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原子层沉积成为22纳米逻辑技术主流
材料来源:半导体科技           录入时间:2011-6-28 10:58:39

 

ALD becoming the mainstream of 22nm logic technology

原子层沉积成为22纳米逻辑技术主流

M. Verghese, ASM美国公司,J. W. Maes, ASM比利公司,N. Kobayashi, ASM日本公司

 

1970年代发明了原子层沉积(ALD)技术之后,此技术就被广泛应用于电致发光显示器生产或工业涂层等不同的应用当中[1]。过去十年,半导体业已逐步在关键层采用ALD反应炉,ALD的优势在此可以获得良好的发挥,达到最佳的改善效果。随着技术即将换到22纳米,工艺流程也开始调整以接受更多ALD沉积层。与化学气相沉积(CVD)技术不同,ALD技术是通过对制程温度和反应物流量的波动相对较不敏感的一项制程,利用表面渗透反应沉积高度均匀、密集和高批覆盖性的薄膜。ALD制程是让先驱物依次进入反应室,并以惰性气体带走反应物与副反应物,如此重复ALD循环即可产生一个单层一个单层的沉积薄膜。如此一来,就可以籍由调整ALD循环的次数来精确控制薄膜的厚度。

DAM厂是最先开始使用ALD技术以确保在高深宽比电容结构中的高k值介电层的均匀覆盖沉积。元件尺寸的积极演进和随之而来对于以低热预算控制掺杂物扩散的要求,都不断迫使整个半导体业在关键区域,例如电容闸极层叠结构和隔层双层曝光,以新的ALD制程来替换传统的CVD、电浆辅助化学气相沉积(PECVD)和溅射技术。ALD技术造成的低产出一直是在主流的生产流程中采用此技术的一项障碍。不过,智慧化的设备设计将此缺点考虑在内,对设计时优化ALD制程及个别应用空间的硬体设备。在22纳米节点,逻辑产业将在数个关键的制程步骤中使用ALD技术--在前端的电容结构和后端的金属化及元件连线。每一项应用都有高度特殊的要求,并且需要不同的硬体结构以达到最理想的生产解决方案(图1)。

若应用要求极薄的薄膜,且需精确控制膜厚及均匀性,则单晶圆ALD制程腔就是最理想的选择。单晶圆系统也可以轻易处理较困难的前驱物化学作用,例如低蒸汽压、向下分解液体和固体等,因为ALD循环时间较短(只要几秒钟),所以原料输送系统的位置可以非常靠近反应腔。在单晶圆系统中要提升净化的效率相对较容易,因此,这个腔体非常适合用来做纯粹的ALD沉积。单晶圆ALD系统也有较高的前驱物利用率,所以对于使用昂贵前驱物材料的制程非常适合。例如,电晶体闸极氧化物和电极的高k值介电层和金属闸极需要膜厚10埃的薄膜沉积,同时晶片的均匀性要小于1%1个标准差。铪元素高k值闸极氧化物一般会使用一个固态的前驱物,氯化铪,因其和金属有机化学相比,有绝佳的电性表现[2]。单晶圆系统是闸极氧化物沉积的最佳选择,因为他们最适合传送种可高度压缩的前驱物。此为,替换闸极元件需要的膜厚50埃的均匀覆盖金属薄膜,以确保仍有闸极填充的空间(图2)。单晶圆电浆辅助原子层沉积(PEALD)技术也用在氧化硅、氮化硅和氮碳化硅闸极隔层的沉积。PEALD可使用低温沉积(<4000C),有绝佳的均匀性,并且比电浆辅助化学气相沉积(PECVD)所沉积薄膜的湿式蚀刻率更低。透过改变电浆制程条件也可以让薄膜应力由压缩压力转变为伸张应力。PVDCVD这一类的技术无法达到此应用要求的阶梯覆盖率、膜厚控制和晶片间的均匀性,而单晶圆ALD技术已逐渐在45纳米节点之后的高效能逻辑闸极结构上取代这些技术。在22纳米节点,所有主要的闸极层叠材料将会以ALD制程技术沉积。三面闸极结构的出现,例如鳍状场效电晶体(FinFET),以及随之而来对于薄膜均匀性的要求,都会让ALD成为进阶逻辑闸极层叠结构的下几个世代沉积技术首择。

