ASM：迈入FinFET将需要全方位ALD方案
时间：2012-11-19 08:21:00
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[导读]半导体产业正在转换到3D结构，进而导致关键薄膜层对高速原子层沉积(ALD)的需求日益升高。过去在平面元件中虽可使用几个 PVD 与 CVD 步骤，但就闸极堆叠的观点而言，过渡到 FinFET 元件将需要全方位的 ALD 解决方案。
半导体产业正在转换到3D结构，进而导致关键薄膜层对高速原子层沉积(ALD)的需求日益升高。过去在平面元件中虽可使用几个 PVD 与 CVD 步骤，但就闸极堆叠的观点而言，过渡到 FinFET 元件将需要全方位的 ALD 解决方案。
就 FinFET 而言，以其尺寸及控制关键元件参数对后闸极 (gate last) 处理的需求来说，在 14 奈米制程必需用到全 ALD 层。半导体设备大厂 ASM International (ASMI) 针对此一趋势，与《电子工程专辑》谈到了ALD 技术在先进半导体制造中扮演的角色，以及究竟在哪一个技术节点时， ALD 将成为必要制程。
Q：ALD 对于铪薄膜沉积的厚度限制为何？
A：由于低温沉积、薄膜纯度以及绝佳覆盖率等固有优点，ALD 早从 21 世纪初即开始应用于半导体制造。 DRAM 电容的高 k 介电质沉积已率先采用此技术，但近来 ALD 在其它半导体制程领域已发展出愈来愈广泛的应用。高 k 闸极介电质及金属闸极之 ALD 沉积于先进逻辑晶片已成为标准，并且本技术正用于沉积间隔定义之双倍暨四倍微影图样 (SDDP, SDQP)，用以推广传统浸润式微影之使用以界定高密度逻辑暨记忆体设计之最小特征尺寸。
有趣的是，使用 FinFET 减缓了效能提升对介电质 EOT 缩放的需求，并且可用较缓慢的速度调整闸极介电质厚度。二氧化铪(HfO2)的厚度于最新一代的元件已缩小至 15 埃以下，再进一步的物理缩放将会导致层形成不完全；对于二氧化铪之缩放，10 至 12 埃 似乎已达到极限。然而，利用能提升闸极堆叠 k 值并且能使用实体较厚层之添加元素，本材料可预期延续使用于更多代制程，藉以降低穿隧漏电流。
Q：制作 FinFET 结构的难度是什么？鳍(fin)、鳍对鳍( fin-to-fin)厚度均匀度的重要性何在？ALD 制程如何有助于取得优异的均匀度？
A：FinFETs 为解决平面结构中某些关键整合难题的有效方式，尤其是控制短通道效应以及使用轻掺杂或无掺杂通道控制随机掺杂扰动。然而，对于先进制程节点，鳍宽度已低于微影限制并且需要 ALD 层以供间隔定义之双倍微影图样界定(SDDP)鳍结构。
线缘粗糙度和 CD 圴匀度在鳍定义中扮演关键的角色， 鳍变异会使元件或晶圆之间的临界电压产生扰动。必须有效控制鳍的蚀刻以在最小化鳍高度变异的同时使晶体损害降到最低。由于邻近鳍之阴影效应会对离子布植技术造成影响，鳍之均匀掺杂会有挑战性。电浆掺杂也有类似问题。将鳍作成锥状可以解决前述问题，并同时解决覆盖性闸极介电质与金属沉积的忧虑，但下一代最终仍需要利用高掺杂、一致性、ALD 层之固态掺杂之类的新颖方法以持续缩放鳍。
在 FinFET、多闸极元件中，FIN 的侧边与上部为主动通道区。因此，高k闸极介电质与金属闸极必须以最小厚度及物理特性变异予以沉积于鳍。变异将导致电晶体彼此之间产生临界电压变异和效能变异，或使鳍的电流承载能力降低。另外，闸极接点金属必须对闸极腔提供无空隙填充物。逐层 ALD 沉积快速地成为解决这些问题的唯一技术。
