集成電路制程設(shè)備領(lǐng)域原子層沉積技術(shù)解析

原子層沉積技術(shù)（Atomic layer deposition， ALD）近年在集成電路制程設(shè)備產(chǎn)業(yè)中受到相當(dāng)大的矚目，對(duì)比于其他在線鍍膜系統(tǒng)，原子層沉積技術(shù)具有更優(yōu)越的特點(diǎn)，如絕佳的鍍膜批覆性以及精準(zhǔn)的鍍膜厚度控制。隨著邏輯制程演進(jìn)，原本二維的晶體管架構(gòu)已經(jīng)被三維的鰭魚(yú)式晶體管（FinFET）取代，關(guān)鍵尺寸（Critical dimension， CD）也由深次微米進(jìn)入到目前只有單一數(shù)字的納米大小，對(duì)于鍍膜的批覆性與厚度控制都有最嚴(yán)苛的要求，這讓原子層沉積技術(shù)成為先進(jìn)鰭魚(yú)式晶體管與將來(lái)環(huán)繞式柵極（Gate-all-around， GAA，或其他類似結(jié)構(gòu)）晶體管制程最重要的鍍膜技術(shù)。

原子層沉積技術(shù)除了上述在集成電路制程上的應(yīng)用外，還有一個(gè)尚未沒(méi)被報(bào)導(dǎo)過(guò)的應(yīng)用： 可以將原子層沉積技術(shù)應(yīng)用在材料分析上，例如穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscope， TEM），用來(lái)制備一層在欲分析試片上的保護(hù)層。我們都知道，目前制備TEM試片（lamella）最常用的工具是聚焦離子束（Focused ion beam， FIB），F(xiàn)IB制備過(guò)程中，為了保護(hù)欲分析位置，一般的作法是在試片表面制備一層保護(hù)層，保護(hù)層常用的材料為碳系的膠類或是金屬，其保護(hù)層厚度大約介于數(shù)十納米到500納米之間，主要可以利用旋轉(zhuǎn)涂覆或是真空鍍膜系統(tǒng)制備。既然是用來(lái)保護(hù)欲分析的試片，所以在制備保護(hù)層過(guò)程中是不能改變?cè)嚻Y(jié)構(gòu)，造成事后材料分析上的困擾，依據(jù)不同的制備機(jī)制（尤其是真空鍍膜），有兩項(xiàng)主要會(huì)影響欲分析試片結(jié)構(gòu)的因素需要被嚴(yán)肅看待，分別是溫度與離子轟擊效應(yīng)。對(duì)于較舊制程的試片（大于28納米），試片結(jié)構(gòu)與材料都相當(dāng)穩(wěn)定與堅(jiān)固，根據(jù)我們多年的經(jīng)驗(yàn)，一般制備條件都不會(huì)改變或損傷欲分析試片的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)分析的結(jié)構(gòu)為先進(jìn)制程的試片時(shí)（16納米以下），情況則變得相當(dāng)復(fù)雜，不但關(guān)鍵尺寸持續(xù)的微縮外，制程過(guò)程中也引進(jìn)了不少新材料， 例如，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在7納米與未來(lái)環(huán)繞式柵極制程的深紫外光光阻（Extreme ultraviolet photoresist， EUV-PR）。根據(jù)國(guó)際期刊報(bào)導(dǎo)，深紫外光光阻相當(dāng)脆弱，而且對(duì)于溫度與離子轟擊相當(dāng)?shù)孛舾?，如果使用運(yùn)用在舊制程試片上的傳統(tǒng)方式制備保護(hù)層，欲分析試片的結(jié)構(gòu)很有可能因溫度或離子轟擊而損傷或變形，造成分析上的困難。另外，利用傳統(tǒng)制備方式對(duì)于較小關(guān)鍵尺寸的結(jié)構(gòu)，如貫孔（via）或溝（trench），保護(hù)層的批覆性也會(huì)是個(gè)難題，小尺寸結(jié)構(gòu)開(kāi)口處容易造成保護(hù)層材料堆積而縮口，產(chǎn)生孔洞或氣泡，這些人為的結(jié)構(gòu)都有可能會(huì)在FIB制備時(shí)產(chǎn)生不必要的刀痕，甚至在判讀TEM影像上造成困難。

