ALD技术及其应用

2.2.4薄膜电致发光(TFEL)元件
近期有报道说用ALD技术用Zn和Se的前驱物成功制备了闪锌矿型的ZnSe 材料，这从理论上证明了白色光电致发光材料是能制备出来的。在有些刊物上 报道了用ALD技术成功的沉积了蓝-红发光（SrS:Cu）元件。
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2.4 纳米结构
内部微孔涂层 纳米管及纳米纤维 中空结构表面纳米处理
2.5 其他应用
纳米粘合。 生物医用材料表面处理。
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2.
ALD应用
原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可控性（厚度，成份 和结构），优异的沉积均匀性和一致性使得其在微纳电子和纳米 材料等领域具有广泛的应用潜力。 而且随着科技的发展在不远的将来将会发现其越来越多的应 用。根据该技术的反应原理特征，各类不同的材料都可以沉积出 来。已经沉积的材料包括金属、氧化物、碳（氮、硫、硅）化物 、各类半导体材料和超导材料等。
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1.2 ALD技术的主要优势
• 前驱体是饱和化学吸附，保证生成大面积均匀性的薄膜
• 可生成极好的三维保形性化学计量薄膜，作为台阶覆盖和纳米孔材 料的涂层 • 可轻易进行掺杂和界面修正 • 可以沉积多组份纳米薄片和混合氧化物 • 薄膜生长可在低温（室温到400oC）下进行 • 固有的沉积均匀性，易于缩放，可直接按比例放大 • 可以通过控制反应周期数简单精确地控制薄膜的厚度，形成达到原 子层厚度精度的薄膜 • 对尘埃相对不敏感，薄膜可在尘埃颗粒下生长 • 排除气相反应 • 可广泛适用于各种形状的基底 • 不需要控制反应物流量的均一性
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2.2.3有机发光显示器反湿涂层
一层用ALD技术沉积的Al2O3膜就能强烈地阻止水蒸气对OLED的侵蚀。 除了防潮层以外，透明导电电极同样可用ALD技术制备， ZnO原子沉积晶体 管栅极介电层薄膜已经成功制成。
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2.1.5集成电路中MIM电容器涂层
在DRAM介电层应用技术中，体系结构、材料选择和工艺过程是每一个技 术点的关键所在。 电容器技术从早先的PIS（聚合物/电介质/硅）改进为现在应用于65nm技术 的MIM（金属/电介质/金属）。 原子层沉积Ta2O5、HfO2 尤其是Al2O3已经成功应用于高k电介质中，原子 层沉积TiN已经作为金属电极应用于65nm的eDRAM技术中。 ALD的应用已经被证明是高k电介质以及电容器电极的可行性技术。
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2.2 光电材料及器件 2.2.1 防反射应用
防反射包覆在光学产业中相当重要。他常常由高低反射层构成，如 SiO2-ZrO2或SiO2-TiO2 。 过去应用蒸发技术沉积包覆层，但是包覆层的准确厚度直接影响到了防 反射能力，通常包覆厚度在10-15％。膜的厚度在100nm时，包覆厚度到 15nm，这极大的降低了防反射能力。另外，普通蒸发技术要把基体放置于 比蒸发源高的多的位置。 与此相比，ALD技术能在复杂的基体表面达到较高的一致性，有效的提 高了防反射能力并且降低了成本。 而且，ALD技术能在基体的两个面上同时进行包覆。
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2.1.2金属栅电极（metal gate）
除了晶体管栅极介电层，Intel的新一代处理器金属栅电极同样将应用ALD 方法。 这种方法是用金属取代半导体多晶硅电极栅以消除层间损耗，优化功能， 防止与高k电介质栅的反应。 优点：有晶体管栅极介电层的所有优点，另外他对金属栅电极更少的破坏 ，金属膜光滑，并且用ALD沉积的金属氮化物有更多的应用。 应用如：Ru, WN ,Pt, RuO, TaN, TiN, HfN等。
原子层沉积
（ALD）
技术及应用
仕嘉科技（北京）有限公司 陈宇林
2009年7月24日
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前言
单原子层沉积（atomic layer deposition，ALD），起初称为原子层外延 (Atomic Layer Epitaxy)；最初是由芬兰科学家提出并用于多晶荧光材料 ZnS:Mn以及非晶Al2O3绝缘膜的研制，这些材料是用于平板显示器 。 由于这一工艺涉及复杂的表面化学过程和低的沉积速度，直至上世纪 80年代中后期该技术并没有取得实质性的突破。 但是到了20世纪90年代中期，人们对这一技术的兴趣在不断加强，这 主要是由于微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不 断降低，而器件中的高宽比不断增加，这样所使用材料的厚度降低至几 个纳米数量级。因此原子层沉积技术的优势就体现出来，如单原子层逐 次沉积，沉积层极均匀的厚度和优异的一致性等就体现出来，而沉积速 度慢的问题就不重要了。
3.ALD应用实例
+
=
Al2O3 grown with H2O/TMA
Al2O3 grown with beer/TMA
用啤酒和水沉积的Al2O3
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2.2.7 防紫外线材料
ALD技术的应用使材料得到均一稳定的结构，不用任何其他支持，不用 高温（材料不变形）。而且与原来的溶胶凝胶法相比损失更少。
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2.1
半导体及纳米电子学应用
2.1.1晶体管栅极介电层（high-k）
晶体管栅极介电层是ALD的一个重要应用领域。 Intel近期发布的45nm级处理器就是应用了ALD方法制备的高k的 HfO2晶体管栅极介电层。而对于32nm技术节点来讲，材料的挥发性 ，输运方式以及纯度等问题更变得至关重要。Intel和IBM已经同时 宣布使用铪基材料作为栅极高k绝缘介质，加速CMOS制造工艺的革 命。 优点：缺陷少、均一、厚度可控、可形成无定形包覆，可厌氧反应 。 应用如：GaAs/AlGaAs等异质结构、晶体管、电子管、HfO2、ZrO2 、Al2O3、LaAlO、GdScO3 等。
原子层沉积的表面反应具有自限制性，即化学吸附 自限制(CS)和顺次反应自限制(RS)过程。实际上这种自 限制性特征正是原子层沉积技术的基础。不断重复这种 自限制反应就形成所需要的薄膜。
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典型的ALD沉积过程—Al2O3沉积过程
2.3 MEMS微机电系统
微机电系统常常伴随着设备的三维运动，在这个过程中，有许多在三 维空间及外延薄膜材料。 ALD技术对这种应用更加广泛，像金属、氮化物、氧化物在许多情况 下就会需要。
2.3.1 保护膜 2.3.2 憎水涂层 2.3.3 反刻蚀涂层
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薄膜密度
台阶覆盖 界面质量 原料的数目 低温沉积
好
好 好 不好 好ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
好
不好 好 好 好
好
多变 多变 不好 多变
好
不好 不好 好 好
不好
不好 好 较好 好
好
不好 多变 不好 好
沉积速率 工业适用性

