原子层沉积 (ALD)：纳米制造与多领域应用的核心技术

标题: 原子层沉积 (ALD)：纳米制造与多领域应用的核心技术

副标题: ALD 通过其精准的表面反应、出色的保形性和工艺兼容性，推动了半导体、能源、环境等领域的创新发展，同时展示了在小型化和多样化应用中的巨大潜力。

        原子层沉积 (ALD) 是一种很有前途的薄膜制造技术，尤其是在纳米制造中，这要归功于其精确的表面反应。ALD 具有出色的保形性、亚纳米厚度控制和广泛的工艺兼容性，使其在工业和研究应用中都很有用。本文介绍了 ALD，并探讨了它在半导体、泛半导体以及能源和环境等领域的应用。它还讨论了 ALD 在集成电路中的关键作用，并重点介绍了用于自对准纳米制造的区域选择性 ALD。新兴用途包括钝化层、功能层和缓冲层，展示了 ALD 在小型化和多样化应用中的潜力。理论计算和模拟等先进方法有望指导 ALD 的未来发展，以满足原子级制造的需求

1. 简介

        随着原子级和近原子级制造 (ACSM) 的发展，对无缺陷超薄膜沉积的需求日益增长。传统的薄膜方法在这种规模下难以实现，因此原子层沉积 (ALD) 成为制造超薄膜的关键解决方案。ALD 最初被称为“原子层外延”，由 Tuomo Suntola 于 20 世纪 70 年代开发，用于沉积平板显示器的 ZnS 薄膜。随着时间的推移，ALD 成为该工艺的通用术语，其应用范围超出了硅和 GaAs 等外延膜。

        ALD 是一种气相沉积方法，它依赖于前体和共反应物的交替脉冲，从而产生自限性表面反应。该工艺涉及四个主要步骤：(1) 吸附前体 A，(2) 用惰性气体吹扫，(3) 吸附前体 B，以及 (4) 再次用惰性气体吹扫。此循环重复进行，直到达到所需的薄膜厚度。该过程对温度敏感，具有最佳的“ALD 温度窗口”。超出此范围，低温可能导致反应不完全，而高温可能导致前体分解。

        由于 ALD 具有自限性，因此只需调整生长周期数，即可精确控制原子级厚度。饱和过程可确保每个周期形成的原子或分子层少于一个，从而在复杂的表面和结构上实现出色的保形性。这样即使在大面积上也能形成具有良好阶梯覆盖率的均匀薄膜。ALD 还具有高度的通用性，能够生产各种薄膜（氧化物、氮化物、金属、聚合物等），甚至多层，其特性可以在原子级上进行微调。这种灵活性使其适用于大型基板和大规模生产。

        由于这些优势，ALD 广泛应用于工业和研究领域。在这篇评论中，我们讨论了最近的进展，并将 ALD 应用分为四个主要领域（图 1）。首先，ALD 对下一代半导体制造至关重要，其中原子级精度至关重要，特别是在集成电路制造中。区域选择性 ALD 是一种自下而上的方法，也用于自对准制造。其次，在泛半导体行业中，ALD 的“软沉积”与溅射等传统方法相比，可最大程度地减少基板损坏。第三，ALD 涂覆颗粒的能力在环境和能源相关领域显示出良好的前景。最后，探讨了 ALD 的新兴应用，以及未来的挑战和发展趋势。

2. ALD 在半导体行业中的应用

        半导体行业作为信息技术的支柱，推动着集成电路 (IC) 的不断小型化。晶体管栅极长度已从 10 μm 缩小到 3 nm，未来目标将达到 1 nm。随着纳米器件向原子级特征发展，传统工艺和设备面临着重大挑战。对先进薄膜技术日益增长的需求刺激了 ALD 的发展。

2.1 ALD 支持的 IC 纳米制造

        在前段 (FEOL) IC 制造中，场效应晶体管 (FET) 结构已发生重大变化（图 2）。随着晶体管尺寸缩小，SiO2 介电栅极层变得更薄，导致量子隧穿导致漏电流增加。为应对这一情况，英特尔于 2007 年推出了采用 ALD 沉积 HfO2 的高 k 金属栅极结构。这种方法降低了栅极的等效厚度，同时通过超薄 ALD HfO2 层最大限度地减少了漏电流。ALD 还可确保介电栅极和金属栅极之间的高质量界面，从而降低界面缺陷电荷的影响。

        随着关键尺寸不断缩小，人们正在开发新的器件结构来提高性能。例如，FinFET 使用 3D 栅极而不是传统的平面网格，从而提高了器件密度和性能。芯片制造的未来可能会专注于 3D 结构。英特尔推出了自对准四重图案化 (SAQP) 等工艺，该工艺使用 ALD 来增加 Fin 高度并减少间距。三星和 IBM 等公司也在研究全栅 (GAA) 晶体管，其中每个晶体管都有堆叠的纳米片，周围环绕着栅极材料。这种使用堆叠 Si 和 Si-Ge 层的设计提高了性能并降低了 5 纳米节点以外的功耗。ALD 在这些 3D 和高纵横比结构上涂覆高 k 介电材料方面发挥着关键作用。

        随着 GAA-FET 从纳米片发展到叉片和互补 FET (CFET)，对 ALD 提供的保形涂层的需求将会增加。此外，原子层蚀刻 (ALE) 通过在 GAA-FET 制造过程中蚀刻多余材料和清洁缺陷来补充 ALD。与 ALD 一样，ALE 使用自限性反应逐层去除材料，从而提高界面质量并平滑粗糙边缘。这些原子级工艺（ALD、ALE 和清洁）可以实现高性能纳米器件的精确制造。

        在后端 (BEOL) 工艺中，ALD 对于在硅通孔 (TSV) 和金属互连中创建屏障层和种子层至关重要。芯片采用逐层光刻技术构建，导电金属线通过垂直 TSV 连接。铜因其导电性而广为使用，但随着导体尺寸缩小到 10 纳米以下，挑战随之而来。金属衬垫/屏障层占用的体积增加，留给导电金属的空间减少，这会降低芯片性能并增加功耗。ALD 通过在沟槽和通孔中实现保形沉积来解决这个问题。沉积种子层后，其他工艺（如化学气相沉积或电镀）可以填充通孔。人们正在探索钴、钌、钨和铱等新材料，以进一步降低电阻并提高性能。

3 ALD 的新兴应用

        半导体工业中的应用是 ALD 的主要驱动力，对 ALD 设备的需求每年都在增加。半导体工业中的 ALD 主要集中在芯片 (FEOL 和 BEOL)、存储器和其他半导体元件的制造。除了 IC 制造之外，ALD 在新兴领域也发挥着越来越重要的作用，包括泛半导体、环境和能源，以及航空航天和生物医学等领域[4]。新兴领域的代表性应用和相应的 ALD 材料、基板、工艺和功能/纳米结构如表 1 所示。ALD 用于构建钝化层和表面功能层以增强器件的性能，并在催化剂和生物医学中发展形成具有多种功能的纳米结构以提高反应效率。