Bei der Dünnfilmabscheidung wird eine Filmschicht auf das Hauptsubstratmaterial des Halbleiters aufgetragen. Dieser Film kann aus verschiedenen Materialien bestehen, beispielsweise aus isolierendem Siliziumdioxid, Halbleiter-Polysilizium, Metallkupfer usw. Die für die Beschichtung verwendete Ausrüstung wird als Dünnschicht-Abscheidungsausrüstung bezeichnet.
Aus Sicht des Halbleiterchip-Herstellungsprozesses befindet es sich im Front-End-Prozess.
Der Dünnfilm-Herstellungsprozess kann entsprechend seiner Filmbildungsmethode in zwei Kategorien unterteilt werden: physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung(CVD), wobei CVD-Prozessausrüstung einen höheren Anteil ausmacht.
Unter physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) versteht man die Verdampfung der Oberfläche der Materialquelle und die Abscheidung auf der Oberfläche des Substrats durch Niederdruckgas/Plasma, einschließlich Verdampfung, Sputtern, Ionenstrahl usw.;
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bezieht sich auf den Prozess der Abscheidung eines festen Films auf der Oberfläche des Siliziumwafers durch eine chemische Reaktion einer Gasmischung. Je nach Reaktionsbedingungen (Druck, Vorläufer) wird in Atmosphärendruck eingeteiltCVD(APCVD), NiederdruckCVD(LPCVD), plasmaunterstütztes CVD (PECVD), hochdichtes Plasma-CVD (HDPCVD) und Atomlagenabscheidung (ALD).
LPCVD: LPCVD verfügt über eine bessere Stufenabdeckungsfähigkeit, eine gute Zusammensetzungs- und Strukturkontrolle, eine hohe Abscheidungsrate und -leistung und reduziert die Quelle der Partikelverschmutzung erheblich. Um die Reaktion aufrechtzuerhalten, sind Heizgeräte als Wärmequelle, Temperaturkontrolle und Gasdruck sehr wichtig. Weit verbreitet bei der Polyschichtherstellung von TopCon-Zellen.
PECVD: PECVD basiert auf dem durch Hochfrequenzinduktion erzeugten Plasma, um eine niedrige Temperatur (weniger als 450 Grad) des Dünnschichtabscheidungsprozesses zu erreichen. Der Hauptvorteil liegt in der Niedertemperaturabscheidung. Dadurch wird Energie gespart, Kosten gesenkt, die Produktionskapazität erhöht und der durch hohe Temperaturen verursachte Lebensdauerzerfall von Minoritätsträgern in Siliziumwafern verringert. Es kann auf die Prozesse verschiedener Zellen wie PERC, TOPCON und HJT angewendet werden.
ALD: Gute Filmgleichmäßigkeit, dicht und ohne Löcher, gute Stufenabdeckungseigenschaften, kann bei niedriger Temperatur (Raumtemperatur – 400 °C) durchgeführt werden, kann die Filmdicke einfach und genau steuern, ist auf Substrate unterschiedlicher Form weit verbreitet und Die Gleichmäßigkeit des Reaktantenflusses muss nicht kontrolliert werden. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass die Filmbildungsgeschwindigkeit langsam ist. Wie zum Beispiel die lichtemittierende Schicht aus Zinksulfid (ZnS), die zur Herstellung nanostrukturierter Isolatoren (Al2O3/TiO2) und Dünnschicht-Elektrolumineszenzanzeigen (TFEL) verwendet wird.
Atomlagenabscheidung (ALD) ist ein Vakuumbeschichtungsverfahren, bei dem Schicht für Schicht ein dünner Film in Form einer einzelnen Atomschicht auf der Oberfläche eines Substrats gebildet wird. Bereits 1974 entwickelte der finnische Materialphysiker Tuomo Suntola diese Technologie und gewann den mit einer Million Euro dotierten Millennium Technology Award. Die ALD-Technologie wurde ursprünglich für elektrolumineszierende Flachbildschirme verwendet, fand jedoch keine breite Anwendung. Erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts begann die ALD-Technologie von der Halbleiterindustrie übernommen zu werden. Durch die Herstellung ultradünner hochdielektrischer Materialien als Ersatz für herkömmliches Siliziumoxid konnte das Problem des Leckstroms, das durch die Verringerung der Leitungsbreite von Feldeffekttransistoren verursacht wird, erfolgreich gelöst werden, was zu einer Weiterentwicklung des Mooreschen Gesetzes hin zu kleineren Leitungsbreiten führte. Dr. Tuomo Suntola sagte einmal, dass ALD die Integrationsdichte von Komponenten deutlich erhöhen kann.