不好 好
不好 较好
好 好
好 好
好 好
好 不好
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1. ALD技术简介
1.1 ALD原理 原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应 器并在沉积基体上化学吸附并反应并形成沉积膜的一种 方法。
当前躯体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸 附并发生表面反应。
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典型的ALD沉积过程—TiO2沉积过程

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ALD设备示意图

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ALD技术的优势示意图

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1.3 各种薄膜沉积方法比较：
方法 厚度的均匀性 ALD 好 MBE 较好 CVD 好 Sputter 好 Evapor 较好 PLD 较好
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2.2.2 滤波器
1998年起，ALD就已经成为多层结构光学电介质的沉积技术之一。用 ZnS和Al2O3作为高低折射率材料进行抗反射包覆、中子束分裂器、高反射包 覆，制成了Fabry-Perot 滤光器。并进行了其光学性能与理论理想结构的材 料进行传输和反射分析的研究。 现在，用ALD技术能够达到可控折射率的交互式Al2O3-TiO2的薄膜包覆 。这种方法达到了对极薄的包覆层的精确控制，这使得能够制备出梯度折射 率的包覆层，而改善了材料的光学性能，由此可应用于光波传导、窄带滤波 器以及宽带光导纤维包覆。
2.2.5 太阳能电池
ALD技术已经应用于Cu(In,Ga)Se2太阳能电池领域。 应用包括沉积大量过渡层（ZnO、ZnS、In2S3 ）。
2.2.6 激光器材料
ALD技术使ZnO在不使用高温烧结的条件下自动沉积到玻璃基体上。经 检测晶体结构呈完美的立方面心结构，厚度为均一的50层。这使得在室 温下就能得到紫外光。高功率可调波长的激光通过这种激光器可得。
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2.1.6 多层电容器
ALD技术能精确地制备出多层金属电容器纳米耐磨层。 精确的厚度控制原子层沉积电介质能够达到高的切断电压、低泄漏以及低损 失，并且能为多层电容器制备出更大的CV产品。 由于能够在复杂广阔的材料表面达到均一稳定沉积，这就为大规模生产提供 了稳定的基础。 可广泛选择的沉积层材料（WN、Pt、Ru、Cu 等）以及高k电介质材料（ HfO2、ZrO2 、钛酸盐等）使得制备电容器方面有较为广泛的选择。
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2.1.3 金属的连接
大规模集成电路需要更薄更精密的相互连接的金属。使相互连接的铜和钨 都要沉积到复杂的结构中。 应用如：Cu, W, Ru等。
2.1.4 互连线势垒层
金属铜扩散到大规模电路的硅、二氧化硅以及相连接的金属中需要较小 的扩散势垒，由于大部分结构是在狭窄而且较深的通道中，所以沉积方法 非常重要。 ALD技术很好地解决了这种问题，他能使特殊的金属、金属氮化物在低 温、厚度可控的条件下完成沉积。 应用如：WN, TaN, Co.等。