ALD半導體是什麼？ALD製程在半導體製造中的關鍵作用與應用
ALD半導體是什麼？
ALD半導體，嚴格來說，並非指一種特定的半導體材料或設備，而是指利用原子層沉積（Atomic Layer Deposition, ALD）技術製造的半導體元件或材料。ALD是一種薄膜沉積技術，它能在極其精確的原子層級別上，逐層地、均勻地在基板表面形成薄膜。這使得ALD製程在製造高密度、高性能的現代半導體中扮演著至關重要的角色。
簡單來說，ALD半導體就是運用ALD這種先進的薄膜製造方法所生產出來的半導體器件。它最大的優勢在於能夠實現對薄膜厚度、組成的精確控制，並且能均勻沉積在高深寬比結構的表面，這是傳統薄膜沉積方法難以企及的。
ALD製程的原理與優勢
原子層沉積（ALD）是一種基於氣相反應的薄膜沉積技術。與傳統的化學氣相沉積（CVD）不同，ALD是通過一系列獨立的、自限制的表面反應來實現薄膜的生長。其基本原理可以概括為以下幾個步驟，通常以一個完整的循環來表示：
- 吸附階段 (Precursor 1 Exposure): 第一種反應前驅物（Precursor 1）被引入反應腔，在基板表面發生化學吸附，形成單分子層。未被吸附的過量前驅物被抽走。
- 吹掃階段 (Purge 1): 使用惰性氣體（如氮氣或氬氣）對反應腔進行吹掃，清除殘留的第一種前驅物和反應副產物。
- 吸附階段 (Precursor 2 Exposure): 第二種反應前驅物（Precursor 2）被引入反應腔，與基板表面吸附的第一種前驅物發生反應，形成一層新的薄膜。
- 吹掃階段 (Purge 2): 再次使用惰性氣體吹掃，清除殘留的第二種前驅物和反應副產物。
這個循環重複進行，每一次循環都精確地沉積一層原子或分子厚的薄膜。這種獨特的製程帶來了ALD技術無與倫比的優勢：
- 極高的厚度均勻性： 由於是原子層逐層生長，ALD薄膜的厚度在整個基板表面都極為均勻，即使在高深寬比的結構中也能實現頂到底的均勻沉積。
- 精確的厚度控制： 薄膜的總厚度可以通過控制ALD循環的次數來精確控制，達到亞奈米級的精度。
- 優異的共形性： ALD能夠在複雜的3D結構表面形成高度共形的薄膜，確保所有表面都能獲得一致的覆蓋。
- 低溫沉積： 相較於CVD，ALD通常可以在較低的溫度下進行，這對於一些對高溫敏感的材料和器件製備非常重要。
- 良好的薄膜質量： ALD製程能夠生成緻密、無孔隙、低缺陷密度的薄膜，從而提高器件的可靠性和性能。
- 寬泛的材料選擇： ALD可以沉積金屬、金屬氧化物、金屬氮化物、絕緣體、硫化物等各類無機薄膜材料。
ALD在半導體製造中的關鍵應用
ALD技術的獨特優勢使其在現代半導體製造的各個環節都成為不可或缺的關鍵製程。隨著器件尺寸的不斷縮小和複雜度的不斷增加，ALD的重要性日益凸顯。以下是一些ALD在半導體製造中的主要應用領域：
1. 高介電常數 (High-k) 栅介質層
在現代CMOS（互補金屬氧化物半導體）電晶體中，為了提高器件的性能和降低漏電，傳統的二氧化矽（SiO2）栅介質層已經被高介電常數（High-k）材料所取代。ALD是沉積這些High-k薄膜（如HfO2、Al2O3）最常用的技術，因為它能夠在極小的溝道區域形成超薄、均勻、無針孔的栅介質層，有效控制栅極電容，提高器件的開關速度和降低功耗。
2. 金屬柵極
隨著High-k栅介質的應用，金屬柵極也逐漸取代多晶矽柵極，以進一步提高栅極的電容率和降低寄生電阻。ALD在沉積金屬柵極材料（如TiN、TaN、W）方面表現出色，其優異的共形性確保了金屬能夠均勻地覆蓋High-k介質層，形成可靠的金屬柵極。
3. 阻擋層與擴散阻擋層
在銅（Cu）互連製程中，銅容易擴散到周圍的介質層，導致器件失效。ALD技術常用於沉積TaN、TiN等阻擋層或擴散阻擋層，有效防止銅的擴散，確保互連的可靠性。
4. 鈍化層
ALD沉積的Al2O3、SiNx等薄膜可以用作器件的鈍化層，提供優異的化學和機械保護，減少表面缺陷，提高器件的穩定性和可靠性。
5. 3D NAND 快閃記憶體
在3D NAND架構中，需要垂直堆疊數百甚至數千個儲存單元，這就對薄膜沉積的共形性提出了極高的要求。ALD技術能夠在這些高深寬比的通道孔中均勻沉積氮化矽（SiN）和氧化矽（SiO2）等材料，實現高效的儲存單元製作。
6. DRAM 電容器
在動態隨機存取記憶體（DRAM）中，電容器的儲存電荷能力是關鍵。ALD技術用於沉積高介電常數的介電材料，如Al2O3或HfO2，以增加電容器的儲存容量，實現更高密度的DRAM。
7. 先進封裝
在先進封裝技術中，ALD也扮演著重要角色，例如用於製作扇出型封裝（Fan-out packaging）中的薄膜層，或用於製造嵌入式晶片封裝（Embedded chip packaging）中的功能性薄膜。
ALD製程的挑戰與未來發展
儘管ALD技術具有顯著的優勢，但在實際應用中也面臨一些挑戰：
- 製程速度： 相較於CVD，ALD的單層沉積速度較慢，整個製程所需時間較長，這可能會影響生產效率。
- 前驅物選擇： 某些材料的ALD製程需要複雜或昂貴的前驅物，同時要確保其低毒性和高安全性。
- 設備複雜性與成本： ALD設備通常比CVD設備更複雜，成本也更高。
為了克服這些挑戰，ALD技術仍在不斷發展和創新:
- 快速ALD（Fast ALD）: 研究人員正在開發更快的ALD循環，例如利用脈衝CVD（PECVD）或等離子體增強ALD（PEALD）來提高沉積速率。
- 空間ALD（Spatial ALD）: 將反應區域劃分為多個獨立的區域，允許多個ALD循環同時進行，顯著提高產量。
- 新型前驅物開發： 尋找更易於獲得、更環保、性能更優的前驅物。
- 應用拓展： 除了半導體，ALD在燃料電池、催化劑、光學器件、生物醫學等領域的應用也在不斷探索和拓展。
總而言之，ALD半導體製程是現代微電子技術的基石之一。它透過對原子層級的精確控制，實現了前所未有的薄膜質量和結構複雜性，為製造更小、更快、更節能的半導體器件提供了關鍵支持。隨著技術的不斷進步，ALD製程將在未來的科技發展中發揮更加舉足輕重的作用。
