Bei der Dünnschichtabscheidung wird eine dünne Schicht auf das Substratmaterial eines Halbleiters aufgebracht. Diese Schicht kann aus verschiedenen Materialien bestehen, beispielsweise aus dem isolierenden Siliziumdioxid, dem Halbleiter Polysilizium oder dem Metall Kupfer. Die für die Beschichtung verwendeten Anlagen werden als Dünnschichtabscheidungsanlagen bezeichnet.
Aus Sicht des Halbleiterchip-Herstellungsprozesses ist es im Front-End-Prozess angesiedelt.
Die Dünnschichtherstellung lässt sich anhand des Schichtbildungsverfahrens in zwei Kategorien unterteilen: physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD).(CVD), wobei die Anlagen zur CVD-Prozessierung einen höheren Anteil ausmachen.
Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) handelt es sich um die Verdampfung der Oberfläche der Materialquelle und die Abscheidung auf der Oberfläche des Substrats mittels Niederdruckgas/Plasma, einschließlich Verdampfung, Sputtern, Ionenstrahl usw.;
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bezeichnet das Verfahren zur Abscheidung eines festen Films auf der Oberfläche eines Siliziumwafers durch eine chemische Reaktion eines Gasgemisches. Je nach Reaktionsbedingungen (Druck, Vorläufer) wird es in Atmosphärendruckverfahren unterteilt.CVD(APCVD), NiederdruckCVD(LPCVD), plasmaverstärkte CVD (PECVD), Hochdichte-Plasma-CVD (HDPCVD) und Atomlagenabscheidung (ALD).
LPCVD: Das LPCVD-Verfahren bietet eine bessere Stufenabdeckung, gute Kontrolle über Zusammensetzung und Struktur, hohe Abscheidungsrate und Ausbeute und reduziert die Partikelbelastung erheblich. Die Reaktion wird durch Heizgeräte als Wärmequelle aufrechterhalten, daher sind Temperatur- und Gasdruckkontrolle von großer Bedeutung. Es findet breite Anwendung bei der Herstellung der Poly-Schicht von TopCon-Zellen.
PECVD: PECVD nutzt Plasma, das durch Hochfrequenzinduktion erzeugt wird, um niedrige Temperaturen (unter 450 °C) beim Dünnschichtabscheidungsprozess zu erreichen. Die Niedertemperaturabscheidung ist ihr Hauptvorteil, wodurch Energie gespart, Kosten gesenkt, die Produktionskapazität erhöht und der durch hohe Temperaturen verursachte Abfall der Minoritätsträgerlebensdauer in Siliziumwafern reduziert wird. Das Verfahren kann für die Herstellung verschiedener Zelltypen wie PERC, TOPCON und HJT eingesetzt werden.
ALD bietet eine gute Schichtgleichmäßigkeit, hohe Dichte und Lochfreiheit, gute Stufenabdeckung, ist bei niedrigen Temperaturen (Raumtemperatur bis 400 °C) durchführbar, ermöglicht eine einfache und präzise Steuerung der Schichtdicke, ist auf Substrate unterschiedlicher Form breit anwendbar und erfordert keine Kontrolle der Reagenzienflussgleichmäßigkeit. Der Nachteil liegt jedoch in der langsamen Schichtbildungsgeschwindigkeit. Beispiele hierfür sind Zinksulfid (ZnS)-Leuchtschichten, die zur Herstellung nanostrukturierter Isolatoren (Al₂O₃/TiO₂) und Dünnschicht-Elektrolumineszenzdisplays (TFEL) verwendet werden.
Die Atomlagenabscheidung (ALD) ist ein Vakuumbeschichtungsverfahren, das einen dünnen Film aus nur einer Atomlage Schicht für Schicht auf der Oberfläche eines Substrats erzeugt. Bereits 1974 entwickelte der finnische Materialphysiker Tuomo Suntola diese Technologie und erhielt dafür den mit einer Million Euro dotierten Millennium Technology Award. Ursprünglich wurde die ALD-Technologie für Flachbildschirme mit Elektrolumineszenz eingesetzt, fand aber keine breite Anwendung. Erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts begann die Halbleiterindustrie, die ALD-Technologie zu adaptieren. Durch die Herstellung ultradünner, dielektrischer Materialien als Ersatz für herkömmliches Siliziumdioxid konnte das Problem des Leckstroms, das durch die Verringerung der Leiterbahnbreite von Feldeffekttransistoren verursacht wurde, erfolgreich gelöst werden. Dies trug dazu bei, das Mooresche Gesetz weiter in Richtung noch kleinerer Leiterbahnbreiten zu entwickeln. Dr. Tuomo Suntola sagte einmal, dass ALD die Integrationsdichte von Bauelementen signifikant erhöhen kann.
