ASM:邁入FinFET將需要全方位ALD方案

　　半導體產業正在轉換到3D結構，進而導致關鍵薄膜層對高速原子層沉積(ALD)的需求日益升高。過去在平面元件中雖可使用幾個 PVD 與 CVD 步驟，但就閘極堆疊的觀點而言，過渡到 FinFET 元件將需要全方位的 ALD 解決方案。

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　　就 FinFET 而言，以其尺寸及控制關鍵元件參數對後閘極 (gate last) 處理的需求來說，在 14 奈米製程必需用到全 ALD 層。半導體設備大廠 ASM International (ASMI) 針對此一趨勢，與《電子工程專輯》談到了ALD 技術在先進半導體製造中扮演的角色，以及究竟在哪一個技術節點時， ALD 將成為必要製程。

　　Q：ALD 對於鉿薄膜沉積的厚度限制為何?

　　A：由於低溫沉積、薄膜純度以及絕佳覆蓋率等固有優點，ALD 早從 21 世紀初即開始應用於半導體製造。 DRAM 電容的高 k 介電質沉積已率先採用此技術，但近來 ALD 在其它半導體製程領域已發展出愈來愈廣泛的應用。高 k 閘極介電質及金屬閘極之 ALD 沉積於先進邏輯晶片已成為標準，並且本技術正用於沉積間隔定義之雙倍暨四倍微影圖樣 (SDDP, SDQP)，用以推廣傳統浸潤式微影之使用以界定高密度邏輯暨記憶體設計之最小特徵尺寸。

　　有趣的是，使用 FinFET 減緩了效能提升對介電質 EOT 縮放的需求，並且可用較緩慢的速度調整閘極介電質厚度。二氧化鉿(HfO2)的厚度於最新一代的元件已縮小至 15 埃以下，再進一步的物理縮放將會導致層形成不完全;對於二氧化鉿之縮放，10 至 12 埃 似乎已達到極限。然而，利用能提升閘極堆疊 k 值並且能使用實體較厚層之添加元素，本材料可預期延續使用於更多代製程，藉以降低穿隧漏電流。

　　Q：製作 FinFET 結構的難度是什麼?鰭(fin)、鰭對鰭( fin-to-fin)厚度均勻度的重要性何在?ALD 製程如何有助於取得優異的均勻度?

　　A：FinFETs 為解決平面結構中某些關鍵整合難題的有效方式，尤其是控制短通道效應以及使用輕摻雜或無摻雜通道控制隨機摻雜擾動。然而，對於先進位程節點，鰭寬度已低於微影限制並且需要 ALD 層以供間隔定義之雙倍微影圖樣界定(SDDP)鰭結構。

　　線緣粗糙度和 CD 圴勻度在鰭定義中扮演關鍵的角色， 鰭變異會使元件或晶圓之間的臨界電壓產生擾動。必須有效控制鰭的蝕刻以在最小化鰭高度變異的同時使晶體損害降到最低。由於鄰近鰭之陰影效應會對離子布植技術造成影響，鰭之均勻摻雜會有挑戰性。電漿摻雜也有類似問題。將鰭作成錐狀可以解決前述問題，並同時解決覆蓋性閘極介電質與金屬沉積的憂慮，但下一代最終仍需要利用高摻雜、一致性、ALD 層之固態摻雜之類的新穎方法以持續縮放鰭。

　　在 FinFET、多閘極元件中，FIN 的側邊與上部為主動通道區。因此，高k閘極介電質與金屬閘極必須以最小厚度及物理特性變異予以沉積於鰭。變異將導致電晶體彼此之間產生臨界電壓變異和效能變異，或使鰭的電流承載能力降低。另外，閘極接點金屬必須對閘極腔提供無空隙填充物。逐層 ALD 沉積快速地成為解決這些問題的唯一技術。

　　Q：近年來，閘極製程正需要低溫技術以便在完成所有高溫製程之後形成閘極，但 ALD 易於使某些金屬不穩定，如何解決這個問題?

　　A：在標準平面替換閘極技術中，金屬閘極堆疊已由 ALD、PVD 以及 CVD 金屬層的結合所組成。ALD 用於覆蓋性關鍵阻障物(critical barrier)與功函數(work function)設定層，而傳統 PVD 和 CVD 用於沉積純金屬給低電阻率閘極接點。

　　FinFETs 之類三維結構的出現，全方位 ALD 解決方案對於介電質，阻擋層與 work function 設定層、以及閘極接點具有關鍵性。最大熱預算持續壓低，且理論上金屬沉積必須在低於 500℃的溫度下進行。純金屬之熱 ALD 於此溫度範圍具有挑戰性，以及大部份將於此溫度形成純金屬之母材並不穩定，會在沉積期間把雜質混入金屬內。然而，電漿增強型 ALD (PEALD) 之使用極具優勢，因此一技術能以混入最少雜質的方式進行純金屬之低溫沉積。

　　直接或遠端電漿兩者皆可用於沉積純金屬，但靠近閘極區使用電漿仍留有某些憂慮。本產業持續評估不同低溫金屬母材用以對藉由 ALD 沉積純金屬提供一個適用於所有溫度的解決方案。

　　Q：隨著閘極結構愈趨複雜，本產業是否降低對傳統 CVD 與 PVD 金屬薄膜的依賴性，轉而強烈關注 ALD 對等或替代製程?ALD 母材之穩定度與反應性是否將為 ALD 設備、以及甚至 ALD 層效能帶來新的挑戰?

　　A：三維架構和較低熱預算之結合對於特定關鍵薄膜沉積應用將需要由 CVD 與 PVD 移向 ALD。在傳統 PVD 與 CVD 技術領域中，我們已觀察到對 ALD 替代之強烈關注。在不久的將來，可完全預期 ALD 擴展至 MEOL 與 BEOL 的應用。

　　ALD 母材的開發至關重要，尤其是在金屬沉積空間中，以供交付特性與 PVD/CVD 基線效能匹配的薄膜。除了確保 ALD 母材具有足夠的反應性，母材的穩定度與蒸氣壓力具有關鍵性。若 ALD 大量取代傳統的 PVD 和 CVD 技術，未來 ALD 母材的開發在化學供應商、設備製造商以及元件製造商之間需密切配合，以確保這些薄膜能以可再生、生產保證的方式沉積。