隨著半導(dǎo)體制造工藝不斷向更小線寬和更高精度演進(jìn)，原子層沉積技術(shù)因其原子級(jí)厚度可控性及優(yōu)異的均勻性、保形性，在集成電路制造領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)熱驅(qū)動(dòng)原子層沉積工藝受限于配體交換反應(yīng)的溫度要求，難以滿足熱敏感基底的低溫沉積需求。為此，等離子體增強(qiáng)原子層沉積技術(shù)通過引入高活性自由基替代熱反應(yīng)，有效拓寬了材料范圍并降低了沉積溫度。在各類等離子體源中，微波等離子體憑借其高密度、低溫兼容及遠(yuǎn)程構(gòu)型等獨(dú)特優(yōu)勢，能夠減少高能離子對(duì)基底的轟擊損傷，尤其適用于高質(zhì)量薄膜的低溫沉積。

本研究成功研制出一套大尺寸微波等離子體增強(qiáng)原子層沉積系統(tǒng)，并結(jié)合Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀等表征手段，系統(tǒng)驗(yàn)證了其在氧化鋁薄膜沉積中的工藝可行性與性能優(yōu)勢。

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設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

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微波等離子體增強(qiáng)原子層沉積設(shè)備系統(tǒng)模塊

本研究所開發(fā)的MPALD設(shè)備采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由真空系統(tǒng)、微波傳導(dǎo)系統(tǒng)、氣源輸入系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四個(gè)核心模塊組成：

真空系統(tǒng)：由干式機(jī)械泵、工藝腔體、工藝閥組、真空計(jì)構(gòu)成，維持高真空環(huán)境（0.1~10?? Pa），為薄膜制備提供清潔、穩(wěn)定的反應(yīng)環(huán)境。配備雙排并聯(lián)直角閥實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)控制，支持ALD工藝中各反應(yīng)步驟的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)精確控制。

微波傳導(dǎo)系統(tǒng)：采用自研大尺寸雙柱導(dǎo)波腔結(jié)合高頻微波電源，通過12英寸石英盤隔離，實(shí)現(xiàn)微波功率的有效傳輸與均勻分布；采用遠(yuǎn)程等離子體設(shè)計(jì)，避免高能粒子轟擊基底，實(shí)現(xiàn)低損傷、高質(zhì)量的薄膜沉積。

氣源輸入系統(tǒng)：由多通道質(zhì)量流量控制器、前驅(qū)體源瓶、電磁控制閥等組成，支持多種反應(yīng)氣體與前驅(qū)體的獨(dú)立控制，并配有獨(dú)立溫度控制，確保穩(wěn)定輸運(yùn)，滿足典型PEALD循環(huán)工藝要求。

控制系統(tǒng)：基于PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)調(diào)控、實(shí)時(shí)監(jiān)測、工藝編程、數(shù)據(jù)記錄及多重安全互鎖功能，支持一鍵式自動(dòng)工藝流程。

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橢偏儀測試與薄膜性能表征

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MPALD與PEALD制備氧化鋁薄膜參數(shù)與單次循環(huán)對(duì)比

工藝參數(shù)：以三甲基鋁為鋁前驅(qū)體，氧氣為氧源，在8英寸硅晶圓上沉積500個(gè)循環(huán)的氧化鋁（Al?O?）薄膜，襯底溫度250 °C。

工藝效率對(duì)比：與傳統(tǒng)PEALD相比，MPALD的氧氣流量更低（10 vs. 380 sccm），等離子體功率更低（800 vs. 3000 W），但氧自由基強(qiáng)度更高，且單次循環(huán)時(shí)間（14 s）遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)工藝（40 s）。

MPALD制備Al?O?薄膜特性：（a）Mapping（b）化學(xué)組份（c）折射率&消光系數(shù)（d）薄膜密度

MPALD制備Al?O?薄膜特性：（a）電容-電壓曲線、（b）擊穿場強(qiáng)

薄膜特性表征：

均勻性與厚度：橢偏儀Mapping測試顯示平均厚度85.69 nm，非均勻性僅為0.88%。

成分與純度：XPS分析顯示碳、氮雜質(zhì)含量極低（0.85 at.%和0.25 at.%），氧/鋁元素比為1.45，接近化學(xué)計(jì)量比。

光學(xué)性能：Flexfilm全光譜橢偏儀測得632.8 nm處折射率（n）為1.65，消光系數(shù)（k）接近0。

致密性：XRR測得薄膜密度為3.3 g/cm3，表明薄膜低缺陷、高致密。

電學(xué)性能：C-V測試計(jì)算得介電常數(shù)為9.3；擊穿場強(qiáng)高達(dá)23.6 MV/cm，表現(xiàn)出優(yōu)異的絕緣特性。

MPALD與其他ALD制備氧化鋁薄膜特性對(duì)比表

性能對(duì)比：將MPALD沉積的Al?O?薄膜與SALD、TALD及其他PEALD工藝制備的薄膜進(jìn)行對(duì)比，MPALD在非均勻性、折射率、介電常數(shù)和擊穿場強(qiáng)等關(guān)鍵指標(biāo)上均展現(xiàn)出綜合優(yōu)勢。

本文成功研制了一套大尺寸微波等離子體增強(qiáng)原子層沉積設(shè)備，通過系統(tǒng)性設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高密度等離子體的穩(wěn)定激發(fā)，并在8英寸晶圓上沉積出具有優(yōu)異均勻性、光學(xué)與電學(xué)性能的高質(zhì)量氧化鋁薄膜。Flexfilm全光譜橢偏儀作為薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)測量的核心儀器，在本研究的工藝驗(yàn)證過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Mapping測試結(jié)果直觀展示了MPALD設(shè)備的大面積沉積均勻性能力，光學(xué)常數(shù)測量則為薄膜的質(zhì)量評(píng)估提供了重要依據(jù)。未來將基于橢偏儀等表征手段進(jìn)一步優(yōu)化MPALD工藝參數(shù)，并拓展至氮化物、金屬等多種功能薄膜的制備，推動(dòng)其在高端芯片工藝與先進(jìn)器件制造中的實(shí)際應(yīng)用。

Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀

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Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

原文參考：《大尺寸微波等離子體增強(qiáng)原子層沉積設(shè)備研制與工藝驗(yàn)證》

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