ASM：邁入FinFET將需要全方位ALD方案

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在轉(zhuǎn)換到3D結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)鍵薄膜層對(duì)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(gè) PVD 與 CVD 步驟，但就閘極堆疊的觀點(diǎn)而言，過渡到 FinFET 元件將需要全方位的 ALD 解決方案。
就 FinFET 而言，以其尺寸及控制關(guān)鍵元件參數(shù)對(duì)后閘極 (gate last) 處理的需求來說，在 14 奈米制程必需用到全 ALD 層。半導(dǎo)體設(shè)備大廠 ASM International (ASMI) 針對(duì)此一趨勢，與《電子工程專輯》談到了ALD 技術(shù)在先進(jìn)半導(dǎo)體制造中扮演的角色，以及究竟在哪一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)， ALD 將成為必要制程。
Q：ALD 對(duì)于鉿薄膜沉積的厚度限制為何?
A：由于低溫沉積、薄膜純度以及絕佳覆蓋率等固有優(yōu)點(diǎn)，ALD 早從 21 世紀(jì)初即開始應(yīng)用于半導(dǎo)體制造。 DRAM 電容的高 k 介電質(zhì)沉積已率先采用此技術(shù)，但近來 ALD 在其它半導(dǎo)體制程領(lǐng)域已發(fā)展出愈來愈廣泛的應(yīng)用。高 k 閘極介電質(zhì)及金屬閘極之 ALD 沉積于先進(jìn)邏輯晶片已成為標(biāo)準(zhǔn)，并且本技術(shù)正用于沉積間隔定義之雙倍暨四倍微影圖樣 (SDDP, SDQP)，用以推廣傳統(tǒng)浸潤式微影之使用以界定高密度邏輯暨記憶體設(shè)計(jì)之最小特征尺寸。
有趣的是，使用 FinFET 減緩了效能提升對(duì)介電質(zhì) EOT 縮放的需求，并且可用較緩慢的速度調(diào)整閘極介電質(zhì)厚度。二氧化鉿(HfO2)的厚度于最新一代的元件已縮小至 15 埃以下，再進(jìn)一步的物理縮放將會(huì)導(dǎo)致層形成不完全;對(duì)于二氧化鉿之縮放，10 至 12 埃 似乎已達(dá)到極限。然而，利用能提升閘極堆疊 k 值并且能使用實(shí)體較厚層之添加元素，本材料可預(yù)期延續(xù)使用于更多代制程，藉以降低穿隧漏電流。
Q：制作 FinFET 結(jié)構(gòu)的難度是什么?鰭(fin)、鰭對(duì)鰭( fin-to-fin)厚度均勻度的重要性何在?ALD 制程如何有助于取得優(yōu)異的均勻度?
A：FinFETs 為解決平面結(jié)構(gòu)中某些關(guān)鍵整合難題的有效方式，尤其是控制短通道效應(yīng)以及使用輕摻雜或無摻雜通道控制隨機(jī)摻雜擾動(dòng)。然而，對(duì)于先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)，鰭寬度已低于微影限制并且需要 ALD 層以供間隔定義之雙倍微影圖樣界定(SDDP)鰭結(jié)構(gòu)。
線緣粗糙度和 CD 圴勻度在鰭定義中扮演關(guān)鍵的角色， 鰭變異會(huì)使元件或晶圓之間的臨界電壓產(chǎn)生擾動(dòng)。必須有效控制鰭的蝕刻以在最小化鰭高度變異的同時(shí)使晶體損害降到最低。由于鄰近鰭之陰影效應(yīng)會(huì)對(duì)離子布植技術(shù)造成影響，鰭之均勻摻雜會(huì)有挑戰(zhàn)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，并同時(shí)解決覆蓋性閘極介電質(zhì)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(tài)摻雜之類的新穎方法以持續(xù)縮放鰭。
在 FinFET、多閘極元件中，F(xiàn)IN 的側(cè)邊與上部為主動(dòng)通道區(qū)。因此，高k閘極介電質(zhì)與金屬閘極必須以最小厚度及物理特性變異予以沉積于鰭。變異將導(dǎo)致電晶體彼此之間產(chǎn)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(diǎn)金屬必須對(duì)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(shù)。
Q：近年來，閘極制程正需要低溫技術(shù)以便在完成所有高溫制程之后形成閘極，但 ALD 易于使某些金屬不穩(wěn)定，如何解決這個(gè)問題?
A：在標(biāo)準(zhǔn)平面替換閘極技術(shù)中，金屬閘極堆疊已由 ALD、PVD 以及 CVD 金屬層的結(jié)合所組成。ALD 用于覆蓋性關(guān)鍵阻障物(critical barrier)與功函數(shù)(work function)設(shè)定層，而傳統(tǒng) PVD 和 CVD 用于沉積純金屬給低電阻率閘極接點(diǎn)。
FinFETs 之類三維結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，全方位 ALD 解決方案對(duì)于介電質(zhì)，阻擋層與 work function 設(shè)定層、以及閘極接點(diǎn)具有關(guān)鍵性。最大熱預(yù)算持續(xù)壓低，且理論上金屬沉積必須在低于 500℃的溫度下進(jìn)行。純金屬之熱 ALD 于此溫度范圍具有挑戰(zhàn)性，以及大部份將于此溫度形成純金屬之母材并不穩(wěn)定，會(huì)在沉積期間把雜質(zhì)混入金屬內(nèi)。然而，電漿增強(qiáng)型 ALD (PEALD) 之使用極具優(yōu)勢，因此一技術(shù)能以混入最少雜質(zhì)的方式進(jìn)行純金屬之低溫沉積。
直接或遠(yuǎn)端電漿兩者皆可用于沉積純金屬，但靠近閘極區(qū)使用電漿仍留有某些憂慮。本產(chǎn)業(yè)持續(xù)評(píng)估不同低溫金屬母材用以對(duì)藉由 ALD 沉積純金屬提供一個(gè)適用于所有溫度的解決方案。
Q：隨著閘極結(jié)構(gòu)愈趨復(fù)雜，本產(chǎn)業(yè)是否降低對(duì)傳統(tǒng) CVD 與 PVD 金屬薄膜的依賴性，轉(zhuǎn)而強(qiáng)烈關(guān)注 ALD 對(duì)等或替代制程?ALD 母材之穩(wěn)定度與反應(yīng)性是否將為 ALD 設(shè)備、以及甚至 ALD 層效能帶來新的挑戰(zhàn)?
A：三維架構(gòu)和較低熱預(yù)算之結(jié)合對(duì)于特定關(guān)鍵薄膜沉積應(yīng)用將需要由 CVD 與 PVD 移向 ALD。在傳統(tǒng) PVD 與 CVD 技術(shù)領(lǐng)域中，我們已觀察到對(duì) ALD 替代之強(qiáng)烈關(guān)注。在不久的將來，可完全預(yù)期 ALD 擴(kuò)展至 MEOL 與 BEOL 的應(yīng)用。
ALD 母材的開發(fā)至關(guān)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(yīng)性，母材的穩(wěn)定度與蒸氣壓力具有關(guān)鍵性。若 ALD 大量取代傳統(tǒng)的 PVD 和 CVD 技術(shù)，未來 ALD 母材的開發(fā)在化學(xué)供應(yīng)商、設(shè)備制造商以及元件制造商之間需密切配合，以確保這些薄膜能以可再生、生產(chǎn)保證的方式沉積。