在半導體制造這一高度精密且不斷進步的領域，每一項技術都承載著推動行業發展的關鍵使命。原子層沉積（Atomic Layer Deposition，簡稱ALD）工藝，作為一種先進的薄膜沉積技術，正逐漸成為半導體制造中不可或缺的一環。本文將深入探討半導體中為何會用到ALD工藝，并分析其獨特優勢和應用場景。

一、半導體制造中的薄膜沉積技術概述

薄膜沉積是晶圓制造的三大核心步驟之一，薄膜的技術參數直接影響芯片性能。半導體器件的不斷縮小對薄膜沉積工藝提出了更高要求，需要實現高精度、高均勻性、高保形性的薄膜沉積。目前，用于薄膜沉積的技術主要包括物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）和原子層沉積（ALD）。

• 物理氣相沉積（PVD）：通過物理方法將材料從固態直接轉化為氣態，然后沉積在基底表面形成薄膜。這種方法適用于沉積金屬和合金等導電性好的材料。
• 化學氣相沉積（CVD）：通過化學反應在基底表面生成薄膜，適用于沉積多種材料，包括絕緣體、半導體和導體。
• 原子層沉積（ALD）：作為CVD的一種變種形式，ALD通過交替引入兩種或多種氣相反應物，在基底表面進行自限性反應，逐層沉積薄膜。

二、ALD工藝的基本原理與優勢

1. 基本原理

ALD工藝的基本原理是利用氣相前驅體在基底表面上的化學反應，逐層沉積薄膜。一個典型的ALD沉積周期可以分為以下幾個階段：

• 通入一種前驅體：前驅體與基底表面發生吸附或化學反應，形成一層單原子或分子厚度的薄膜。
• 惰性氣體沖洗：通入惰性氣體（如氮氣或氬氣），將剩余的前驅體和反應副產物從反應室中排出，確保下一步反應的純凈性和可靠性。
• 通入第二種前驅體：與第一層的前驅體生成物進行反應，進一步形成薄膜。
• 再次沖洗：用惰性氣體沖洗剩余的前驅體和副產物，確保反應結束并保持反應室的干凈和穩定。

通過重復上述周期，可以精確地控制薄膜的厚度和成分。由于ALD工藝的自限性反應機制，每個沉積周期只沉積一層原子或分子厚度的薄膜，因此可以實現極高的膜厚度控制精度和均勻性。

2. 獨特優勢

• 精確的厚度控制：ALD工藝可以在原子級上沉積材料，確保出色的均勻性和精確的厚度控制。這種控制水平對于創建具有一致特性的超薄膜至關重要，適用于電子和光子學領域的廣泛應用。
• 優異的均勻性和保形性：即使在復雜的3D表面上，ALD也能產生均勻且保形的涂層。這對于涂覆高縱橫比特征（如溝槽、孔和復雜的3D結構）尤為重要，這些特征用于諸如全柵（GAA）晶體管等先進半導體器件中。
• 多功能性：ALD工藝可廣泛應用于各種材料，從氧化鉿等高k電介質到各種金屬和含硅電介質。這種多功能性使ALD非常適合滿足半導體和電子設備制造中各種薄膜需求。
• 低溫沉積：許多ALD過程可以在相對較低的溫度下進行，適用于對溫度敏感的基板和材料，減少了熱應力和材料相容性的問題。

三、半導體制造中的ALD工藝應用

在半導體制造中，ALD工藝憑借其獨特的優勢在多個關鍵領域得到了廣泛應用。

1. 晶體管柵極介電層

在晶體管制造中，柵極介電層的質量對器件性能有著重要影響。ALD工藝可以用于制備高介電常數（高k）的柵極介電層，如氧化鋁（Al?O?）、氧化鉿（HfO?）等。高k材料具有更好的電荷存儲能力，可以在相同電容密度下減少漏電流，提高器件的性能和可靠性。

