原子沉積技術(shù)研究-陳蓉-DZ-modified

1、LOGO原子沉積技術(shù)研究ANML陳蓉2011-12-09目錄1. 先進(jìn)制造計(jì)劃2. 原子沉積技術(shù)研究3. 科學(xué)挑戰(zhàn)ANML目錄1. 先進(jìn)制造計(jì)劃2. 原子沉積技術(shù)研究3. 科學(xué)挑戰(zhàn)ANML大規(guī)模集成電路不僅在對民用設(shè)備如電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等的發(fā)展起到重要的大規(guī)模集成電路不僅在對民用設(shè)備如電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等的發(fā)展起到重要的作用，同時(shí)在軍事、通訊、航空航天等高科技領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。作用，同時(shí)在軍事、通訊、航空航天等高科技領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。 20102010年行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)年行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)2378.62378.6億元，同比增長億元，同比增長35.5%35.5%，GDPGDP占有率增至占有率增至0.6%

2、0.6%。2121世紀(jì)隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，集成電路小型化的趨勢致使各電子器件線世紀(jì)隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，集成電路小型化的趨勢致使各電子器件線寬的特征尺寸更加細(xì)微。在新型材料研究和納米技術(shù)的引進(jìn)下，寬的特征尺寸更加細(xì)微。在新型材料研究和納米技術(shù)的引進(jìn)下，精微尺寸控制、表面高覆蓋率和和高均勻一致性成為微納器件制備研究的重要課題。成為微納器件制備研究的重要課題。大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路先進(jìn)制造計(jì)劃先進(jìn)制造計(jì)劃 國內(nèi)制造水平國內(nèi)制造水平國際先進(jìn)水平國際先進(jìn)水平 以加工貿(mào)易為主以加工貿(mào)易為主 原材料和專用制造設(shè)備對外依存度高原材料和專用制造設(shè)備對外依存度高 國內(nèi)制造僅能滿足國內(nèi)制造僅能滿足20%2

3、0%的國內(nèi)需求的國內(nèi)需求 CPU CPU、存儲器等芯片依靠進(jìn)口，通信、存儲器等芯片依靠進(jìn)口，通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域高檔芯片依賴進(jìn)口消費(fèi)電子等領(lǐng)域高檔芯片依賴進(jìn)口 芯片等高端電子元件已微型化至芯片等高端電子元件已微型化至32nm32nm級，下一代級，下一代22nm22nm級，甚至級，甚至16nm16nm級級 先進(jìn)制造工藝開發(fā)、新型技術(shù)（如納先進(jìn)制造工藝開發(fā)、新型技術(shù)（如納米技術(shù)）引進(jìn)已成功推進(jìn)元件制備的微米技術(shù)）引進(jìn)已成功推進(jìn)元件制備的微型化發(fā)展型化發(fā)展芯片制造工藝尺寸變化先進(jìn)制造是關(guān)鍵先進(jìn)制造是關(guān)鍵先進(jìn)制造計(jì)劃先進(jìn)制造計(jì)劃把握電子元件制造未來的微型化的方向，必須突破新型材料微納尺寸控制把握電子元

4、件制造未來的微型化的方向，必須突破新型材料微納尺寸控制和性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)問題。和性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)問題。 9090納米納米6565納米納米4545納米納米3232納米納米2222納米納米 ANML6先進(jìn)制造計(jì)劃先進(jìn)制造計(jì)劃(Advanced Manufacturing Initiative)AMIAMI計(jì)劃將通過新技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)計(jì)劃將通過新技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃、創(chuàng)立和普及新穎的制造業(yè)設(shè)劃、創(chuàng)立和普及新穎的制造業(yè)設(shè)計(jì)方法，以及共享支撐現(xiàn)有制造計(jì)方法，以及共享支撐現(xiàn)有制造產(chǎn)業(yè)升級的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施等舉措產(chǎn)業(yè)升級的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施等舉措來支持先進(jìn)制造業(yè)的創(chuàng)新來支持先進(jìn)制造業(yè)的創(chuàng)新 “ “確保美國在先進(jìn)制造業(yè)的

