Chipherstellung: Atomic Layer Deposition (ALD)

Da die Gerätegröße in der Halbleiterfertigungsindustrie immer weiter schrumpft, hat die Abscheidungstechnologie von Dünnschichtmaterialien beispiellose Herausforderungen mit sich gebracht. Atomic Layer Deposition (ALD) ist als Dünnschicht-Abscheidungstechnologie, die eine präzise Steuerung auf atomarer Ebene ermöglicht, zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Halbleiterfertigung geworden. Ziel dieses Artikels ist es, den Prozessablauf und die Prinzipien der ALD vorzustellen, um ihre wichtige Rolle dabei besser zu verstehenfortschrittliche Chipherstellung.

1. Detaillierte Erläuterung desALDProzessablauf

Der ALD-Prozess folgt einer strengen Reihenfolge, um sicherzustellen, dass bei jeder Abscheidung nur eine Atomschicht hinzugefügt wird, wodurch eine präzise Kontrolle der Filmdicke erreicht wird. Die grundlegenden Schritte sind wie folgt:

Vorläuferimpuls: DerALDDer Prozess beginnt mit der Einführung des ersten Vorläufers in die Reaktionskammer. Bei diesem Vorläufer handelt es sich um ein Gas oder einen Dampf, der die chemischen Elemente des Zielabscheidungsmaterials enthält und mit bestimmten aktiven Stellen auf dem Zielmaterial reagieren kannWaferOberfläche. Die Vorläufermoleküle werden auf der Waferoberfläche adsorbiert und bilden eine gesättigte Molekülschicht.

Spülung mit Inertgas: Anschließend wird zur Spülung ein Inertgas (z. B. Stickstoff oder Argon) eingeleitet, um nicht umgesetzte Vorläufer und Nebenprodukte zu entfernen und so sicherzustellen, dass die Waferoberfläche sauber und bereit für die nächste Reaktion ist.

Zweiter Vorläuferimpuls: Nachdem die Spülung abgeschlossen ist, wird der zweite Vorläufer eingeführt, um chemisch mit dem im ersten Schritt adsorbierten Vorläufer zu reagieren und die gewünschte Ablagerung zu erzeugen. Diese Reaktion ist normalerweise selbstlimitierend, das heißt, sobald alle aktiven Zentren durch den ersten Vorläufer besetzt sind, finden keine neuen Reaktionen mehr statt.

Erneute Inertgasspülung: Nach Abschluss der Reaktion wird das Inertgas erneut gespült, um restliche Reaktanten und Nebenprodukte zu entfernen, die Oberfläche wieder in einen sauberen Zustand zu versetzen und für den nächsten Zyklus vorzubereiten.

Diese Reihe von Schritten stellt einen vollständigen ALD-Zyklus dar, und jedes Mal, wenn ein Zyklus abgeschlossen ist, wird der Waferoberfläche eine Atomschicht hinzugefügt. Durch die genaue Steuerung der Zyklenzahl kann die gewünschte Filmdicke erreicht werden.

(ALD ein Zyklusschritt)

2. Prozessprinzipanalyse

Die selbstlimitierende Reaktion der ALD ist ihr Kernprinzip. In jedem Zyklus können die Vorläufermoleküle nur mit den aktiven Stellen auf der Oberfläche reagieren. Sobald diese Stellen vollständig besetzt sind, können die nachfolgenden Vorläufermoleküle nicht mehr adsorbiert werden, wodurch sichergestellt wird, dass in jeder Abscheidungsrunde nur eine Schicht aus Atomen oder Molekülen hinzugefügt wird. Diese Eigenschaft sorgt dafür, dass ALD bei der Abscheidung dünner Filme eine extrem hohe Gleichmäßigkeit und Präzision aufweist. Wie in der Abbildung unten gezeigt, kann eine gute Stufenabdeckung auch bei komplexen dreidimensionalen Strukturen aufrechterhalten werden.

3. Anwendung von ALD in der Halbleiterfertigung

ALD wird in der Halbleiterindustrie häufig eingesetzt, unter anderem:

High-k-Materialabscheidung: Wird für die Gate-Isolierschicht von Transistoren der neuen Generation verwendet, um die Geräteleistung zu verbessern.

Metall-Gate-Abscheidung: wie Titannitrid (TiN) und Tantalnitrid (TaN), die zur Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit und Effizienz von Transistoren verwendet werden.

Verbindungsbarriereschicht: Verhindert Metalldiffusion und sorgt für Stabilität und Zuverlässigkeit des Schaltkreises.

Dreidimensionale Strukturfüllung: beispielsweise das Füllen von Kanälen in FinFET-Strukturen, um eine höhere Integration zu erreichen.

Die Atomlagenabscheidung (ALD) hat mit ihrer außergewöhnlichen Präzision und Gleichmäßigkeit revolutionäre Veränderungen in der Halbleiterfertigungsindustrie mit sich gebracht. Durch die Beherrschung des Prozesses und der Prinzipien von ALD sind Ingenieure in der Lage, elektronische Geräte mit hervorragender Leistung im Nanomaßstab zu bauen und so die kontinuierliche Weiterentwicklung der Informationstechnologie voranzutreiben. Da sich die Technologie weiterentwickelt, wird ALD im Halbleiterbereich der Zukunft eine noch wichtigere Rolle spielen.