Sản xuất chip: Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD)

Trong ngành sản xuất chất bán dẫn, khi kích thước thiết bị tiếp tục thu hẹp, công nghệ lắng đọng vật liệu màng mỏng đã đặt ra những thách thức chưa từng có. Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD), là một công nghệ lắng đọng màng mỏng có thể đạt được sự kiểm soát chính xác ở cấp độ nguyên tử, đã trở thành một phần không thể thiếu trong sản xuất chất bán dẫn. Bài viết này nhằm mục đích giới thiệu quy trình và nguyên tắc của ALD để giúp hiểu rõ vai trò quan trọng của nó trongsản xuất chip tiên tiến.

1. Giải thích chi tiết vềALDdòng chảy quá trình

Quá trình ALD tuân theo một trình tự nghiêm ngặt để đảm bảo rằng chỉ có một lớp nguyên tử được thêm vào mỗi lần lắng đọng, từ đó đạt được sự kiểm soát chính xác về độ dày màng. Các bước cơ bản như sau:

Xung tiền thân:ALDquá trình bắt đầu bằng việc đưa tiền chất đầu tiên vào buồng phản ứng. Tiền chất này là khí hoặc hơi chứa các nguyên tố hóa học của vật liệu lắng đọng mục tiêu có thể phản ứng với các vị trí hoạt động cụ thể trênbánh xốpbề mặt. Các phân tử tiền chất được hấp phụ trên bề mặt wafer để tạo thành lớp phân tử bão hòa.

Làm sạch khí trơ: Sau đó, một loại khí trơ (chẳng hạn như nitơ hoặc argon) được đưa vào để làm sạch nhằm loại bỏ các tiền chất và sản phẩm phụ không phản ứng, đảm bảo rằng bề mặt wafer sạch và sẵn sàng cho phản ứng tiếp theo.

Xung tiền chất thứ hai: Sau khi quá trình thanh lọc hoàn tất, tiền chất thứ hai được đưa vào để phản ứng hóa học với tiền chất được hấp phụ ở bước đầu tiên để tạo ra lượng lắng đọng mong muốn. Phản ứng này thường tự giới hạn, nghĩa là khi tất cả các vị trí hoạt động đã bị chiếm giữ bởi tiền chất đầu tiên thì các phản ứng mới sẽ không còn xảy ra nữa.

Tẩy khí trơ lần nữa: Sau khi phản ứng kết thúc, khí trơ được tẩy lần nữa để loại bỏ các chất phản ứng và sản phẩm phụ còn sót lại, khôi phục bề mặt về trạng thái sạch và chuẩn bị cho chu trình tiếp theo.

Chuỗi bước này tạo thành một chu trình ALD hoàn chỉnh và mỗi khi hoàn thành một chu trình, một lớp nguyên tử sẽ được thêm vào bề mặt tấm bán dẫn. Bằng cách kiểm soát chính xác số chu kỳ, có thể đạt được độ dày màng mong muốn.

(ALD một bước chu kỳ)

2. Phân tích nguyên lý quy trình

Phản ứng tự giới hạn của ALD là nguyên tắc cốt lõi của nó. Trong mỗi chu kỳ, các phân tử tiền chất chỉ có thể phản ứng với các vị trí hoạt động trên bề mặt. Một khi các vị trí này đã bị chiếm giữ hoàn toàn, các phân tử tiền thân tiếp theo không thể bị hấp phụ, điều này đảm bảo rằng chỉ có một lớp nguyên tử hoặc phân tử được thêm vào trong mỗi vòng lắng đọng. Đặc điểm này giúp cho ALD có độ đồng đều và độ chính xác cực cao khi lắng đọng màng mỏng. Như thể hiện trong hình bên dưới, nó có thể duy trì phạm vi bao phủ bước tốt ngay cả trên các cấu trúc ba chiều phức tạp.

3. Ứng dụng ALD trong sản xuất chất bán dẫn

ALD được sử dụng rộng rãi trong ngành bán dẫn, bao gồm nhưng không giới hạn ở:

Lắng đọng vật liệu High-k: dùng làm lớp cách điện cổng của bóng bán dẫn thế hệ mới nhằm cải thiện hiệu suất thiết bị.

Lắng đọng cổng kim loại: chẳng hạn như titan nitride (TiN) và tantalum nitride (TaN), được sử dụng để cải thiện tốc độ chuyển mạch và hiệu suất của bóng bán dẫn.

Lớp rào cản kết nối: ngăn chặn sự khuếch tán kim loại và duy trì sự ổn định và độ tin cậy của mạch.

Lấp đầy cấu trúc ba chiều: chẳng hạn như lấp đầy các kênh trong cấu trúc FinFET để đạt được khả năng tích hợp cao hơn.

Sự lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) đã mang lại những thay đổi mang tính cách mạng cho ngành sản xuất chất bán dẫn nhờ độ chính xác và tính đồng nhất phi thường của nó. Bằng cách nắm vững quy trình và nguyên tắc của ALD, các kỹ sư có thể chế tạo các thiết bị điện tử có hiệu suất vượt trội ở cấp độ nano, thúc đẩy sự tiến bộ không ngừng của công nghệ thông tin. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, ALD sẽ đóng một vai trò quan trọng hơn nữa trong lĩnh vực bán dẫn trong tương lai.