【原创】ALD缘何成为一项半导体领域的关键技术


来源:中国粉体网   山川

[导读]  经过将近30年的发展,作为功能薄膜制备中的一项关键技术,原子层沉积(ALD)技术在催化、半导体、光学等众多领域都发挥着十分重要的作用。

中国粉体网讯  经过将近30年的发展,作为功能薄膜制备中的一项关键技术,原子层沉积(ALD)技术在催化、半导体、光学等众多领域都发挥着十分重要的作用。

 

ALD最初用于平板显示器所需的多晶荧光材料ZnS、Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制。20世纪90年代中期,硅半导体的发展使得原子沉积的优势真正得以体现,掀起了人们对ALD研究的热潮。发展至今,ALD已经成为应对半导体器件技术小型化的要求的重要技术,在半导体领域有着广泛且重要的应用。


ALD技术的特征及优势






ALD技术在半导体中的应用


根据摩尔定律,要求半导体器件尺寸的不断减小,而ALD技术以其优异的保型性和均匀性、高的台阶覆盖率和速率可控性,使其在半导体产业中得到广泛应用,包括:晶体管栅极电介质层(高k材料),光电元件的涂层,晶体管中的扩散势垒层和互联势垒层(阻止掺杂剂的迁移),有机发光显示器的反湿涂层和薄膜电致发光(TFEL)元件,集成电路中的互连种子层,DRAM和MRAM中的电介质层,集成电路中嵌入电容器的电介质层,电磁记录头的涂层,集成电路中金属-绝缘层-金属(MIM)电容器涂层等。


高k电介质


一种可取代SiO2作为栅介质的材料,它具备良好的绝缘属性,同时可在栅和硅底层通道之间产生较高的场效应(即高-k)。


k(希腊文Kappa)是一个工程术语,描述一种材料保有电荷的能力。有些材料比其他材料能够更好地存储电荷,因此,拥有更高的“k”值。


另外,由于高k材料比SiO2更厚,并且保持着同样理想的属性,因此,它们可以大幅减少漏电量。


ALD是一种较好的可以制备高k电介质材料的技术,目前主要包括TiO2、HfO2、Al2O3三种材料,以及稀土元素氧化物和一些硅酸盐混合的纳米层状结构材料。


电容器




电阻随机存取存储器(RRAM)


非易失性存储器更高密度、更快速度和低功耗的要求推动了基于Si集成电路(ICs)和计算机处理器的空间持续缩减。当技术节点进入22纳米级时,传统的闪存技术将达到其物理和集成的限制,因此许多新的类型的存储器应运而生。其中,电阻随机存取存储器(RRAM)以其单元结构简单、功耗和制造成本低、可扩展性优良和兼容性优异脱颖而出。目前RRAM应用氧化物材料主要有NiOx、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、ZnO和MnOx等。


二极管


使用ALD方法制备的二极管表面材料主要有ZnO、ZrO2和Al2O3等。İkram Orak通过ALD法制备了ZnO薄膜,并研究了其在光电二极管和二极管上的应用性能。结果表明,ZnO薄膜结构可以应用于光伏和光电二极管。


晶体管


薄膜晶体管(Thinfilmtransistors,TFTs)作为场效应晶体管的一种,是通过沉积介电层,有源层及金属电极等功能薄膜而制备的三端场效应器件。ZnO是一种在平板显示领域非常有前景的n型半导体材料,在较低的温度下易形成良好的纳米结晶。以ALD工艺为基础,ZnO基为半导体层的薄膜晶体管器件被广泛研究。


IC互连技术


因为Cu具有良好的导电性和抗电迁移能力,且能够在低温下进行沉积,所以目前Cu工艺已经取代Al工艺成为互连技术的主流技术。但Cu高温下在Si中有极高的扩散系数,扩散到Si中会形成能级复合中心,降低Si的少数载流子寿命使器件的性能发生退化,利用ALD技术可在Si沉底表面沉积阻挡层克服其缺点。


参考来源:

[1]苗虎等.原子层沉积技术及应用

[2]杨军.基于原子层沉积技术的氧化锌基薄膜晶体管制备及稳定性研究

[3]魏呵呵等.原子层沉积技术的发展现状及应用前景



(中国粉体网编辑整理/山川)

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