5、領(lǐng)先地位”。美國總統(tǒng)科技顧問委員會報(bào)告先進(jìn)制造計(jì)劃先進(jìn)制造計(jì)劃7建設(shè)國家安全關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)制造能力建設(shè)國家安全關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)制造能力啟動啟動 “材料基因組計(jì)劃材料基因組計(jì)劃”投資新一代機(jī)器人投資新一代機(jī)器人開發(fā)創(chuàng)新型的節(jié)能制造工藝和材料開發(fā)創(chuàng)新型的節(jié)能制造工藝和材料AMIAMI重大關(guān)鍵課題重大關(guān)鍵課題ANML先進(jìn)制造計(jì)劃先進(jìn)制造計(jì)劃目錄1. 先進(jìn)制造計(jì)劃2. 原子沉積技術(shù)研究3. 科學(xué)挑戰(zhàn)ANML集成電路線寬縮小所引起的薄膜需求： 柵極電介質(zhì)、柵極電介質(zhì)、DRAMDRAM電容電介質(zhì)需要高電容電介質(zhì)需要高 k k 薄膜材料薄膜材料(10nm)(10nm)； 深寬比高達(dá)深寬比高達(dá)100:1100:

6、1以上的孔洞表面薄膜也需要高覆蓋率；以上的孔洞表面薄膜也需要高覆蓋率； 互連擴(kuò)散阻擋層也變得越來越薄?；ミB擴(kuò)散阻擋層也變得越來越薄。微觀尺度上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)微觀尺度上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)隨著電子元器件的尺度進(jìn)一步縮小、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，隨著電子元器件的尺度進(jìn)一步縮小、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜， 許多新興的納米許多新興的納米制造工藝應(yīng)運(yùn)而生。制造工藝應(yīng)運(yùn)而生。ANML原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究P.A. Packan, Science, 1999Source: Intel高介電常數(shù)絕緣層高介電常數(shù)絕緣層ANML原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究隨著芯片上集成的微處理器數(shù)量越來越多，尺寸越來越小，金屬氧化物隨著芯片上集成

7、的微處理器數(shù)量越來越多，尺寸越來越小，金屬氧化物場效應(yīng)管場效應(yīng)管(MOS)(MOS)需要非常薄的門電極絕緣層（提高較高的電容）；需要非常薄的門電極絕緣層（提高較高的電容）；然而，隧穿電流（漏電流）隨著門電極厚度的減小而呈指數(shù)增長，因此然而，隧穿電流（漏電流）隨著門電極厚度的減小而呈指數(shù)增長，因此帶來了矛盾的兩面；帶來了矛盾的兩面；用原子層沉積高介電常數(shù)絕緣層一方面可以保證薄膜的均一性，另一方用原子層沉積高介電常數(shù)絕緣層一方面可以保證薄膜的均一性，另一方面可以保持門電極的有效電容，維持門電極對通道的控制。面可以保持門電極的有效電容，維持門電極對通道的控制。ANML傳統(tǒng)薄膜鍍層技術(shù)的問題傳統(tǒng)薄膜鍍

8、層技術(shù)的問題原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究“We disregard in our treatment the special case of such thin layers (10nm10nm 薄膜均勻性高度均勻和一致性高度均勻和一致性不均勻不均勻反應(yīng)速率沉積周期小，反應(yīng)慢反應(yīng)快反應(yīng)快反應(yīng)快反應(yīng)快真空度大氣壓或低于大氣壓大氣壓或低于大氣壓高真空度要求高真空度要求前驅(qū)體需尋找合適前驅(qū)體以獲得低雜質(zhì)的薄膜材料無需化學(xué)反應(yīng)無需化學(xué)反應(yīng), 純純度高度高需合適前驅(qū)體，高溫下薄膜相對雜質(zhì)低成本設(shè)備簡單、相對成本低設(shè)備設(shè)計(jì)簡單設(shè)備設(shè)計(jì)簡單設(shè)備復(fù)雜且高成本ANML原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究ANML

9、E引入新材料、新的制備工藝，勢必需要改變工藝流程；引入新材料、新的制備工藝，勢必需要改變工藝流程；先進(jìn)制造需要更加綠色環(huán)保的工藝及流程。先進(jìn)制造需要更加綠色環(huán)保的工藝及流程。ALDALD的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例“英特爾對鉿的創(chuàng)新使用，顯著降低了晶體管的能耗”“在銅表面的ALD阻擋層，防止銅原子在電場下的表面遷移”原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究選擇添加工藝流程選擇添加工藝流程ANMLCMOS選擇添加成形生長二氧化硅層刻蝕刻蝕剝離用ALD生長自對準(zhǔn)高介電/金屬閘極堆積硅片基底CMOS的刻蝕過程高介電常數(shù)介質(zhì)金屬或者多晶沉積光刻蝕刻蝕剝離原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究硅片基底技術(shù)關(guān)鍵16自主

