半导体 ALD 原子层沉积

一、ALD 核心定义与底层原理

ALD（Atomic Layer Deposition，原子层沉积） 是基于自限制表面半反应的薄膜制备技术，区别于 PVD/PECVD 连续共通供气模式，两种前驱体交替脉冲、中间吹扫隔离，单次循环仅沉积单原子 / 单分子层，厚度完全由循环次数决定，是先进半导体三维结构唯一能做到100% 保形覆盖的工艺。

半导体主流 ALD 薄膜与器件应用

1. 先进逻辑芯片（7nm 及以下）

• 高 k 栅介质 HfO₂、Al₂O₃：替代 SiO₂，降低栅漏电流，ALD 原子级均匀杜绝隧穿漏电

• 金属栅 TiN/TaN/W：ALD 超薄金属功函数调节层

• 铜互连阻挡层 TaN：超薄致密阻挡铜扩散，通孔侧壁全覆盖

2. 存储芯片（DRAM/NAND Flash）

• DRAM 电容：ZrO₂/HfO₂高 k 介质，高深宽比圆柱电容全覆盖

• 3D NAND：沟道 Al₂O₃栅介质、通孔阻挡层，数百层台阶均匀镀膜

3. 第三代半导体（GaN/SiC 功率 / 射频器件，牛津设备核心赛道）

• GaN HEMT 栅 recess 介质 Al₂O₃、SiN 钝化层

• SiC MOS 栅氧化层、终端钝化，低界面态密度

• Mini/Micro LED 芯片侧壁绝缘、电流阻挡层

4. 光电子（VCSEL、硅光、光波导）

• VCSEL DBR 介质层、腔面钝化 Al₂O₃

• 硅光波导侧壁 SiO₂、高折射率 TiO₂包覆

5. MEMS、传感器、微流控

• 压电结构绝缘层、腐蚀阻挡层、疏水 / 亲水表面改性

ALD单循环四步原理图

标准 ALD 一个完整循环（4 步）

以氧化铝 Al₂O₃为例（TMA 金属源 + 氧化剂）：

1. 前驱体 A 脉冲：通入 TMA，在衬底表面饱和化学吸附，表面位点占满后反应自动停止（自限制核心）

2. 惰性气体吹扫（Ar/N₂）：抽走多余 TMA 与副产物，杜绝两种前驱体气相混合反应

3. 前驱体 B 脉冲：热 ALD 用水 / H₂O；等离子增强 PEALD 用远程 O₂/N₂等离子，与表面吸附层反应生成单层薄膜

4. 二次吹扫：清除反应副产物，进入下一轮循环

• 生长速率：0.5~2 Å/ 循环，想要 10nm 薄膜仅需 50~100 次循环

• 核心特性：厚度精度 ±0.1nm、高深宽比沟槽 / 通孔无死角包覆、整片晶圆均匀度＜±2%

二、两大技术路线：热 ALD vs 等离子增强 PEALD（牛津主推 Remote 远程等离子 PEALD）

1. 热 ALD（T-ALD）

• 驱动力：单纯高温热能，无等离子

• 温度区间：200–450℃

• 优势：自由基扩散远，超高台阶覆盖率，无离子轰击损伤，工艺稳定

• 短板：温度高，无法用于 GaN、塑料、光刻胶等热敏衬底；难沉积金属、氮化物

• 典型薄膜：Al₂O₃、HfO₂、ZrO₂氧化物介质

2. 远程等离子增强 ALD（PEALD，牛津 PlasmaPro ASP/FlexAL 核心方案）

牛津全系 ALD 采用远程 ICP 等离子源（等离子在腔体外部产生，仅自由基进入反应腔，无高能离子轰击衬底，低损伤）

• 驱动力：等离子活化自由基替代高温

• 温度区间：50–400℃，可低温室温工艺

• 核心优势：

1. 低温适配第三代半导体 GaN/SiC、VCSEL、MEMS 热敏结构

2. 可沉积氮化物（AlN、Si₃N₄、TiN、TaN）、金属栅、高 k 介质

3. 薄膜致密度更高、杂质更少、绝缘 / 阻挡性能更强

短板：超高深宽比（＞50:1）底部自由基浓度略低于热 ALD