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一、DRAM发展历程
DRAM技术一直是微电子行业中工艺技术和制造设备创新的主要驱动力。随着半导体行业向更小的器件几何形状迁移，将需要新的沉积工艺技术来满足对新材料的需求所带来的挑战，迫切需要使用更薄的薄膜，以及需要将保形膜沉积到具有越来越高的纵横比的结构中。
随着DRAM向更高密度和速度的方向收缩，位线寄生电容电容（Bitline parasitic capacitance, CBL）在缩放过程中起到了实现感裕度的关键作用。基于TechInsight的逆向工程数据，先进的DRAM制造商已经制定了不同的CBL减少的路线图。
目前主流的DRAM制造公司为三星、海力士和美光，三星公司的CBL 降低方式为位线（Bitline, BL）气隙垫片结构；海力士公司采用BL金属调平配低k隔离液；美光公司在没有空气隔离剂的情况下，还需要BL低k隔离剂，同时使用BL金属膜减薄来降低CBL。因此，想要降低CBL的主流方法都是通过改变现有的BL结构或是更换新的材料膜层来实现。
二、薄膜技术的发展
尽管光刻机的发展备受关注，薄膜沉积设备也同样经历着持续的升级换代，以适应工艺节点的不断提升。
这些设备的核心功能是通过化学或物理方式在晶圆表面生成介质膜或金属膜。其中，主要的三种工具包括物理气相沉积（Physical vapor deposition, PVD）、化学气相沉积（Chemical vapor deposition, CVD）和原子层沉积。
随着制造工艺的精细化和沉积层的增多，薄膜沉积设备在集成电路制造流程中的关键性日益凸显。随着工艺技术的不断进步，半导体器件正朝着更复杂的结构、更高的深宽比以及三维异形设计的方向发展，在前沿的工艺制造节点中，传统的PVD和CVD工艺设备已无法胜任某些关键工艺步骤，取而代之的是ALD设备在先进工艺节点的薄膜沉积过程中扮演着日益重要的角色。ALD技术能够以单原子膜的形式将沉积物质逐层镀在基底表面，对物质的成分和厚度进行纳米级尺度的精确控制。ALD技术以其卓越的适应性，尤其是在处理高深宽比结构等复杂基底方面，被广泛应用在半导体制造的精密薄膜工艺中，包括实现大范围的均匀薄膜沉积和纳米级精确的薄膜厚度控制，尤其在低温沉积环境下表现出色。其独特的能力在于原子级别的精确控制，为半导体工艺带来了前所未有的可能性。
三、ALD在DRAM中的应用
原子层沉积（Atomic layer deposition, ALD）技术是一项极具吸引力的新技术，将为下一代集成电路制造提供巨大的机会。原子层沉积技术已经证明它可以克服当前薄膜沉积技术的许多局限。ALD具有无与伦比的台阶覆盖性能、卓越的均匀性和膜厚控制，以及高介电层和金属层的膜质量。
ALD技术的卓越性能将使沟槽DRAM单元的扩展远远超过100纳米的特征尺寸。随着ALD被引入主流半导体加工领域，该技术在DRAM中的应用将再次成为主要推动力。
在过去的几十年里，半导体行业见证了硅基器件和集成电路小型化的前所未有的发展趋势。半导体技术正在进入100纳米以下的时代。原子级的工艺控制将会随着特征尺寸的变小而变得更加重要，对于物质的去除、沉积都是一样的道理。
原子层沉积ALD作为一种可以实现单层精度的薄膜沉积技术已经相当成熟，现在正被引入半导体加工中。ALD的主要应用包括高k介电材料、金属电极、屏障和间隔器的沉积。其他新颖和创新的ALD应用目前也在设计阶段。
2007年，英特尔创新性地将ALD技术应用于集成电路芯片制造，首次结合了高介电系数材料和金属栅。通过ALD工艺沉积的3纳米厚HfO2层，其等效SiO2栅氧化层厚度仅为0.8纳米，这一做法实际上增大了物理厚度，但显著降低了量子隧穿效应的影响。此后，ALD技术也成功推动了摩尔定律的持续发展。
当下的20nm及以下的芯片制造行业大规模的运用ALD技术以满足不断微缩的沟道的电性以及性能的提升要求。
四、ALD基本原理及特点
传统化学气相沉积的特点是连续沉积和前驱体同时通入反应，与之不同的是原子层沉积是基于以良好控制的方式连续沉积单个单层或单层的部分。
如图，在ALD中，生长表面交替暴露于两种互补化学环境，即每次仅一种前驱体接触位点。反应气体或前驱体单独通入，中间以惰性气体吹扫或抽气步骤分隔，以清除残留活性源气体或副产物。