2. 金屬柵極

隨著半導體器件的不斷發展，金屬柵極逐漸取代了傳統的多晶硅柵極。金屬柵極具有極高的電子密度，可以提高器件的遷移率，有效解決多晶硅柵極耗盡問題。ALD工藝可以用于制備金屬柵極，確保沉積的金屬薄膜具有良好的臺階覆蓋率和平整度，從而提高器件的性能和可靠性。

3. 銅互連阻擋層

在半導體互連技術中，銅（Cu）因其優良的導電性而得到廣泛應用。然而，銅的擴散速度很快，容易在電介質內部移動使器件“中毒”。因此，在鍍銅之前必須首先沉積一層防擴散的阻擋層。ALD工藝可以用于制備銅互連阻擋層，如氮化鈦（TiN）等。在高深寬比下，ALD沉積的阻擋層仍具有良好的均勻性以及防擴散阻擋特性。

4. 微型電容器

在存儲器芯片中，微型電容器是關鍵的組成部分。隨著存儲器容量的擴大，內部電容器數量劇增，單個電容器尺寸進一步減小。電容器內部溝槽的深寬比越來越大，對沉積薄膜的有效面積和均勻性提出了更高要求。ALD工藝可以滿足大面積均勻性、高臺階覆蓋率和對膜厚的精確控制要求，適用于制備高性能的微型電容器。

5. 其他應用領域

除了上述應用領域外，ALD工藝還在半導體制造的其他領域得到了廣泛應用。例如，在MEMS器件制造中，ALD工藝可以用于制備高精度的薄膜電極和介質層；在光電子器件制造中，ALD工藝可以用于制備高反射率和耐候性的光學涂層等。

四、半導體制造中選用ALD工藝的原因

在半導體制造中選用ALD工藝的原因可以歸納為以下幾點：

• 滿足高精度、高均勻性要求：隨著半導體器件的不斷縮小，對薄膜沉積的精度和均勻性提出了更高要求。ALD工藝以其原子級的控制精度和優異的均勻性滿足了這一需求。
• 適應復雜3D結構：在先進半導體器件中，復雜3D結構的應用越來越廣泛。ALD工藝能夠在這些結構上產生均勻且保形的涂層，確保器件的性能和可靠性。
• 多功能性：半導體制造中需要用到多種材料，包括絕緣體、半導體和導體等。ALD工藝可廣泛應用于各種材料，滿足半導體和電子設備制造中各種薄膜需求。
• 低溫沉積：許多半導體器件對溫度敏感，需要在較低的溫度下進行沉積。ALD工藝的低溫沉積特性使其適用于這些器件的制造。

五、ALD工藝面臨的挑戰與未來發展趨勢

盡管ALD工藝在半導體制造中具有諸多優勢，但其也面臨著一些挑戰。例如，ALD工藝的沉積速度相對較慢，這限制了其在一些需要快速沉積的應用領域中的使用。此外，ALD工藝對設備的要求較高，需要專門的反應室和精密的控制系統。

然而，隨著技術的不斷進步和應用的不斷拓展，ALD工藝的未來發展趨勢仍然值得期待。一方面，研究人員正在不斷探索新的前驅體和反應條件，以提高ALD工藝的沉積速度和薄膜質量。另一方面，隨著半導體器件的不斷縮小和復雜度的提高，ALD工藝在半導體制造中的重要性將進一步提升。

此外，ALD工藝還與其他先進技術相結合，形成了新的發展方向。例如，將ALD工藝與光刻技術相結合，可以實現自對準多重圖案化；將ALD工藝與刻蝕技術相結合，可以實現原子層刻蝕（ALE）等。這些新技術的出現將進一步拓展ALD工藝的應用領域和潛力。

六、結語

綜上所述，ALD工藝憑借其獨特的優勢在半導體制造中得到了廣泛應用。隨著技術的不斷進步和應用的不斷拓展，ALD工藝將在半導體制造中發揮越來越重要的作用。未來，隨著半導體器件的不斷縮小和復雜度的提高，ALD工藝將繼續推動半導體技術的整體進步和發展。對于半導體制造企業和研究人員來說，深入了解ALD工藝的原理、優勢和應用場景，將有助于更好地掌握這一先進技術，推動半導體技術的不斷創新和發展。