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原子層堆積(ALD)

原子層堆積(ALD: Atomic Layer Deposition)は先端的なデポジション (成膜) 技術であり、数 nm の超薄膜を正確に制御された手法により堆積させることが可能です。また、優れた膜厚制御と均質性を実現するばかりでなく、アスペクト比の高い構造に対して形状に沿った成膜によって 3D 構造を作製することができます。

ALD は自己制限的な表面反応を利用するため、ピンホールや異粒子が非常に少ない成膜が可能となります。このことは様々な用途に対して大きなメリットとなります。現在、デバイス構造が微細化する中、薄膜と界面の制御や薄膜のクオリティは、多様な用途において高いレベルで実現しています。さらにプラズマの活用により、多くのマテリアルの薄膜特性と制御性向上が可能となっています。ALDにより、様々な表面の予備処理にフレキシブルに対応し、ダメージの少ない成膜プロセスが実現しています。

概要

  • 1 原子層ずつ成長させる究極の高品質膜
  • 最大 200 mm ウェハまで、標準的な均一性<±2%
  • 高アスペクト比構造においても優れたステップカバレッジを実現
  • 高コンフォーマルコーティング
  • 低ピンホール、低パーティクルレベル
  • 低ダメージ・低温プロセス
  • 核生成遅延の抑制
  • 幅広い材料・プロセスへの対応
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原子層堆積プロセス

原子層堆積は、通常、4ステップのサイクルから構成され、要求されるデポジション厚さを得るために必要な回数が繰り返されます。Al(CH3)、(TMA)、Oプラズマを用いた Al2Oの ALD の例を、以下に示します。

ステップ 1) 基板にTMA原料プリカーサー蒸気を投入する。TMAは、表面に吸収されて反応を生じる。プリカーサーと条件を正しく選定すれば、反応は自己制限的になる。

ステップ 2) 全ての残存原料プリカーサーおよび反応生成物を排出する。

ステップ 3) 反応性酸素ラジカルを用い、低損傷リモートプラズマで表面を照射することにより、表面が酸化され表面配位子が除去される。表面配位子の個数が制限されるので、この反応は自己制限的になる。

ステップ 4) 反応生成物が、チェンバーから排出される。

ステップ 3 )だけが、H2Oによる熱プラズマかO2プラズマで変わります。ALDプロセスは、1サイクルあたりオングストローム(またはそれ以下)スケールの厚さを堆積するので、デポジションプロセスは、原子スケールで制御されます。

 

1st stage of ALD Process showing the first half cycle

前半サイクル

2nd stage of ALD

排出

3rd stage of ALD process showing 2nd half-cycle

後半サイクル

4th stage of ALD process showing purge

排出

サーマルALD

  • 高アスペクト比で複雑な構造でもコンフォーマルコーティングが可能
  • 原子層堆積では、以下のようなさまざまな材料が可能です。
    • 酸化物:
      Al2O3、HfO2、SiO2、TiO2、SrTiO3、Ta2O5、Gd2O3、ZrO2、Ga2O3、V2O5、Co3O4、ZnO、ZnO:Al、ZnO:B、In2O3:H、WO3、MoO3、Nb2O5、NiO、MgO、RuO2
    • フッ化物:MgF2、AlF3
    • 有機ハイブリッド材料:Alucone
    • 窒化物:TiN、TaN、Si3N4、AlN、GaN、WN、HfN、NbN、GdN、VN、ZrN
    • 金属:Pt、Ru、Pd、Ni、W
    • 硫化物:ZnS、MoS2

プラズマALD(PE-ALD)

サーマルALDの利点に加えて、PEALDは向上した膜質を持つ前駆体化学のより広い選択を可能にします:

  • プラズマは低温ALDプロセスを可能にし、リモートソースは低いプラズマダメージを維持
  • 前駆体としての水の必要性を排除し、ALDサイクル間のパージ時間を短縮します - 特に低温の場合
  • 不純物除去の向上による高品質フィルム。低抵抗、高密度などにつながります。
  • 水素プラズマを用いた効果的な金属化学
  • 化学量論/相を制御する能力
  • 核形成遅延の減少
  • プラズマ表面処理
  • チャンバのプラズマクリーニングは一部の材料で可能

Conformal coating of high aspect ratio (15:1) structure with high-rate plasma ALD SiO2

Conformal coating of high aspect ratio (15:1) structure with high-rate plasma ALD SiO2

Al2O3 deposited by FlexAL ALD Courtesy TUE

Al2O3 deposited by FlexAL ALD - Courtesy by Eindhoven University of Technology

Conformal deposition of SiO2, TiO2 and Al2O3 by Plasma ALD

Conformal deposition of SiO2, TiO2 and Al2O3 by Plasma ALD, (CC BY 4.0 license), image library at www.AtomicLimits.com, 2021

ALD の主な機能

  • 当社エンジニアによるプロセスセットアップを保証
  • プラズマ表面前処理
  • 酸化物・圧電膜
    • 高品質かつ低温でのプロセス
    • ドーピング、ミキシング
  • 窒化物 (FlexAL)
    • 低抵抗
    • 低酸素含量、高屈折率
  • 金属
    • プラズマによる低核発生抑制
    • 低温でのデポジション
  • 基板バイアス:
    • プラズマ、ALD 時の材料特性制御
      • 残留応力、密度、結晶性(その他)
    • プラズマ ALD 前の基板クリーニング
      • Al2O3、HfO2、SiO2、Si3N4 をエッチング
    • プラズマ後 ALD による材料・表面特性の改質
  • さらなるプロセス制御と材料特性の改善のための基板バイアスのオプション