因此，ALD由个体生长周期的重复循环构成，每个循环包括：前驱体1流动、吹扫、前驱体2流动、再次吹扫。
各步骤中，前驱体分子与表面反应至所有可用位点饱和。前驱体化学和工艺条件的选择确保表面饱和后无进一步反应，保证ALD的自限性。
过量前驱体使用可减轻前驱体量轻微变化对工艺结果的影响，并有助于带走稀释副产物，防止影响后续成膜反应。故薄膜生长由表面自限制化学反应控制，而非精确控制设备工艺参数，如前驱流体和分压。由于其自限制吸附反应的特点，ALD的每个生长周期沉积一个已知恒定的厚度。
通常，沉积速率为0.1~1.0 A/循环，每个循环时间为1到10秒。循环时间主要取决于饱和行为、腔室体积和反应器设计。薄膜以一层接一层的方式生长，薄膜的总厚度由循环次数决定。由于表面反应的自限性，理想情况下，前驱体的过量使用不会增加沉积厚度。因此，ALD可以实现优异的晶圆厚度均匀性和高纵横比特征结构上的优异覆盖。
如图所示为ALD的工作原理，在某些对生长温度、热能消耗、薄膜质量及台阶覆盖有严格要求的领域，ALD的优势尤为突出。通过自我限制的生长机制和交替的表面反应，它能实现优秀的台阶覆盖和沟槽填充均匀性，从而精确调控薄膜的厚度、成分和结构。这使得ALD技术在各行各业的应用日益普及。
ALD技术现主要用于45纳米节点的高k栅介质材料的栅氧化层沉积、28纳米节点的金属互连阻挡层和钨（wolfram, W）的种子层。此外，它还在DRAM电容和3D NAND的高深宽比结构薄膜沉积等领域发挥关键作用。
目前，镀膜技术正趋向于平台整合，即在单一设备内结合PVD、ALD及CVD 等各类设备，利用真空互联技术实现全面的镀膜流程。以应用材料公司的铜互连解决方案为例，它在极高真空环境下，成功地将ALD、PVD、CVD、铜再熔、表面修饰、界面工程和测量这七项独立的工艺集于一体。
选择性ALD沉积工艺替代了原有的共性ALD沉积，消除了通孔边缘的高电阻障碍层。此方案引入了铜回流技术，成功地在紧密间隙中实现了无空洞的填充。这一创新使得通孔接触界面的电阻下降了50%，从而提升了芯片的性能和功率效率，进而推动了逻辑微缩技术的发展。
目前，ALD设备市场上，应用材料、泛林半导体及东京电子已拥有成熟的布局。值得注意的是，东京电子与先晶半导体共同占据了超过六成的市场比例。尽管国内企业也在ALD设备领域有所布局，但其市场占有率仍有待提高。
五、原子层沉积SiN薄膜
目前来看，普通加热生长SiN的ALD工艺的主要挑战是缺乏足够的氮前驱体反应活性，使得SiN薄膜能够在衬底温度小于400 °C下生长。
为了克服这些挑战，对ALD生长SiN的研究重点已经从单纯加热转移到等离子体辅助的ALD生长。虽然已经使用NH3和N2等离子体的ALD工艺实现了沉积SiN薄膜，但两种 方法仍然存在一些问题。在NH3等离子体的ALD生长SiN中，主要的挑战是沉积膜中相对较高的氢含量，这导致了难以接受的高湿蚀刻速率，以及高深宽比的纳米结构中的各向异性蚀刻。
相比之下，虽然基于N2等离子体的ALD生长SiN的沉积膜具有各向同性蚀刻和低氢含量，但这些膜在高深宽比的纳米结构中的一致性通常小于80%。因此，将等离子体辅助ALD沉积的SiN薄膜整合到半导体制造中需要对当前的SiN沉积工艺进行微调，无论是通过改善使用含氢和含氮等离子体ALD工艺沉积的薄膜的化学计量学，还是通过改善基于N2等离子体的ALD工艺的一致性，都可以通过使用更具反应活性的Si前驱体或通过引入多步ALD工艺来实现。
对于实际工业应用，目前，ALD技术制造氮化硅薄膜是使用氯硅烷前驱体和NH3并且高温加热实现的。通过加热和等离子体辅助的ALD生长SiN在20世纪90年代中期首次提出。用于氮化硅的ALD的硅前驱体的主要类别是氯硅烷、氨基硅烷和硅胺，以及一些其他硅烷衍生物。对于传统加热式ALD工艺，只有氯硅烷如SiH2Cl2, SiCl4和 Si2Cl 被用作硅的前驱体。氮的前驱体通常为NH3，或在少数研究中为N2H4。