当膜厚小于100埃时,ALD制程时间一般只要几分钟。单晶圆设备提供可接受的产出效能及较短的周转时间。不过,对某些应用来说,制程时间是无法缩短的。譬如需要较厚的沉积层或是需要在高深宽比的结构上沉积薄膜。高深宽比结构的基板拥有比平面式晶圆更大的表面区域,所以通常需要较多的前驱物,也因此需要较长的脉冲和净化时间以确保气体在结构上能够有效率的输入及输出。在加上某系ALD化学作用的成长率比其他的低,部分制程可能需要相对较长的脉冲时间以确保完全的表面反应能够达到理想的薄膜品质。

在一个反应炉内承载100晶圆的批量ALD的产出和营运成本表现大致会比单晶圆系统好。批量反应炉需要的脉冲和净化时间较久,因为反应炉的体积较大,和单晶圆系统相比,气体传输就更依赖扩散(而不是强制对流)。不过,整体增加的循环时间还是小于100,约在1050左右。批量系统的制程优化比单晶圆系统更复杂,但是会产生自我局限ALD表面反应的ALD化学作用,仍然可以达到相对较好的均匀性和阶梯覆盖率。传输到批量反应炉的前驱物流量和总量会比单晶圆应用多,特别是高深宽比的元件结构。

不过,只要前驱物的蒸汽压够高,像是直接液体注入(DLI)的技术就可以被用来减轻前驱物传输的问题。因为在反应炉中停滞时间较长而产生的浓缩和分解的风险,使得低蒸汽压前驱物(也可以是固能粉末)在批量设备中会比较棘手。

ALD氮化钛使用四氯化钛和氨气达到所有要求的标准,让批量制程成为吸引人的一个选择。氮化钛薄膜被使用在逻辑元件的不同应用上:替代闸极的电极嵌入式动态随机存取记忆体元件的电极钨接点的阻隔薄膜,以及直通硅晶穿孔(TSV)结构。需求的薄膜范围在2050埃之间。制程可以用两种模式运作:纯粹的ALD模式,完全使用四氯化钛和氨气脉冲(每次循环可造成大约0.3埃的成长率),但是也可以用第二种模式,在此模式中这两种脉冲方式其中之一实际上是CVD脉冲。在脉冲CVD模式,每次循环可达到较高的(35倍)成长速率。批量反应炉可以使用类似ALD的制程达到很好的效果 ,例如脉冲CVD。产出的薄膜电阻是沉积温度的一个作用。在ALD模式,可以使用约1000C的低沉积温度达到和脉冲CVD模式沉积薄膜相同的电阻[3]。图2显示在高深宽比结构中较厚的氮化钛薄膜沉积的范例。在批量反应炉中使用类似ALD的脉冲CVD制程模式,可以得到高度均匀覆盖的薄膜,且阶梯覆盖率高于95%。批量反应炉可以达到大于每小时3010纳米薄膜的产出量。这些结果显示批量类型的ALD反应炉是未来逻辑元件部分新ALD 的一个吸引人的设备选择。

如果要求使用复合前驱物沉积的较厚薄膜需有合理的产出量,并且要有较短的周转时间,则小批量或是多重单晶圆ALD系统会是最适合的选择。小批量和多重单晶圆ALD反应炉结合了单晶圆系统的弹性和批量反应炉的生产力。一般来说,小批量反应炉可在一个反应炉内同时处理45片晶圆,而多重单晶圆系统是在个别的反应炉内处理45片晶圆,然后在同一个模组中封装(图1)。这些反应炉的类型和单晶圆系统相比,有较佳的营运成本,因为他们占用较少的楼板面积,并且不需要那么多的共用次系统。例如,气体控制板RF系统和可以同时结合在一起供小批量系统使用,反之,使用单晶圆设备则需要多个单独的次系统。此外,小批量系统的创意设计也可以使用直接注入电浆,让电浆辅助的ALD制程变得可行。