Q：近年来，闸极制程正需要低温技术以便在完成所有高温制程之后形成闸极，但 ALD 易于使某些金属不稳定，如何解决这个问题？
A：在标准平面替换闸极技术中，金属闸极堆叠已由 ALD、PVD 以及 CVD 金属层的结合所组成。ALD 用于覆盖性关键阻障物(critical barrier)与功函数(work function)设定层，而传统 PVD 和 CVD 用于沉积纯金属给低电阻率闸极接点。
随着 FinFETs 之类三维结构的出现，全方位 ALD 解决方案对于介电质，阻挡层与 work function 设定层、以及闸极接点具有关键性。最大热预算持续压低，且理论上金属沉积必须在低于 500℃的温度下进行。纯金属之热 ALD 于此温度范围具有挑战性，以及大部份将于此温度形成纯金属之母材并不稳定，会在沉积期间把杂质混入金属内。然而，电浆增强型 ALD (PEALD) 之使用极具优势，因此一技术能以混入最少杂质的方式进行纯金属之低温沉积。
直接或远端电浆两者皆可用于沉积纯金属，但靠近闸极区使用电浆仍留有某些忧虑。本产业持续评估不同低温金属母材用以对藉由 ALD 沉积纯金属提供一个适用于所有温度的解决方案。
Q：随着闸极结构愈趋复杂，本产业是否降低对传统 CVD 与 PVD 金属薄膜的依赖性，转而强烈关注 ALD 对等或替代制程？ALD 母材之稳定度与反应性是否将为 ALD 设备、以及甚至 ALD 层效能带来新的挑战？
A：三维架构和较低热预算之结合对于特定关键薄膜沉积应用将需要由 CVD 与 PVD 移向 ALD。在传统 PVD 与 CVD 技术领域中，我们已观察到对 ALD 替代之强烈关注。在不久的将来，可完全预期 ALD 扩展至 MEOL 与 BEOL 的应用。
ALD 母材的开发至关重要，尤其是在金属沉积空间中，以供交付特性与 PVD/CVD 基线效能匹配的薄膜。除了确保 ALD 母材具有足够的反应性，母材的稳定度与蒸气压力具有关键性。若 ALD 大量取代传统的 PVD 和 CVD 技术，未来 ALD 母材的开发在化学供应商、设备制造商以及元件制造商之间需密切配合，以确保这些薄膜能以可再生、生产保证的方式沉积。
就 FinFET 而言，以其尺寸及控制关键元件参数对后闸极 (gate last) 处理的需求来说，在 14 奈米制程必需用到全 ALD 层。半导体设备大厂 ASM International (ASMI) 针对此一趋势，与《电子工程专辑》谈到了ALD 技术在先进半导体制造中扮演的角色，以及究竟在哪一个技术节点时， ALD 将成为必要制程。
Q：ALD 对于铪薄膜沉积的厚度限制为何？
A：由于低温沉积、薄膜纯度以及绝佳覆盖率等固有优点，ALD 早从 21 世纪初即开始应用于半导体制造。 DRAM 电容的高 k 介电质沉积已率先采用此技术，但近来 ALD 在其它半导体制程领域已发展出愈来愈广泛的应用。高 k 闸极介电质及金属闸极之 ALD 沉积于先进逻辑晶片已成为标准，并且本技术正用于沉积间隔定义之双倍暨四倍微影图样 (SDDP, SDQP)，用以推广传统浸润式微影之使用以界定高密度逻辑暨记忆体设计之最小特征尺寸。
有趣的是，使用 FinFET 减缓了效能提升对介电质 EOT 缩放的需求，并且可用较缓慢的速度调整闸极介电质厚度。二氧化铪(HfO2)的厚度于最新一代的元件已缩小至 15 埃以下，再进一步的物理缩放将会导致层形成不完全；对于二氧化铪之缩放，10 至 12 埃 似乎已达到极限。然而，利用能提升闸极堆叠 k 值并且能使用实体较厚层之添加元素，本材料可预期延续使用于更多代制程，藉以降低穿隧漏电流。