Öffentliche Daten zeigen, dass die ALD-Technologie 1974 von Dr. Tuomo Suntola von PICOSUN in Finnland erfunden wurde und im Ausland industrialisiert wurde, beispielsweise der hochdielektrische Film im 45/32-Nanometer-Chip, der von Intel entwickelt wurde. In China führte mein Land die ALD-Technologie mehr als 30 Jahre später ein als das Ausland. Im Oktober 2010 veranstalteten PICOSUN in Finnland und die Fudan-Universität das erste inländische akademische ALD-Austauschtreffen, bei dem die ALD-Technologie zum ersten Mal in China eingeführt wurde.
Im Vergleich zur herkömmlichen chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) sind die Vorteile von ALD eine hervorragende dreidimensionale Konformität, eine großflächige Filmgleichmäßigkeit und eine präzise Dickenkontrolle, die sich für das Züchten ultradünner Filme auf komplexen Oberflächenformen und Strukturen mit hohem Aspektverhältnis eignen.
—Datenquelle: Mikro-Nano-Verarbeitungsplattform der Tsinghua-Universität—
In der Post-Moore-Ära wurden die Komplexität und das Prozessvolumen der Waferherstellung erheblich verbessert. Am Beispiel von Logikchips sind mit der zunehmenden Anzahl von Produktionslinien mit Prozessen unter 45 nm, insbesondere der Produktionslinien mit Prozessen von 28 nm und darunter, die Anforderungen an die Beschichtungsdicke und die Präzisionssteuerung höher. Nach der Einführung der Mehrfachbelichtungstechnologie ist die Anzahl der ALD-Prozessschritte und die erforderliche Ausrüstung erheblich gestiegen; Im Bereich der Speicherchips hat sich der gängige Herstellungsprozess von der 2D-NAND- zur 3D-NAND-Struktur weiterentwickelt, die Anzahl der internen Schichten hat weiter zugenommen und die Komponenten weisen nach und nach Strukturen mit hoher Dichte und hohem Seitenverhältnis auf und spielen eine wichtige Rolle von ALD hat begonnen, sich zu entwickeln. Aus der Perspektive der zukünftigen Entwicklung von Halbleitern wird die ALD-Technologie in der Post-Moore-Ära eine immer wichtigere Rolle spielen.
Beispielsweise ist ALD die einzige Abscheidungstechnologie, die die Anforderungen an die Abdeckung und Filmleistung komplexer 3D-Stapelstrukturen (wie 3D-NAND) erfüllen kann. Dies ist in der folgenden Abbildung anschaulich zu erkennen. Der in CVD A abgeschiedene Film (blau) bedeckt den unteren Teil der Struktur nicht vollständig; Selbst wenn einige Prozessanpassungen am CVD (CVD B) vorgenommen werden, um eine Abdeckung zu erreichen, sind die Filmleistung und die chemische Zusammensetzung des unteren Bereichs sehr schlecht (weißer Bereich in der Abbildung); Im Gegensatz dazu zeigt der Einsatz der ALD-Technologie eine vollständige Filmabdeckung und es werden hochwertige und gleichmäßige Filmeigenschaften in allen Bereichen der Struktur erreicht.
—-Bild Vorteile der ALD-Technologie im Vergleich zu CVD (Quelle: ASM)—-
Obwohl CVD kurzfristig immer noch den größten Marktanteil einnimmt, hat sich ALD zu einem der am schnellsten wachsenden Teile des Marktes für Waferfertigungsausrüstung entwickelt. In diesem ALD-Markt mit großem Wachstumspotenzial und einer Schlüsselrolle in der Chipherstellung ist ASM ein führendes Unternehmen im Bereich ALD-Ausrüstung.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 12. Juni 2024