使其成为半导体产业中制备高性能薄膜不可或缺的技术之一。
下表展示了不同薄膜沉积技术的特点对比：
相比之下，ALD技术具有以下独特的优势：
（1）通过自限制的逐层生长机制，实现了纳米级精度的厚度控制，适用于超薄薄膜制备；
（2）具有出色的均匀性和高覆盖率，可在高深宽比（High Aspect Ratio，HAR）结构中均匀沉积薄膜，如3D DRAM和3D NAND存储器；
（3）具有更低的沉积温度和更好的可扩展性，适合在硅基集成电路中段、后段使用；
（4）在多层纳米薄膜堆叠方面具有优势，可通过精确调控每一层的厚度和成分，实现原子级精度的复合薄膜；
（5）基于自限制的饱和化学吸附机制，前驱体分子在基底表面达到饱和后便停止吸附，因此，沉积过程中前驱体的流量不必严格保证均一、稳定，即可沉积质量高、均一性好的薄膜；
（6）对样品形状和表面形貌的适应性强，无论是平面基板，还是复杂的三维结构（如微孔、纳米线、3D FinFET或高深宽比通孔），均能实现厚度均匀的薄膜沉积。
二、原子层沉积设备组成
下面介绍 Picosun 公司生产的 R-200 型原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）设备。其中，介质薄膜采用热驱动原子层沉积（Thermal-ALD, T-ALD）设备进行沉积。
T-ALD主要依靠热能驱动化学反应，因而要求较高的沉积温度。
该设备主要由臭氧发生器、计算机控制面板、主机系统、真空泵四个部分组成。
臭氧发生器主要通过N2/O2混合气体产生O3，为薄膜沉积提供氧化性前驱体；计算机控制面板可以对系统的各项参数进行设定，如脉冲时间、沉积循环数、载气流量、前驱体温度、反应腔室温度等，同时，还能对真空泵进行控制；
主机系统是薄膜沉积发生的地方，由反应腔室、前驱体源瓶、连接前驱体和反应腔室的管道和阀门、加热系统以及压力、流量和温度传感器等组成；
真空泵主要负责维持反应腔室和样品传送腔的真空度。
该设备支持最多6路前驱体同时搭载，适用于气态、液态及固态前驱体，可实现最大8英寸衬底的薄膜生长。
反应腔室温度可达500℃，前驱体源瓶最高可加热至220℃，系统真空度可达5bar，采用高纯度氩气（Ar）作为载气。此外，设备可支持最多4种介质材料的交替生长，以满足复杂薄膜结构的沉积需求。
TiN电极薄膜使用的是等离子增强原子层沉积设备，其外观如下图所示，它主要依靠高频的交变电场将气态前驱体激发成高活性的等离子体，提高化学反应活性，所需要的沉积温度较低。
该设备主要由等离子体发生器、电脑控制面板、主机系统、真空泵四个部分组成，拥有6路独立的前驱体管路，最高工艺温度小于450℃，允许最大8英寸衬底材料生长，等离子体产生功率100-3000W可调，频率1.7-3 MHz可调。
三、原子层沉积(ALD)工作原理
在化学气相沉积工艺中，两种前驱体会同时通入反应腔室，吸附在衬底表面发生化学反应，从而实现材料生长。
与化学气相沉积不同，原子层沉积技术是一种基于自限制表面化学反应的薄膜沉积技术，两种前驱体会交替通入反应腔室，并且在通入的间隔使用惰性气体对腔室进行吹扫，以清除过量的前驱体和相应的副产物。
这种分步反应模式确保了每一层沉积的均匀性和厚度可控性。在正式进行ALD薄膜沉积前，需要对前驱体源瓶和反应腔室进行升温，设定沉积循环数，并通过真空泵将反应腔室抽至低压状态。
如下图所示，ALD的一个完整沉积周期通常由四个步骤组成。
下面以存储芯片用到的ZrO2材料生长为例详细介绍。采用四(甲乙氨基)锆（Tetrakis (Ethyl methyl amino) Zirconium，TEMAZ）作为金属前驱体，臭氧（O3）作为氧化剂前驱体，具体步骤如下：
（1）惰性载气将第一种前驱体TEMAZ输送至ALD反应腔室中，在设定的工艺条件下，TEMAZ 分子会吸附在衬底表面，或与先前沉积的前驱体分子发生化学反应，当吸附或者反应结束时，衬底表面处于反应饱和状态；
（2）通入惰性气体，对ALD反应腔室进行吹扫，将（1）中未吸附的或者反应剩余的前驱体以及反应产生的副产物带出反应腔室，吹扫过程一般持续的时间比较久，确保清除干净，否则将会严重薄膜质量；
（3）惰性载气将第二种前驱体O3带入ALD反应腔室中，与先前吸附在衬底表面的 TEMAZ 分子发生氧化反应，生成 ZrO2 薄膜，当样品表面反应达到饱和时，反应停止；
（4）再次通入惰性气体，将过程（3）中过量的前驱体以及反应产生的副产物带出反应腔室，使反应腔室恢复洁净状态。
至此，一个完整的ALD周期完成，样品表面会沉积一个分子层的薄膜。从上述的反应过程可以看出，原子层沉积技术具有自限性的特点，可以通过单层前驱体之间的反应达到饱和。因此，可以实现控制反应周期数精确控制薄膜厚度。
四、总结
ALD技术在半导体领域有广泛的应用，除了常用于DRAM电容器制备，还可以被用于制备MOSFET栅极介质、MOSFET栅极金属（TiN、W等）、钝化层、阻变存储器（RRAM）、相变存储器（PCM）等方面。
此外，在其他领域，ALD技术也有重要的应用场景，如在光电子领域，ALD可用于制造透明导电氧化物（TCO）薄膜（如In2O3、ZnO 等），提高OLED显示屏和太阳能电池的光电转换效率；
在传感器和微机电系统（MEMS）领域，ALD技术可应用于气体传感器、压力传感器和生物传感器中关键纳米材料的制备，提高检测灵敏度和可靠性；
在生物医用领域，ALD技术用于人工植入物和生物兼容涂层材料制备，提高医疗器械的耐久性和抗腐蚀性等。
好了，关于原子层沉积ALD的相关知识就介绍到这儿，对半导体感兴趣的同学欢迎关注《半导体全解》，一起了解更多半导体知识！
参考文献：
(1)李远彪 DRAM中ZrO_2基高k值低漏电MIM电容研究[D].
(2)徐旭 利用PEALD/MLD 技术实现柔性有机电致发光器件的有机无机杂化薄膜封装大口径主镜薄膜制备及其特性研究[D].