Q：制作 FinFET 结构的难度是什么？鳍(fin)、鳍对鳍( fin-to-fin)厚度均匀度的重要性何在？ALD 制程如何有助于取得优异的均匀度？
A：FinFETs 为解决平面结构中某些关键整合难题的有效方式，尤其是控制短通道效应以及使用轻掺杂或无掺杂通道控制随机掺杂扰动。然而，对于先进制程节点，鳍宽度已低于微影限制并且需要 ALD 层以供间隔定义之双倍微影图样界定(SDDP)鳍结构。
线缘粗糙度和 CD 圴匀度在鳍定义中扮演关键的角色， 鳍变异会使元件或晶圆之间的临界电压产生扰动。必须有效控制鳍的蚀刻以在最小化鳍高度变异的同时使晶体损害降到最低。由于邻近鳍之阴影效应会对离子布植技术造成影响，鳍之均匀掺杂会有挑战性。电浆掺杂也有类似问题。将鳍作成锥状可以解决前述问题，并同时解决覆盖性闸极介电质与金属沉积的忧虑，但下一代最终仍需要利用高掺杂、一致性、ALD 层之固态掺杂之类的新颖方法以持续缩放鳍。
在 FinFET、多闸极元件中，FIN 的侧边与上部为主动通道区。因此，高k闸极介电质与金属闸极必须以最小厚度及物理特性变异予以沉积于鳍。变异将导致电晶体彼此之间产生临界电压变异和效能变异，或使鳍的电流承载能力降低。另外，闸极接点金属必须对闸极腔提供无空隙填充物。逐层 ALD 沉积快速地成为解决这些问题的唯一技术。
Q：近年来，闸极制程正需要低温技术以便在完成所有高温制程之后形成闸极，但 ALD 易于使某些金属不稳定，如何解决这个问题？
A：在标准平面替换闸极技术中，金属闸极堆叠已由 ALD、PVD 以及 CVD 金属层的结合所组成。ALD 用于覆盖性关键阻障物(critical barrier)与功函数(work function)设定层，而传统 PVD 和 CVD 用于沉积纯金属给低电阻率闸极接点。
随着 FinFETs 之类三维结构的出现，全方位 ALD 解决方案对于介电质，阻挡层与 work function 设定层、以及闸极接点具有关键性。最大热预算持续压低，且理论上金属沉积必须在低于 500℃的温度下进行。纯金属之热 ALD 于此温度范围具有挑战性，以及大部份将于此温度形成纯金属之母材并不稳定，会在沉积期间把杂质混入金属内。然而，电浆增强型 ALD (PEALD) 之使用极具优势，因此一技术能以混入最少杂质的方式进行纯金属之低温沉积。
直接或远端电浆两者皆可用于沉积纯金属，但靠近闸极区使用电浆仍留有某些忧虑。本产业持续评估不同低温金属母材用以对藉由 ALD 沉积纯金属提供一个适用于所有温度的解决方案。
Q：随着闸极结构愈趋复杂，本产业是否降低对传统 CVD 与 PVD 金属薄膜的依赖性，转而强烈关注 ALD 对等或替代制程？ALD 母材之稳定度与反应性是否将为 ALD 设备、以及甚至 ALD 层效能带来新的挑战？
A：三维架构和较低热预算之结合对于特定关键薄膜沉积应用将需要由 CVD 与 PVD 移向 ALD。在传统 PVD 与 CVD 技术领域中，我们已观察到对 ALD 替代之强烈关注。在不久的将来，可完全预期 ALD 扩展至 MEOL 与 BEOL 的应用。
ALD 母材的开发至关重要，尤其是在金属沉积空间中，以供交付特性与 PVD/CVD 基线效能匹配的薄膜。除了确保 ALD 母材具有足够的反应性，母材的稳定度与蒸气压力具有关键性。若 ALD 大量取代传统的 PVD 和 CVD 技术，未来 ALD 母材的开发在化学供应商、设备制造商以及元件制造商之间需密切配合，以确保这些薄膜能以可再生、生产保证的方式沉积。
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