การผลิตชิป: การสะสมชั้นอะตอม (ALD)

ในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากขนาดอุปกรณ์ยังคงหดตัว เทคโนโลยีการสะสมของวัสดุฟิล์มบางทำให้เกิดความท้าทายที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน Atomic Layer Deposition (ALD) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการสะสมฟิล์มบางที่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำในระดับอะตอม ได้กลายเป็นส่วนสำคัญของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ บทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อแนะนำผังกระบวนการและหลักการของ ALD เพื่อช่วยให้เข้าใจบทบาทสำคัญของ เอแอลดีการผลิตชิปขั้นสูง.

1. คำอธิบายโดยละเอียดของเอแอลดีการไหลของกระบวนการ

กระบวนการ ALD เป็นไปตามลำดับที่เข้มงวดเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเพิ่มชั้นอะตอมเพียงชั้นเดียวในแต่ละครั้งที่มีการสะสม ดังนั้นจึงสามารถควบคุมความหนาของฟิล์มได้อย่างแม่นยำ ขั้นตอนพื้นฐานมีดังนี้:

ชีพจรของสารตั้งต้น: Theเอแอลดีกระบวนการเริ่มต้นด้วยการนำสารตั้งต้นตัวแรกเข้าไปในห้องปฏิกิริยา สารตั้งต้นนี้คือก๊าซหรือไอที่มีองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุสะสมเป้าหมายที่สามารถทำปฏิกิริยากับตำแหน่งออกฤทธิ์เฉพาะบนเวเฟอร์พื้นผิว. โมเลกุลของสารตั้งต้นจะถูกดูดซับบนพื้นผิวเวเฟอร์เพื่อสร้างชั้นโมเลกุลที่อิ่มตัว

การไล่ก๊าซเฉื่อย: ต่อจากนั้น มีการใช้ก๊าซเฉื่อย (เช่น ไนโตรเจนหรืออาร์กอน) เพื่อไล่ล้างเพื่อกำจัดสารตั้งต้นและผลพลอยได้ที่ยังไม่ทำปฏิกิริยา เพื่อให้มั่นใจว่าพื้นผิวเวเฟอร์สะอาดและพร้อมสำหรับปฏิกิริยาครั้งต่อไป

พัลส์สารตั้งต้นที่สอง: หลังจากการไล่ล้างเสร็จสิ้น สารตั้งต้นตัวที่สองจะถูกนำไปใช้เพื่อทำปฏิกิริยาทางเคมีกับสารตั้งต้นที่ถูกดูดซับในขั้นตอนแรกเพื่อสร้างตะกอนที่ต้องการ ปฏิกิริยานี้มักจะจำกัดตัวเอง กล่าวคือ เมื่อบริเวณที่ทำงานทั้งหมดถูกครอบครองโดยสารตั้งต้นตัวแรก ปฏิกิริยาใหม่จะไม่เกิดขึ้นอีกต่อไป

การไล่ก๊าซเฉื่อยอีกครั้ง: หลังจากปฏิกิริยาเสร็จสิ้น ก๊าซเฉื่อยจะถูกไล่ออกอีกครั้งเพื่อกำจัดสารตั้งต้นและผลพลอยได้ที่ตกค้าง ทำให้พื้นผิวกลับสู่สถานะที่สะอาดและเตรียมพร้อมสำหรับรอบถัดไป

ชุดขั้นตอนนี้ถือเป็นวงจร ALD ที่สมบูรณ์ และในแต่ละครั้งที่รอบเสร็จสิ้น ชั้นอะตอมจะถูกเพิ่มลงบนพื้นผิวเวเฟอร์ ด้วยการควบคุมจำนวนรอบอย่างแม่นยำ ทำให้ได้ความหนาของฟิล์มที่ต้องการ

(ALD หนึ่งรอบขั้นตอน)

2. การวิเคราะห์หลักการกระบวนการ

ปฏิกิริยาที่จำกัดตัวเองของ ALD เป็นหลักการสำคัญของมัน ในแต่ละรอบ โมเลกุลของสารตั้งต้นจะทำปฏิกิริยากับบริเวณที่ทำงานอยู่บนพื้นผิวเท่านั้น เมื่อพื้นที่เหล่านี้ถูกครอบครองจนเต็มแล้ว โมเลกุลของสารตั้งต้นที่ตามมาจะไม่สามารถดูดซับได้ ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าจะมีอะตอมหรือโมเลกุลเพียงชั้นเดียวเท่านั้นที่ถูกเติมเข้าไปในแต่ละรอบของการทับถม คุณลักษณะนี้ทำให้ ALD มีความสม่ำเสมอและความแม่นยำสูงมากเมื่อติดฟิล์มบาง ดังแสดงในรูปด้านล่าง สามารถรักษาการครอบคลุมขั้นตอนที่ดีได้แม้ในโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน

3. การประยุกต์ ALD ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

เอแอลดี ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง:

การสะสมวัสดุ High-k: ใช้สำหรับชั้นฉนวนประตูของทรานซิสเตอร์รุ่นใหม่เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์

การสะสมประตูโลหะ: เช่นไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN) และแทนทาลัมไนไตรด์ (TaN) ใช้เพื่อปรับปรุงความเร็วในการเปลี่ยนและประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์

ชั้นกั้นการเชื่อมต่อระหว่างกัน: ป้องกันการแพร่กระจายของโลหะและรักษาเสถียรภาพและความน่าเชื่อถือของวงจร

การเติมโครงสร้างสามมิติ: เช่นการเติมช่องในโครงสร้าง FinFET เพื่อให้เกิดการบูรณาการที่สูงขึ้น

การสะสมของชั้นอะตอม (ALD) ได้นำการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญมาสู่อุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ด้วยความแม่นยำและความสม่ำเสมอที่ไม่ธรรมดา ด้วยการเรียนรู้กระบวนการและหลักการของ ALD วิศวกรจะสามารถสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในระดับนาโน ซึ่งส่งเสริมความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีสารสนเทศ ในขณะที่เทคโนโลยียังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ALD จะมีบทบาทสำคัญในสาขาเซมิคอนดักเตอร์ในอนาคต