 

ALD Plasma Process Diagram

ALD 装置のメリット

PlasmaPro ASP FlexAL
Atomfab
ローディング ロードロックまたはカセットハンドラー ロードロックまたはカセット式 カセットハンドリング アライナー付きBrooks MMX 冷却ステーション  (オプション)
基板 最大 200mm ウェハのハンドリングとキャリアプレートへの設置 最大 200mm ウェハのハンドリングとキャリアプレートへの設置 200mm、150mm、100mmに対応可能
蒸気化、固体プリカーサ 最大6本 バブラーまたはベーパー引き込み 最大8本+水、オゾン、ガス プリカーサ蒸気引き込み
最大プリカーサ源温度 200ºC 200ºC 室温以下に冷却された高蒸気圧のプリカーサーは、制御された再現性のある注入が可能です
MFC制御ガスライン (ラピッドデリバリーシステム搭載);  1) サーマルガスプリカーサ (NH<sub>3</sub>, O<sub>2</sub>など) 2) プラズマガス (O<sub>2</sub>, N<sub>2</sub>, H<sub>2</sub>など) 4ラインガスポッド(毒性ラインと無毒性ラインで構成可能)さらに Ar (固定)1ライン 外付けガスポッドに最大10個まで搭載可能 4ラインガスポッド(毒性ラインと無毒性ラインで構成可能)さらに Ar (固定)1ライン
ALD 装置のお問い合わせ

当社のALD装置は、10年以上の経験に基づいて構築されています。以下にオックスフォード・インストゥルメンツのシステムの主な特長を示します。

  • 10ミリ秒までの投与ガスパルス、投与量の優れた制御が可能
  • 10ミリ秒までの高速レシピ制御
  • プラズマとサーマルALDのソフトウェアによる制御
  • ロードロック、自動圧力制御(APC)バルブ(ALDサイクル中に150ミリ秒開閉)、ターボポンプによる高速サイクルタイム、湿気に敏感な窒化物や金属への対応
  • 圧力制御とパワー制御による優れたイオンエネルギー制御。RF基板バイアスのオプションにより、イオンエネルギーを向上させ、さらなるプロセス制御が可能

さまざまな材料に対応

原子層堆積は広範な材料に対応可能であり、当社のプロセス技術者により、広範なプロセスを設定し確立することができます。革新的なプロセスについて、当社の広汎なプロセス・ノウハウおよび広大なネットワークは、出発点において非常に良い足がかりになる指標を提供でき、堅牢なプロセスを迅速に実現します。

当社のプラズマに関するノウハウや、有毒ガスを含めたMFC制御された混合ガスの取り扱いを活用することにより、プラズマベースのプロセスが実現できます。

2D マテリアル

FlexAL2D for ALD 2D Materials

ALDにより2D 材料 も成膜することができ、高品質MoS2薄膜を目標にした開発が新しく進んでいます。優れた特性を持つ2D硫化物を用いたALDの化学組成制御により、CMOSに適合する温度で、大面積ウェハ(200mm)において膜厚を正確にデジタル制御できる技術が実現しています。

金属

フッ化物

硫化物

Pt

AlF<sub>3

MoS<sub>2

Ru

MgF<sub>2

Oxides

Nitrides

Al<sub>2</sub>O<sub>3

AlN

Co<sub>3</sub>O<sub>4

Ga<sub>2</sub>O<sub>3

GaN

HfO<sub>2

HfN

In<sub>2</sub>O<sub>3

Li<sub>2</sub>CO<sub>3

MoO<sub>3

Nb<sub>2</sub>O<sub>5

NiO

SiO<sub>2

Si<sub>3</sub>N<sub>4

SnO<sub>2

Ta<sub>2</sub>O<sub>5

TaN

TiO<sub>2

TiN

WO<sub>3

WN

ZnO

ZrO2

アイントホーフェン工科大学(TU/e)の2名の博士課程学生の研究プロジェクトを紹介します。TU/eは、エンジニアリングサイエンスとテクノロジーをリードする大学として、原子レベルの膜厚制御で超薄膜を成膜できる高度な成膜技術である原子層堆積(ALD)の産業応用を進めるために、革新的なプロセス技術に取り組んでいます。

当社のプラズマテクノロジーとアイントホーフェン工科大学は、15年にわたるパートナーシップのもと、ナノ加工技術の多くのアプリケーションにおいて、最も急速に発展している技術の1つであるALDの研究開発を推進しています。研究生であるKarsten ArtsとMarc Merkxは、リモート誘導結合プラズマ源を特徴とするオックスフォード・インストゥルメンツのFlexAL ALDシステムを使用しており、高品質の成膜を実現しています。

オックスフォード・インストゥルメンツ・プラズマテクノロジー:ALD装置のメリット

当社のALD (原子層堆積装置) は、10年におよぶ経験に基づいて開発されました。以下に特長を示します。

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Atomfab – 量産向け ALD 装置

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Atomfabは、GaN HEMTおよびRFデバイス製造用に特別に設計された、業界最速レベルの量産向けリモートプラズマALD装置です。

  • 非常に優れた所有コスト
  • 迅速で容易なメンテナンス
  • 均一性に高い成膜
  • 高い材料品質
  • 低基板ダメージ
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Atomfab ALD system for HVM

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