Öffentliche Daten belegen, dass die ALD-Technologie 1974 von Dr. Tuomo Suntola von PICOSUN in Finnland erfunden und im Ausland industrialisiert wurde, beispielsweise für die dielektrische Schicht im 45/32-Nanometer-Chip von Intel. In China wurde die ALD-Technologie über 30 Jahre später als im Ausland eingeführt. Im Oktober 2010 veranstalteten PICOSUN in Finnland und die Fudan-Universität das erste nationale Fachtreffen zum Thema ALD und stellten die Technologie damit erstmals in China vor.
im Vergleich zur herkömmlichen chemischen Gasphasenabscheidung (CVDDie Vorteile der ALD gegenüber der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) liegen in der ausgezeichneten dreidimensionalen Konformität, der großflächigen Gleichmäßigkeit der Filme und der präzisen Dickenkontrolle. Sie eignet sich daher für das Wachstum ultradünner Filme auf komplexen Oberflächenformen und Strukturen mit hohem Aspektverhältnis.
—Datenquelle: Mikro-Nano-Verarbeitungsplattform der Tsinghua-Universität—
In der Zeit nach dem Moore-Gesetz haben sich Komplexität und Prozessvolumen der Waferfertigung deutlich verbessert. Am Beispiel von Logikchips lässt sich zeigen, dass mit der Zunahme von Produktionslinien mit Strukturgrößen unter 45 nm, insbesondere unter 28 nm, die Anforderungen an Schichtdicke und Präzisionskontrolle steigen. Die Einführung der Mehrfachbelichtungstechnologie hat die Anzahl der ALD-Prozessschritte und den Bedarf an Anlagen erheblich erhöht. Im Bereich der Speicherchips hat sich der Fertigungsprozess von 2D-NAND zu 3D-NAND weiterentwickelt, die Anzahl der internen Schichten hat kontinuierlich zugenommen, und die Komponenten weisen zunehmend hochdichte Strukturen mit hohem Aspektverhältnis auf. Die Bedeutung der ALD-Technologie hat sich dabei herauskristallisiert. Mit Blick auf die zukünftige Entwicklung der Halbleiterindustrie wird die ALD-Technologie in der Zeit nach dem Moore-Gesetz eine immer wichtigere Rolle spielen.
Beispielsweise ist ALD die einzige Abscheidungstechnologie, die die Anforderungen an Deckkraft und Filmeigenschaften komplexer 3D-Strukturen (wie 3D-NAND) erfüllt. Dies wird in der folgenden Abbildung deutlich. Der in CVD A (blau) abgeschiedene Film bedeckt den unteren Teil der Struktur nicht vollständig. Selbst wenn Prozessanpassungen an CVD (CVD B) vorgenommen werden, um eine vollständige Deckkraft zu erzielen, sind die Filmeigenschaften und die chemische Zusammensetzung im unteren Bereich (weißer Bereich in der Abbildung) sehr schlecht. Im Gegensatz dazu führt die ALD-Technologie zu einer vollständigen Deckkraft und erzielt in allen Bereichen der Struktur hochwertige und gleichmäßige Filmeigenschaften.
—-Bild: Vorteile der ALD-Technologie im Vergleich zur CVD-Technologie (Quelle: ASM)—-
Obwohl CVD kurzfristig noch den größten Marktanteil hält, hat sich ALD zu einem der am schnellsten wachsenden Bereiche des Marktes für Waferfabrikationsanlagen entwickelt. In diesem Markt mit großem Wachstumspotenzial und einer Schlüsselrolle in der Chipherstellung ist ASM ein führendes Unternehmen im Bereich der ALD-Anlagen.
Veröffentlichungsdatum: 12. Juni 2024