
隨著芯片尺寸不斷縮小,這就要求器件和材料的尺寸不斷減小,而器件的長寬比不斷增大,減低了使用材料的厚度,使之至幾個納米數量級。特別是當芯片制造工藝水平進入5納米節點以后,如何延續摩爾定律已成為半導體行業的一大難題。
2007年底,美國Intel公司推出了基于45納米節點技術的酷睿處理器,首次將ALD技術沉積的高介電常數材料(high-?)和金屬柵組合引入到集成電路芯片制造中,順利將摩爾定律延續至當下最先進的5納米鰭式晶體管(FinFET)工藝制程,并將繼續支撐集成電路制造技術延續到3納米和2納米的全環繞柵極晶體管(Gate-All-Around GAAFET)技術。
近年來,原子層刻蝕(Atomic Layer Etching,ALE)及原子層沉積(Atomic Layer Deposition,ALD)技術的不斷發展,使得半導體材料和器件的新功能和新應用成為可能。ALD技術的誕生最早可以追溯到20世紀六、七十年代,自2001年國際半導體協會將ALD技術列入與微電子工藝兼容的候選技術以來,其發展勢頭強勁,受到了廣泛關注。
ALD技術
ALD技術是一種在襯底表面以單原子層為單位逐層生長薄膜的技術,這種技術與化學氣相沉積(CVD)有相似之處,即將多種不同的化學前驅體源以氣態通入反應腔,在一定的溫度下發生化學反應,生成所需的薄膜材料。但其生長過程于CVD有明顯區別,ALD生長過程是將參與反應的前驅體源交替通入反應腔,使其分別在基底表面發生自限制的化學反應,每通入一次前驅體源僅能在基底表面生長一層目標薄膜材料的原子。ALD技術的這種獨特的生長機理,使其可以在大面積、復雜形貌的基底表面上生長出均勻、致密、無針孔、高保形性的薄膜,可以在原子層尺度上精確控制所需薄膜的厚度,并擁有較高的工藝穩定性和可重復性。基于這些特殊的優勢,ALD技術迅速被工業界采用并成為了生長半導體材料鈍化層、柵介質層和銅擴散阻擋層的主流工藝。
ALE技術
ALE技術是將傳統的連續刻蝕工藝結合ALD自限制逐層反應機理而形成的一種新興的刻蝕技術。與ALD類似,ALE也是分步進行的,即先通入反應物與薄膜表面原子反應,弱化表面單層原子與薄膜之間的連接鍵,然后通入等離子體使表面的改性分子脫附,露出薄膜材料的下一層原子,兩步循環進行,每個周期剝離表面的一層原子。ALE的反應機理具備ALD工藝的自限制性,即表面反應一旦飽和,反應將不會繼續進行,這使其具有很多類似于ALD的優點,其刻蝕精度、平整度、隨形性、工藝穩定性和可重復性遠勝于連續刻蝕,并且ALE刻蝕之后的材料表面依然平整完好。除了能夠提供精準刻蝕的光滑表面之外,ALE還有一項重要優勢:若采用各向同性的改性和脫附步驟,ALE方法能夠實現各向同性刻蝕,可對復雜形貌的材料表面執行均勻、一致的刻蝕。
然而,由于柵氧層對場效應晶體管(MOSFET)性能的直接影響,這道工藝制程對ALD設備的要求極高,全球范圍內也只有極少數國外的知名半導體設備公司能夠提供滿足此工藝要求的ALD設備,此項技術因此也處于被絕對壟斷的狀態。尤其是對于起步較晚的中國半導體芯片制造,嚴格把控的技術壁壘使得ALD設備成為阻礙中國芯片技術進步的重要阻礙之一。
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