MEMS科普 | 晶圆制造基础工艺解析（六）：原子层沉积（ALD）——面向埃米尺度的薄膜控制技术
原子层沉积（ALD）
原子层淀积(ALD)是一种CVD的变种形式，将衬底依次暴露到两种活泼的气相化学前驱物中即可形成ALD化合物材料，通常为二元化合物。在传统CVD中，所有前驱物一起被输运到反应腔同时生长薄膜，而ALD生成化合物的过程与传统CVD不同，它的衬底在任何特定时间只暴露到一种前驱物中。
一般故意将暴露时间控制得很短，使衬底上仅仅形成一层所吸附前驱物的亚单原子覆盖层。选择的两种前驱物，要使它们互相具有高反应性。
该工艺包括衬底暴露到第一种前驱物中，该前驱物含有二元化合物的一种成分；随后衬底暴露到第二种前驱物中，该前驱物包含了二元化合物的另一种成分。
第一种成分和第二种成分反应而形成材料并使多余副产物脱附。淀积速率通常表示为nm/cycle(周期)，在第二次暴露之后两种前驱物均已反应，视为完成了一个周期。为了防止两种气态前驱物之间直接发生气相反应，每次充入新气态前驱物前需要冲洗反应腔，彻底清除前次气态前驱物。被输送到反应腔的前驱物数量受到严格的控制，以确保自限制的表面反应和在一个淀积周期两种前驱物的完全反应。
·a）ALD特别适合淀积金属氧化物薄膜
这是因为许多金属有机物前驱物都能通过水蒸气等氧化剂反应，形成金属氧化物。在MEMS应用中，最常见的材料是Al2O3，这在很大程度上是由于在相对较低的温度下Al2O3容易地利用传统金属有机物前驱物(三甲基铝)与水蒸气反应生成。
·b）ALD是一种相对较新的淀积技术
由于采用这种技术通常只能制作出超薄薄膜，因而目前还没有在MEMS中广泛应用。然而,如果采用这种技术制作出如铝等金属氧化物薄膜，那么它们在化学和机械性能方面是非常稳定的并具有非常好的保形功能，从而使得这些氧化物在预加工MEMS器件中作为薄的保护覆盖层呈现出很大的吸引力。
·c）ALD也可用来淀积薄的单晶薄膜
除了淀积金属氧化物外，ALD也可用来淀积薄的单晶薄膜。这种技术称为原子层外延或ALE。这种技术不常用在MEMS中，这在很大程度上是由于在MEMS中具有更适合制作足够厚薄膜的其他方法。
它的独特之处在于能够以单原子层（约0.1纳米）的精度，在各种形状复杂的基底上制备出保形性极好、无针孔、大面积均匀的薄膜。
ALD的核心原理是通过将气相前驱体交替脉冲通入反应室，在沉积基体表面发生气固相化学吸附反应。每个ALD循环包括四个基本步骤：
·a）前驱体A脉冲
第一种前驱体与基底表面发生化学吸附；
·b）吹扫
用惰性气体吹扫多余的反应物及副产物；
·c）前驱体B脉冲
第二种前驱体与已吸附的第一种前驱体反应形成目标薄膜；
·d）吹扫
再次吹扫反应腔体。
这个过程的关键在于表面反应的“自限制性”——当前驱体在基底表面形成单层饱和化学吸附后，反应会自动停止。通过控制循环次数，就可以精确控制薄膜厚度，实现原子层级的厚度控制。
ALD技术具有较好的绕镀性，可以实现其他方法无法达到的保形、均匀的涂层。无论面对多复杂的三维结构，ALD都能均匀覆盖，这在半导体制造和三维NAND闪存中至关重要。
以下是ALD的一些关键特征： ·a）自限性反应 每个反应循环中，前驱体分子只会在基材表面未被覆盖的部位发生反应，形成一个单层（通常为一个或几个原子厚），因此控制非常精确。 ·b）均匀性和一致性 由于ALD是逐层生长的，可以在复杂的表面上形成非常均匀的膜，不论是平面还是三维结构。 ·c）前低温操作 与其他沉积技术相比，ALD可以在相对较低的温度下操作，减少了对基材的热应力。 ·d）材料选择性 ALD可以用于沉积各种材料，包括氧化物、氮化物、金属以及它们的混合物，适用于半导体、光电子、纳米技术等领域。 ·e）应用领域 ALD在制造半导体器件（如高k介电质、栅极绝缘层）、太阳能电池、储能设备（如电容器、电池）、生物传感器等方面有广泛应用。
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