圖 1. 兩種光阻結(jié)構(gòu)分別利用兩種制備保護(hù)層方式的TEM照片。a與b為一組，c與d為另一組，其中a與c是使用傳統(tǒng)鍍膜方式制備保護(hù)層，b與d則是使用低溫真空原子層沉積技術(shù)制備。綠色箭號(hào)標(biāo)示處為光阻變形最明顯的區(qū)域。

為了解決上述這些問(wèn)題，泛銓科技跳脫舊有窠臼，提出一個(gè)革命性的想法，利用低溫真空原子層沉積技術(shù)取代傳統(tǒng)鍍膜，制備欲分析試片的保護(hù)層。原子層沉積技術(shù)有絕佳的鍍膜批覆性，即使是貫孔、溝、或甚至小關(guān)鍵尺寸的結(jié)構(gòu)都能輕易制備保護(hù)層，不會(huì)形成人為孔洞，為了避免FIB制備時(shí)造成的刀痕與TEM觀察時(shí)高能量電子束的轟擊損傷，保護(hù)層都會(huì)制備厚于50納米，這層保護(hù)層就像讓欲分析的脆弱結(jié)構(gòu)穿上無(wú)堅(jiān)不摧的鎧甲，有效抵御高能量離子束造成的損傷。針對(duì)試片表面的特性與分析目的，我們可以選用不同的保護(hù)層材料，但最重要的是，不管選用哪種材料，制備溫度都只比室溫高一些，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)制備方式低很多，此低溫制備對(duì)于最脆弱的深紫外光光阻尤其重要。有了上述這些利用低溫真空原子層沉積技術(shù)保護(hù)試片的做法，我們才能獲得精準(zhǔn)的材料分析結(jié)果。

圖1a與1c分別是利用傳統(tǒng)鍍膜方式制備保護(hù)層在兩種光阻結(jié)構(gòu)上的TEM照片，圖1b與1d為與1a與1c試片有相同結(jié)構(gòu)與材料但不同試片的對(duì)照組，，保護(hù)層制備是采用泛銓所提出的低溫真空原子層沉積技術(shù)概念。由這些圖可以清楚比較出，傳統(tǒng)鍍膜制備方式確實(shí)對(duì)光阻造成程度不一的損傷，尤其在綠色箭號(hào)標(biāo)示處，光阻變形的相當(dāng)嚴(yán)重。反觀使用低溫真空原子層沉積技術(shù)制備的試片（圖1b & 1d），光阻結(jié)構(gòu)并沒(méi)有明顯的變形。

為了確認(rèn)低溫真空原子層沉積技術(shù)制備保護(hù)層確實(shí)不會(huì)造成光阻材料變形與損傷，我們利用高分辨率的掃描電子顯微鏡（Scanning tunneling microscope， SEM）來(lái)觀察在沒(méi)有任何制備下最原始的光阻試片狀況（圖2a），其對(duì)應(yīng)相同結(jié)構(gòu)與材料的TEM結(jié)果則呈現(xiàn)在圖2b中，比較這兩圖，可以清楚地看到SEM影像中所觀察到的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)也都有出現(xiàn)在TEM影像中，這證明泛銓科技所提出使用低溫真空原子層沉積技術(shù)制備保護(hù)層的概念確實(shí)不會(huì)對(duì)脆弱材料造成損傷。

圖 2. a 高分辨率SEM照片，該光阻試片沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何鍍膜處理，為原始表面照片。相同的試片再經(jīng)過(guò)低溫真空原子層沉積技術(shù)制備保護(hù)層后的TEM照片則呈現(xiàn)在b。比較兩圖可以清楚看到光阻結(jié)構(gòu)并沒(méi)有

低溫真空原子層沉積技術(shù)概念不但可以應(yīng)用在分析脆弱材料的保護(hù)層制備上，也可以將其應(yīng)用擴(kuò)展到故障分析與表面分析上，尤其如果試片的保護(hù)層需要在最嚴(yán)苛條件制備時(shí)，低溫真空原子層沉積技術(shù)都能派上用場(chǎng)。泛銓科技所提出的這項(xiàng)革命性的概念也在2020年獲得專利，相信將來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的材料會(huì)需要用到該技術(shù)。
編輯：hfy