10、裝分子鈍化劑自主裝分子鈍化劑利用了分子自主裝特性，低耗能；利用了分子自主裝特性，低耗能；高分子光刻膠有較長的支鏈，在幾個(gè)納米的分辨率較差；小分子鈍化劑相高分子光刻膠有較長的支鏈，在幾個(gè)納米的分辨率較差；小分子鈍化劑相比因此有比較高的精度特征尺寸比因此有比較高的精度特征尺寸(feature size)(feature size)；添加成形過程由于只在需要的地方生長薄膜，因此節(jié)省了很多前驅(qū)體原材添加成形過程由于只在需要的地方生長薄膜，因此節(jié)省了很多前驅(qū)體原材料，并可以用較溫和的刻蝕代替極端刻蝕，是一種綠色制造工藝流程。料，并可以用較溫和的刻蝕代替極端刻蝕，是一種綠色制造工藝流程。ANML原子沉積原

11、子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究 利用高分子鏈在表利用高分子鏈在表面上的自組裝性質(zhì)，面上的自組裝性質(zhì)，對表面進(jìn)行改性，使對表面進(jìn)行改性，使得前驅(qū)體只能在一定得前驅(qū)體只能在一定區(qū)域內(nèi)沉積區(qū)域內(nèi)沉積基底自主裝分子作為表面鈍化劑17門電極自對準(zhǔn)堆積門電極自對準(zhǔn)堆積利用選擇性利用選擇性ALDALD技術(shù)沉積高介電金屬氧化物，顯著降低場效應(yīng)管的泄漏電技術(shù)沉積高介電金屬氧化物，顯著降低場效應(yīng)管的泄漏電流和能耗流和能耗 ；首次將分子自組裝技術(shù)和原子層沉積相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自對準(zhǔn)首次將分子自組裝技術(shù)和原子層沉積相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自對準(zhǔn)(self-aligned)(self-aligned)高高介介電電/ /金金屬閘極堆積，有效減

12、少了高污染的刻蝕和清洗步驟；屬閘極堆積，有效減少了高污染的刻蝕和清洗步驟；該成果獲得半導(dǎo)體研究協(xié)會該成果獲得半導(dǎo)體研究協(xié)會Simon KareckiSimon Karecki獎，以及德州儀器微電子領(lǐng)域女獎，以及德州儀器微電子領(lǐng)域女性領(lǐng)袖獎。性領(lǐng)袖獎。自對準(zhǔn)高介電/金屬閘極堆積示意圖電子隧穿，漏電流技術(shù)關(guān)鍵：ANML原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究ALDALD的工藝應(yīng)用的工藝應(yīng)用前驅(qū)體是飽和化學(xué)吸附前驅(qū)體是飽和化學(xué)吸附，保證生成大面積均勻，保證生成大面積均勻薄膜薄膜大面積均勻吸附大面積均勻吸附薄膜厚度納米級可控薄膜厚度納米級可控，通過精確控制膜的，通過精確控制膜的厚度使轉(zhuǎn)換效率提升厚度使轉(zhuǎn)換效率

13、提升厚度納米級可控厚度納米級可控低的沉積溫度使硅膜壽低的沉積溫度使硅膜壽命提高，同時(shí)還可以在命提高，同時(shí)還可以在熱穩(wěn)定性低的柔性基底熱穩(wěn)定性低的柔性基底上沉積材料上沉積材料低溫沉積條件低溫沉積條件復(fù)雜結(jié)構(gòu)基底復(fù)雜結(jié)構(gòu)基底適合于各種形狀的襯適合于各種形狀的襯底，能沉積具有大的底，能沉積具有大的高深寬比的結(jié)構(gòu)高深寬比的結(jié)構(gòu)ANML原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究ALDALD制備的薄膜制備的薄膜 II-VI化合物 ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnS1-xSex, CaS, SrS, BaS, SrS1-xSex, CdS, CdTe, MnTe, HgTe, Hg1-xCdxTe, Cd1-x

14、MnxTeII-VI基TFEL磷光材料 ZnS:M (M=Mn, Tb, Tm), CaS:M (M=Eu, Ce, Tb, Pb), SrS:M (M=Ce, Tb, Pb, Mn, Cu) III-V化合物 GaAs, AlAs, AlP, InP, GaP, InAs, AlxGa1-xAs, GaxIn1-xAs, GaxIn1-xP 氮（碳）化物 半導(dǎo)體/介電材料 AlN, GaN, InN, SiNx 導(dǎo)體 TiN(C), TaN(C), Ta3N5, NbN(C), MoN(C) 氧化物 介電層 Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, Ta2O5, Nb2O5, Y2O

15、3, MgO, CeO2, SiO2, La2O3, SrTiO3, BaTiO3 透明導(dǎo)體/半導(dǎo)體 In2O3, In2O3:Sn, I2O3:F, In2O3:Zr, SnO2, SnO2:Sb, ZnO, ZnO:Al, Ga2O3, NiO, CoOx 超導(dǎo)材料 YB2Cu3O7-x 其他三元材料 LaCoO3, LaNiO3 氟化物 CaF, SrF, ZnF 單質(zhì)材料 Si, Ge, Cu, Mo, Pt, W, Co, Fe, Ni, Ru 其他 La2S3, PbS, In2S3, CuGaS2, SiCANML原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究LAMD太陽能電池技術(shù)發(fā)展的薄膜要