间隔式双重曝光(SDDP)可能会被用来生产22纳米逻辑元件高度微缩的线宽和间隔层。使用此技术,可用极度低温直接在光阻上沉积均匀覆盖的ALD二氧化硅(SiO2)薄膜随着接下来的非等向性蚀刻制程,成型的二氧化硅(SiO2)间隔层成为硬遮罩而形成更小间距。对此应用来说,小批量(多重单晶圆)系统是较理想的选择-确保高产出可以利用直接注入电浆,以接近室温的温度沉积。PEALD二氧化硅使用小批量系统可产生低温(<1000C)均匀覆盖沉积,且晶圆内及晶圆和晶圆之间具有高度均匀性(<1%,3个标准差)的结果。因为具备现场远端电浆清洗能力,所以也可以提高设备利用率达到极佳的产出(20纳米膜厚的每个反应炉>45WPH)。

PEALD二氧化硅的一个循环包括3个步骤:氨基硅前驱物在基板上的化学吸附作用以惰性气体清除前驱物,以及化学吸附前驱物和反应气体所产生的电浆辅助表面反应。应用RF的电浆脉冲时间小于400毫秒。PEALD二氧化硅的每次循环成长(GPC)会随着沉积温度降低而增加[4]。从GPC温度可看出ALD反应是被物理吸附前驱物的反吸附比例所限制,会随着沉积温度的增加而增加。因为这是一个ALD制程,膜厚和循环的次数是成比例的,所以厚度可以被精确的控制。这些PEALD薄膜已确认不会对放在下发的基板/薄膜造成电浆损害,因为沉积过程中的RF功率(<50W)比传统的PECVD功率要小多了。

如果3a所示,可以直接以500C的温度在光阻上沉积一层均匀覆盖的300埃二氧化硅薄膜而不会有任何损害。此外,可以直接注入氧气电浆加大线宽之间的空间以及/或者重新形成光阻形状。图3b是在二氧化硅沉积之前直接注入氧气电浆缩减现场光阻的范例。如此一来,光阻可以等向缩减约65埃。光阻缩减制程的晶圆内均匀性一般会小于2%3个标准差。这是显示使用小批量系统获得制程弹性且同时提供生产需要的高产出的一个良好示范。

ALD是一项逐渐被半导体生产制程运用在关键区域的推动型技术。要克服运用此技术的初步障碍需要建立数种设备结构,针对特定应用提出这些独特的议题。目前已可提供单晶圆、批量和小批量ALD解决方案,每一项都具备热能和电浆辅助能力,而适当生产设备的选择

最后采用的技术和制程本身都同样重要。在对成本特别敏感的市场,例如记忆体产业,营运成本将会是选择设备的主要因素。对制造流程或其他逻辑应用来说,在选择设备时,会综合考量营运成本、周转时间和制造效能,而如何选择设备类型必须考虑到其特定的应用,进行仔细评估。

 

 

参考资料

[1] C. Goodman, et al., Journal of Applied Physics, R65-R81, 1986

[2] D. Triyoso, et al., Journal of Applied Physics, Vol. 97, 124107, 2005

[3] E. Granneman, et al., Surface and Coatings Technology, Vol. 201, p. 8899 – 8907, 2007

[4] A. Kobayashi, et al., Proc. 10th International Conference on Atomic Layer Deposition, p. 31, 2010.

 

 

简介

 

Mohith Verghese拥有德州大学奥斯丁分校的化学工程学士学位及亚利桑那大学的化学工程硕士学位。他目前任职于亚利桑那州凤凰城ASM美国公司,担任ALD技术产品经理。电话: +1-602-470-2736, 电子邮件: mohith.verghese@asm.com

 

Jan Willem Maes 拥有台夫特科技大学应用物理学博士学位,目前任职于ASM比利时公司,负责ALDEPI制程应用的开发专案。电话:+32-16-281797,电子邮件: jan.willem.maes@asm.com.

 

Nobuyoshi Kobayashi拥有东京大学固态物理学的学士、硕士和博士学位。他目前任职于东京多摩市的ASM日本公司,担任PECVDPEALD技术部门处长。电话:+81-423-37-6314,电子邮件: n.kobayashi@asm.com

 


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