• ALD-半导体

  •    随着5G的落地及人工智能的迅速发展,半导体芯片市场正高速增长。根据美国半导体行业协会(SIA)公布的数据,2021年1-9月全球半导体市场销售额3979亿美元,同比增长24.6%。人类对数字化需求的不断提高,刺激半导体技术快速更新迭代,工艺节点不断突破,全球尖端半导体的开发竞争进入新阶段,与半导体工艺相兼容的纳米薄膜与结构的制备技术,成为关注的焦点。原子层沉积(ALD)技术凭借其独特的表面自限性生长原理,优异的共形性、大面积的均匀性,可适用于复杂三维表面沉积以及深孔洞均匀填隙生长等特点,受到半导体行业的青睐。


       虽然与CVD相比,ALD存在产出低、成本高的缺点,然而ALD技术对高深宽比沟槽孔洞保形性填充的能力强,提供了对组成、厚度精确到原子层尺度的稳定控制,特别是对界面、掺杂和台阶覆盖率的调控是新一代半导体工艺迫切需要的。从高介电常数材料的生长及其表现出的优越性能方面考虑,ALD是比磁控溅射、脉冲激光沉积、溶胶凝胶、CVD等更适合的技术。


       2022年,尖端半导体企业已计划投入生产3纳米工艺,竞争的高度已达到2nm;2025年后,晶体管微缩化进入埃米尺度,ALD高k栅介质和金属栅材料的应用,预计可延长摩尔定律至少10年,此外新的器件结构和新沟道材料的引入,使得场效应晶体管器件继续沿用成为可能。而ALD在制备这些新型器件中,扮演了不可或缺的角色。

  • ALD基于自限和配体交换的表面反应,实现了纳米级介电材料、金属材料和半导体材料的低温生长。在ALD生长的半导体薄膜中,金属氧化物(ZnO、TiO2、Ga2O3、SnO2、In2O3、NiO等)、氮化物(GaN、AlN、InN等)、硫化物(ZnS、CuxS、SnS等)被广泛研究,硒化物、碲化物和砷化物等相对较少。

     

    下述为表格汇总参考[1]

  • 为满足集成电路的高性能和多功能性的要求,互补式金属氧化物半导体(CMOS)尺寸不断被缩小,然而在极小的CMOS器件中,短通道效应和栅漏电流的增加限制了高性能器件的发展。

     

    2022年Minhyuk Kim等报道[2],ALD制备TaN作MOS器件栅电极,Al、W作盖帽层,结果显示Al/10nm TaN的有效功函数(EWF)达到4.63eV,性能提升4%,W/10nm TaN的EWF达到4.94eV,提升2.92%。

  • 2020年Se-Na Choi等人[3]制备ITO/HfO2 /TiN/SiO2 /Si(MFMIS)结构场效应晶体管(FET),其中金属底电极及铁电层分别采用ALD制备50 nm TiN和9 nm HfO2

  • 参考资料:

    [1] Shi-Jin Ding et al Chem. Mater. 2020, 32, 1343−1357

    [2] Minhyuk Kim et al 2022 Applied Surface Science 152118

    [3] Se-Na Choi et al 2021 Nanotechnology 32 085709

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