（ALD）原子层沉积，将成为半导体的主流薄膜沉积工艺
泰科诺 2023-12-10 18:15近几年，ALD技术在大曲率和特殊形状的光学元件表面镀膜的优势越来越明显，随着半导体集成电路行业的推陈出新，电子器件不断走向微型化和集成化发展。在此趋势下，若想让这些间隔极小的微纳结构相互协同、互不干扰地工作，其两两之间的界线必须“泾渭分明”。于是，“薄膜沉积”成为了芯片的载体。
原子层沉积（ALD）作为薄膜趁机技术的一种，正成为“后摩尔时代”的关键工艺技术，并有望率先实现国产化替代。
ALD（Atomic Layer Deposition）镀膜工艺它可以实现单层薄膜的精确控制和均匀覆盖。ALD工艺是一种自限制的反应过程，通过在衬底表面交替地引入不同的前驱体气体来实现薄膜的逐层生长。
ALD镀膜工艺的基本原理是通过在衬底表面交替进行前驱体分子的吸附和反应，每一层薄膜的生长都是由单个前驱体分子与衬底表面反应而形成的。ALD工艺在每一步反应之后都要进行气体的净化和排放，以确保反应的纯净性和薄膜的质量。这种逐层生长的方式使得ALD工艺可以实现高度均匀和控制精确的薄膜生长。
ALD工艺可以实现纳米级的精确控制，可以控制薄膜的厚度和成分，从而满足不同应用领域的需求。其次，ALD工艺可以在复杂的几何形状和高纵深比的结构上实现均匀的薄膜生长，因为ALD工艺是基于分子层的反应过程，不受表面形貌和结构的限制。此外，ALD工艺可以实现高度均匀的薄膜生长，无论是在微米尺度还是纳米尺度上，都可以实现几乎完全的均匀性。
原子层沉积技术原理
原子层沉积技术在沉积反应原理、沉积反应条件的要求和沉积层的质量上都与传统的PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积）不同，ALD的覆膜均匀性控制能力尤为突出，可在深沟槽、多孔介质和粒子周围沉积厚度完全均匀的涂层。原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可控性、优异的沉积均匀性和一致性等特点,使得其在光学与光电子薄膜领域具有广泛的应用潜力。
薄膜沉积是决定薄膜性能的关键，相关工艺和设备壁垒很高。芯片制造的关键在于将电路图形转移到薄膜上这一过程，薄膜的性能除了与沉积材料有关，最主要受到薄膜沉积工艺的影响。薄膜沉积工艺/设备壁垒很高，主要来自：第一，芯片由不同模块工艺集成，薄膜沉积是大多数模块工艺的关键步骤，薄膜本身在不同模块/器件中的性能要求繁多且差异化明显；第二，薄膜沉积工艺需要满足不同薄膜性能要求，新材料出现或器件结构的改变要求不断研发新的工艺或设备；第三，更严格的热预算要求更低温的生长工艺，薄膜性能不断提升要求设备具备更好集成度，另外，沉积过程还要考虑沉积速率、环境污染等指标。
薄膜沉积的作用是在芯片纳米级结构中逐层堆叠薄膜形成电路结构，主要分为半导体、介质、金属三大类，薄膜种类针对不同场景有不同侧重。
常见的薄膜主要分为半导体、介质、金属/金属化合物薄膜三大类，特点在于沉积材料与不同场景下应用的复杂多样，并且材料的进步伴随制程等的演变，推动薄膜沉积工艺/设备不断研发。
（1）半导体薄膜：应用范围有限，主要用于制备源/漏极的沟道区、单晶外延层和MOS栅极等。分为单晶硅、多晶硅、非晶硅等，其中多晶硅（Poly-Si）主要用于MOS的栅极等，单晶硅一般采用外延法制备，在单晶表面生长出完全排列有序的单晶体层，非晶硅/锗硅（α-Si/SiGe）主要用于光伏领域和填充半导体前段工艺源/漏的沟道区。
（2）介质薄膜：应用范围最广泛，主要用于前段的浅槽隔离、栅氧化层、侧墙、阻挡层、金属层前介质层，后段的金属层间介质层、刻蚀停止层、阻挡层、抗反射层、钝化层等，也可以用于硬掩膜。介质薄膜是一类具备绝缘性质的薄膜，主要用来掩蔽芯片任何器件/金属间杂质相互扩散，因此应用范围最为广泛。介质薄膜沉积主要需要考虑薄膜厚度、台阶覆盖率、致密性等。最常见的介质薄膜包括氧化硅、氮化硅、低/高介电常数材料等。
（3）金属及金属化合物薄膜：金属薄膜主要用于金属栅极、金属层、焊盘，金属化合物薄膜主要用于阻挡层、硬掩膜等。金属薄膜包括Al、Cu等，具备良好导电性，用于制作电极、导线、超导器件等，关键在于保证沉积速率同时沉积的金属薄膜满足较好的导电性；金属化合物薄膜包括TaN、TiN等。
在半导体制程进入28nm后，由于器件结构不断缩小且更为3D立体化，生产过程中需要实现厚度更薄的膜层，以及在更为立体的器件表面均匀镀膜。在此背景下，ALD技术凭借优异的三维共形性、大面积成膜的均匀性和精确的膜厚控制等特点，技术优势愈加明显，在半导体薄膜沉积环节的市场占有率也将持续提高。
然而，全球半导体设备市场主要由美国、日本厂商主导，我国半导体行业制造仍需大量进口设备支持，国产化程度依然处于较低水平。
ALD在光伏、半导体、柔性电子等新型显示、MEMS、催化及光学器件等诸多高精尖领域均拥有良好的产业化前景。根据Gartner数据，中国薄膜沉积设备市场占全球比例大约25%，
全球ALD市场规模预计在2027年达到235.9亿元，在预测期内，ALD市场年均复合增长率将会达到11.5%。