16、求太陽能電池技術(shù)發(fā)展的薄膜要求ALDALD在新能源領(lǐng)域在新能源領(lǐng)域高轉(zhuǎn)換效率需高轉(zhuǎn)換效率需要對厚度精確要對厚度精確可控可控1. 厚度可控2. 穩(wěn)定性好延長使用壽命延長使用壽命需要薄膜具有需要薄膜具有搞的穩(wěn)定性搞的穩(wěn)定性使用新型有機(jī)使用新型有機(jī)襯底只適合于襯底只適合于低溫沉積低溫沉積3. 低溫沉積原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究其他納米結(jié)構(gòu)其他納米結(jié)構(gòu)- -納米顆粒納米顆粒具有催化活性的納米金16 nm鈀金納米催化劑示意圖表層為鈀原子次表層為金原子橫截面近表面合金示意圖合金元素集中分布在表面ANML原子沉積原子沉積技術(shù)研究技術(shù)研究經(jīng)過區(qū)域鈍化處理的表面材料A的生長材料B的生長組分控制尺寸控制理論

17、和實(shí)驗(yàn)均表明，納米顆粒的催化、儲能性能和尺寸、組分、形貌有密切關(guān)系；利用選擇性ALD可以精準(zhǔn)的控制尺寸、組分、及分布。目錄1. 先進(jìn)制造計(jì)劃2. 原子沉積技術(shù)研究3. 科學(xué)挑戰(zhàn)ANML科學(xué)挑戰(zhàn)科學(xué)挑戰(zhàn)通過材料理性設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，不斷尋找合適前驅(qū)體，通過材料理性設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，不斷尋找合適前驅(qū)體，尤其是過渡金屬尤其是過渡金屬/ /金屬氧化物的相關(guān)活性前驅(qū)體。金屬氧化物的相關(guān)活性前驅(qū)體。通過設(shè)備改進(jìn)與創(chuàng)新，以及批量處理克服這一難題。通過設(shè)備改進(jìn)與創(chuàng)新，以及批量處理克服這一難題。沉積速度慢沉積速度慢 需要合適的前驅(qū)體需要合適的前驅(qū)體目前無目前無適合大面積生產(chǎn)的方案適合大面積生產(chǎn)的方案ALDALD

18、在半導(dǎo)體行業(yè)已取得大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，而進(jìn)一步應(yīng)在半導(dǎo)體行業(yè)已取得大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，而進(jìn)一步應(yīng)用到大面積薄膜制備（例如太陽能，顯示器等），則需要用到大面積薄膜制備（例如太陽能，顯示器等），則需要設(shè)備方面的創(chuàng)新，開發(fā)低真空或無需真空的設(shè)備方面的創(chuàng)新，開發(fā)低真空或無需真空的ALD ALD 技術(shù)，從技術(shù)，從而不斷推動其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。而不斷推動其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。ANMLANML前驅(qū)體設(shè)計(jì)前驅(qū)體設(shè)計(jì)通過理論計(jì)算調(diào)整配體取代基來改變前驅(qū)體的穩(wěn)定性：通過理論計(jì)算調(diào)整配體取代基來改變前驅(qū)體的穩(wěn)定性：哈佛大學(xué)Gordon教授合成出了一類新型的烴胺金屬配合物前驅(qū)體bis-amidinate，計(jì)算結(jié)果表明這類前驅(qū)體的穩(wěn)定性可以通過改變配體取代基加以調(diào)整。體積較大的取代基(如叔丁基)能夠穩(wěn)定bis-amidinate 型前驅(qū)體分子, 而小體積取代基(如異丙基、2-丁基)更容易發(fā)生-H 的遷移而使前驅(qū)體重排分解ANMLABC計(jì)算模擬判斷不同前驅(qū)體的形成薄膜的形式：計(jì)算模擬判斷不同前驅(qū)體的形成薄膜的形式：利用對比，通過第一性原理計(jì)算和分子動力學(xué)，分別計(jì)算前驅(qū)體A與羥基B和羥基C的反應(yīng)勢壘來判斷前驅(qū)體更喜歡以哪種方式生長薄膜。成膜微觀機(jī)理研究成膜微觀機(jī)理研究自主設(shè)計(jì)自主設(shè)計(jì)ALDALD設(shè)備設(shè)備ANMLv原型設(shè)計(jì)v實(shí)體組裝ANMLv