在半导体制造业中，随着器件尺寸不断缩小，对于薄膜材料的沉积技术提出了前所未有的挑战。原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称ALD）作为一种能够实现原子级精确控制的薄膜沉积技术，已成为半导体制造中不可或缺的一部分。本文旨在介绍ALD的工艺流程与原理，帮助理解其在先进的芯片制造中的重要角色。
一、ALD工艺流程详解
ALD的工艺流程遵循严格的顺序，确保了每次沉积仅添加一个原子层，从而实现了薄膜厚度的精准控制。基本步骤如下：
前驱体脉冲：ALD过程始于将第一种前驱体引入反应腔室。这种前驱体是一种含有目标沉积材料化学元素的气体或蒸汽，能够与晶圆表面的特定活性位点反应。前驱体分子吸附在晶圆表面，形成一层饱和的分子层。
惰性气体吹扫：随后，引入惰性气体（如氮气或氩气）进行吹扫，清除未反应的前驱体和副产品，确保晶圆表面干净，为下一步反应做准备。
第二前驱体脉冲：完成吹扫后，引入第二种前驱体，与第一步吸附的前驱体发生化学反应，生成所需的沉积物。这个反应通常是自限制的，即一旦所有活性位点被第一种前驱体占据，新的反应便不再发生。
- 再次惰性气体吹扫：反应完成后，再次用惰性气体吹扫，去除残留的反应物和副产品，使表面恢复到清洁状态，为下一轮循环做好准备。
这一系列步骤构成一个完整的ALD循环，每完成一次循环，就在晶圆表面增加了一个原子层。通过精确控制循环次数，可以达到所需的薄膜厚度。（ALD一次循环步骤）
二、工艺原理解析
ALD的自限制反应是其核心原理。在每个循环中，前驱体分子仅能与表面的活性位点反应，一旦这些位点被完全占据，后续的前驱体分子便无法吸附，这保证了每轮沉积仅增加一层原子或分子。这一特性使得ALD在沉积薄膜时具有极高的均匀性和精确度，如下图，即使在复杂三维结构上也能保持良好的阶梯覆盖性。
三、ALD在半导体制造中的应用
ALD在半导体行业的应用极为广泛，包括但不限于：
金属栅极沉积：如钛氮化物（TiN）、钽氮化物（TaN），用于提升晶体管的开关速度和效率。
互连阻挡层：防止金属扩散，保持电路的稳定性和可靠性。
三维结构填充：如在FinFET结构中填充沟道，实现更高的集成度。
原子层沉积（ALD）以其非凡的精确度和均匀性，为半导体制造业带来了革命性的改变。通过掌握ALD的工艺流程与原理，工程师们得以在纳米尺度上构建出性能卓越的电子器件，推动了信息技术的持续进步。随着技术的不断演进，ALD将在未来的半导体领域发挥更加关键的作用。
