ald技术及其应用

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1、原子层沉积（ALD）技术及应用仕嘉科技（北京）有限公司陈宇林2009年7月24日1www.StartScience.comStartScienceLtd.Confidential前言单原子层沉积（atomiclayerdeposition，ALD），起初称为原子层外延(AtomicLayerEpitaxy)；最初是由芬兰科学家提出并用于多晶荧光材料ZnS:Mn以及非晶AlO绝缘膜的研制，这些材料是用于平板显示器。23由于这一工艺涉及复杂的表面化学过程和低的沉积速度，直至上世纪80年代中后期该技术并没有取得实质性的突破。但是到了20世纪90年代中期，人们对这一技术的兴趣在不断加强，这主要是

2、由于微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不断降低，而器件中的高宽比不断增加，这样所使用材料的厚度降低至几个纳米数量级。因此原子层沉积技术的优势就体现出来，如单原子层逐次沉积，沉积层极均匀的厚度和优异的一致性等就体现出来，而沉积速度慢的问题就不重要了。www.StartScience.comStartScienceLtd.Confidential1.ALD技术简介1.1ALD原理原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应并形成沉积膜的一种方法。当前躯体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。原子层沉积的表面反应具有自限制性，即

3、化学吸附自限制(CS)和顺次反应自限制(RS)过程。实际上这种自限制性特征正是原子层沉积技术的基础。不断重复这种自限制反应就形成所需要的薄膜。3www.StartScience.comStartScienceLtd.Confidential典型的ALD沉积过程—AlO沉积过程234www.StartScience.comStartScienceLtd.Confidential典型的ALD沉积过程—TiO沉积过程2www.StartScience.comStartScienceLtd.ConfidentialALD设备示意图www.StartScience.comStartScienceL

4、td.Confidential1.2ALD技术的主要优势•前驱体是饱和化学吸附，保证生成大面积均匀性的薄膜•可生成极好的三维保形性化学计量薄膜，作为台阶覆盖和纳米孔材料的涂层•可轻易进行掺杂和界面修正•可以沉积多组份纳米薄片和混合氧化物•薄膜生长可在低温（室温到400oC）下进行•固有的沉积均匀性，易于缩放，可直接按比例放大•可以通过控制反应周期数简单精确地控制薄膜的厚度，形成达到原子层厚度精度的薄膜•对尘埃相对不敏感，薄膜可在尘埃颗粒下生长•排除气相反应•可广泛适用于各种形状的基底•不需要控制反应物流量的均一性7www.StartScience.comStartScienceLtd.C

5、onfidentialALD技术的优势示意图www.StartScience.comStartScienceLtd.Confidential1.3各种薄膜沉积方法比较：方法ALDMBECVDSputterEvaporPLD厚度的均匀性好较好好好较好较好薄膜密度好好好好不好好台阶覆盖好不好多变不好不好不好界面质量好好多变不好好多变原料的数目不好好不好好较好不好低温沉积好好多变好好好沉积速率不好不好好好好好工业适用性好较好好好好不好9www.StartScience.comStartScienceLtd.Confidential2.ALD应用原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可控性（厚度，成

6、份和结构），优异的沉积均匀性和一致性使得其在微纳电子和纳米材料等领域具有广泛的应用潜力。而且随着科技的发展在不远的将来将会发现其越来越多的应用。根据该技术的反应原理特征，各类不同的材料都可以沉积出来。已经沉积的材料包括金属、氧化物、碳（氮、硫、硅）化物、各类半导体材料和超导材料等。10www.StartScience.comStartScienceLtd.Confidential2.1半导体及纳米电子学应用2.1.1晶体管栅极介电层（high-k）晶体管栅极介电层是ALD的一个重要应用领域。Intel近期发布的45nm级处理器就是应用了ALD方法制备的高k的HfO晶体管栅极介电层。而对于

7、32nm技术节点来讲，材料的挥发性2，输运方式以及纯度等问题更变得至关重要。Intel和IBM已经同时宣布使用铪基材料作为栅极高k绝缘介质，加速CMOS制造工艺的革命。优点：缺陷少、均一、厚度可控、可形成无定形包覆，可厌氧反应。应用如：GaAs/AlGaAs等异质结构、晶体管、电子管、HfO、ZrO22、AlO、LaAlO、GdScO等。23311www.StartScience.comStartScienceLtd.Confide