等离子体电浆辅助的ALD生长氮化硅过程主要可分为两类：含NH3等离子体的氯硅烷和含N2等离子体的氨基硅烷。在NH3和N2等离子体中均有报道含有硅胺前体的ALD生长氮化硅。等离子体辅助的硅前驱体步骤显然是不可能的，因为它将导致连续的非晶硅薄膜的生长。在传统加热式ALD工艺中，主要的挑战是需要高衬底温度和大量前驱体暴露，这与可用氮前驱体的低反应性有关。为了面对传统加热式ALD工艺相关的挑战，半导体制造商越来越多地转向等离子体辅助的ALD工艺方向。
六、ALD沉积氮化硅薄膜原料及设备
原子层沉积生长氮化硅薄膜所用的原材料为二氯二氢硅（SiH2Cl2, DCS）气体和氨气（NH3）以及高纯度（纯度≧99.9%）的氮气。
原子层沉积技术生长氮化硅薄膜所用的炉管机台如图所示，该扩散炉管机台主要由控制系统、传送系统、炉体加热系统和气体控制系统以及电力供应系统五大系统组成。
其中控制部分包括：系统控制部分为独立的计算机控制单元，分别控制炉管的制程控温及相关制程参数，是扩散炉管的控制中心，该炉管机台主控制器称为CX5000掌管炉管机台所有的控制，包括温度、流量、压力还有传送系统的设定；
传送系统包括：传送系统包含硅片载具传送装置及缓冲区、硅片传送装置；
炉体加热系统包括：反应炉为主要制程处理腔体包含石英管及相关冷却系统；
气体控制系统包括：提供气箱阀门和管路的安置用于供应气体对硅片加工及系统端的排气管线；电力系统包括：加热器及所有控制电力输出的元件。
炉管的硬件系统组成如表所示。
机台用于进行薄膜生长的石英管位于机台内部，晶圆经由机台的晶圆的传输系统从外部储存晶圆的容器中取出传送至晶舟中，晶舟一次最多可容纳125片晶圆，再将晶舟传送至石英管中后将管子进行密封处理。随后对管中进行抽气处理将管内压强降至低压，升高管内温度将温度升至设定的指定温度后开始通过气体管路将薄膜生长需要的前驱物与反应气体通入石英管中。在反应生长结束以后，向石英管中通气将管中气压恢复到常压，将管中温度下降到一定温度以后，打开管子，将晶舟推出石英管后，将晶圆由晶圆传输系统传回容器中储存。
七、SiN 薄膜的ALD制备方法
利用炉管原子层沉积技术生长氮化硅薄膜需要在炉管中提前设定好特定的环境条件以及气体流量时间等与薄膜生长相关的条件，如表所示：
需要在550~700 °C温度，1~3 torr接近真空的低压的环境条件下进行生长，由于是运用 ALD技术，因此薄膜的生长是一层一层的进行，通过控制循环次数来控制生长的薄膜厚度。
运用ALD技术生长氮化硅薄膜每次循环时间在30~40 s之间，每次循环中通入DCS的气体流量在0.3~0.6 slm，NH3的气体流量在4~7 slm，惰性气体N2的气体流量在1~5 slm。
每个循环都是利用ALD技术即自限制吸附反应通过前驱体与反应气体以及中间的惰性气体循环通入构成的，每个循环的主要部分可以分为以下几个步骤：
（1）通入前驱体：首先通过炉管机台的特殊气体钢瓶利用饱和蒸汽压的原理将纯度大于99.9%的前驱体二氯二氢硅（SiH2Cl2, DCS）气体通入到机台反应炉中，在550~700°C的温度下让前驱体在硅片表面先进行自限制饱和吸附反应；
（2）通入惰性气体：通过炉管的气体管路通入纯度大于99%的氮气带走上一步反应中残留的前驱体，为后面的反应气体通入与前驱体表面位点充分接触进而进行充分反应做准备；
（3）通入反应气体：通过炉管机台的气体管路通入纯度大于99.9995%的反应气体氨气，让氨气分子团与已经在硅片表面饱和吸附的前驱体SiH2Cl2进行反应生成一层氮化硅薄膜；
（4）再次通入惰性气体：再次通过炉管的气体管路通入纯度大于99%的氮气带走上一步反应中产生的副产物氯化氨，氯化氢以及氢气以及多余的反气体氨气，为下一次循环时前驱体的表面充分吸附做好准备。
经过以上四个步骤即可在硅表面生成一层氮化硅薄膜，通过循环上述四个步骤就可以控制氮化硅薄膜的生长速率，进而可以生长出满足需求厚度的氮化硅薄膜，如图所示。
生成氮化硅的具体的化学反应方程式如下:
3SiH2Cl2+10NH3 —— Si3N4+6NH4Cl+6H2
在沉积生长结束以后通过相关厚度量测相关机台对生长完成的薄膜进行厚度量测，进而确保通过控制原子层沉积技术的循环周期数来精确控制薄膜的生长厚度。
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)彭孟杰 DRAM中CBL的ALD工艺优化技术研究[D].
(2)李远彪 DRAM中ZrO_2基高k值低漏电MIM电容研究[D].
