原子層化學氣相沉積

原子層化學氣相沉積法（atomic layer chemical vapor deposition, ALCVD）又名原 子層沉積（ALD），1970 年代中期起源於芬蘭【40】。早期應用在Ⅲ-Ⅴ族與Ⅱ-Ⅵ族等 化合物半導體(Compound Semiconductor )的應用。但隨著半導體製程技術往下推進到 100 nm 以下之後，部分製程對 CVD 薄膜的要求，將超越現有設備與技術所能提供的

H2O 與表面上的甲基(CH3)反應生成 OH 表面官能基與 CH4氣體分子，兩個相鄰 的OH 基交互作用而發生脫水反應，鋁原子於是與氧原子形成化學鍵結，當表面所有 的CH3 基全被 OH 基取代，再通入 Ar 清除殘餘的 H2O 和 CH4，如此表面又回到原 先 Al-OH^*的狀態，如此便完成一個循環(cycle) ，理論上，現在表面上已經成長出了 一層非常均勻的原子級厚度的薄膜生成物，要增加薄膜厚度，只須重覆前述的循環步 驟。

圖2- 8 利用 ALCVD 成長高介電質三氧化二鋁的示意圖。

由於ALCVD上述的飽和吸附成長機制，薄膜厚度只與製程時所選定之循環數有 關，且原子層成長方式對於膜厚能有相當準確的控制，可精準到奈米尺度的範圍。飽和 吸附的影響，再複雜的基板表面型態，都能有良好的階梯覆蓋性，這對於未來深寬比日 益增加半導體製程將會是個非常有利的技術。且由於反應前趨物分別通入的影響，可避 免反應物在還未到達基板表面時就先行裂解進行反應，在反應前趨物的選擇上也較自 由。ALCVD 最大的的缺點，即來自於一層一層成長薄膜的步驟，造成鍍膜成長速度非 常緩慢。在平均鍍膜速率約 0.8Å/cycle 的情形下，此種鍍膜速率與傳統的CVD 製程或 濺鍍製程比起來，很難使其與量產畫上等號。所幸目前在半導體製程技術不斷微縮的情 況下，所需介電薄膜厚度已降至幾十奈米的尺度，因此利用ALCVD 成長介電薄膜所需 的時間也隨之下降，如此便能與前、後段的製程相整合，在量產上也慢慢發揮其優勢。

由於優異的均勻覆蓋率與順應性，ALCVD 製程技術被認為是未來 IC 超薄與極小 結構之薄膜沉積製成中極重要之 CVD 技術，可被應用的製程模組包括高介電係數閘 極介電層與銅金屬連線技術裡的銅晶種層與阻障層。目前半導體業界採行的 Cu 阻障 層為 Ta/Ta(N)的結構，主要是附著性的考量，由於金屬薄膜厚度尺寸縮小的同時，所 引發額外的困擾就是薄膜電阻的上升。而ALCVD 沉積法一般可分為加熱式爐管原子 層 化 學 氣 相 沉 積 法(thermal ALCVD) 與 電 漿 輔 助 原 子 層 化 學 氣 相 沉 積 法 (PE-ALCVD)。因此，有研究利用 PE-ALCVD 成長諸如 TaN 等擴散阻障層，其沉積步 驟如圖 2-10。首先利用 Ar 等惰性氣體連帶出金屬前驅物的揮發氣體，使其吸附於基 材表面上；持續一段短暫時間後，進行腔體抽真空與Ar 淨化(purge)；第三階段則是通 入H2及N2，並導入RF 電漿進行反應；最後關閉 RF 電漿，停止通入 H2及N2，再進 行腔體抽真空與Ar 淨化。所有的過程與一般加熱式 ALCVD 一樣，但多了電漿輔助的 部份。以此法所沉積的TaN 薄膜，其含 N 量較少，因此薄膜的電阻率(resistivity)較小，

以此來減小電阻上升的問題。

圖2- 9 利用 PE-ALCVD 成長擴散阻障層氮化鉭的示意圖

而在Maeng【42】等人的研究中，也分別利用 thermal ALCVD 與 PE-ALCVD 來沉 積 Ta2O5。研究發現由於電漿中包括許多自由基與高能分子，能在溫度較低的狀態下反 應，因此在同樣條件下PE-ALCVD 可於較低溫時沉積薄膜；而在相同溫度下，PE-ALCVD 的沉積速度可比thermal ALCVD 快約 50%，這對一向因沉積速度過慢而被排除於量產 之外的ALCVD，無疑是一大進步。此外，研究並發現，PE-ALCVD 所沉積之薄膜，不 論在薄膜缺陷或汙染都比thermal ALCVD 輕微，薄膜的平整度好，因此所量得的電性較 佳。