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，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，原本二維的晶體管架構(gòu)已經(jīng)被三維的鰭魚式晶體管（FinFET）取代，關(guān)鍵尺寸（Critical dimension， CD）也由深次微米進入到目前只有單一數(shù)字的納米大小，對于鍍膜的批覆性與厚度控制都有最嚴苛的要求，這讓原子層沉積技術(shù)成為先進鰭魚式晶體管與將來環(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，還有一個尚未沒被報導(dǎo)過的應(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），用來制備一層在欲分析試片上的保護層。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制備過程中，為了保護欲分析位置，一般的作法是在試片表面制備一層保護層，保護層常用的材料為碳系的膠類或是金屬，其保護層厚度大約介于數(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。既然是用來保護欲分析的試片，所以在制備保護層過程中是不能改變試片結(jié)構(gòu)，造成事后材料分析上的困擾，依據(jù)不同的制備機制（尤其是真空鍍膜），有兩項主要會影響欲分析試片結(jié)構(gòu)的因素需要被嚴肅看待，分別是溫度與離子轟擊效應(yīng)。對于較舊制程的試片（大于28納米），試片結(jié)構(gòu)與材料都相當(dāng)穩(wěn)定與堅固，根據(jù)我們多年的經(jīng)驗，一般制備條件都不會改變或損傷欲分析試片的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)分析的結(jié)構(gòu)為先進制程的試片時（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，制程過程中也引進了不少新材料， 例如，已經(jīng)開始應(yīng)用在7納米與未來環(huán)繞式柵極制程的深紫外光光阻（Extreme ultraviolet photoresist， EUV-PR）。根據(jù)國際期刊報導(dǎo)，深紫外光光阻相當(dāng)脆弱，而且對于溫度與離子轟擊相當(dāng)?shù)孛舾?，如果使用運用在舊制程試片上的傳統(tǒng)方式制備保護層，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)制備方式對于較小關(guān)鍵尺寸的結(jié)構(gòu)，如貫孔（via）或溝（trench），保護層的批覆性也會是個難題，小尺寸結(jié)構(gòu)開口處容易造成保護層材料堆積而縮口，產(chǎn)生孔洞或氣泡，這些人為的結(jié)構(gòu)都有可能會在FIB制備時產(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題，泛銓科技跳脫舊有窠臼，提出一個革命性的想法，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)都能輕易制備保護層，不會形成人為孔洞，為了避免FIB制備時造成的刀痕與TEM觀察時高能量電子束的轟擊損傷，保護層都會制備厚于50納米，這層保護層就像讓欲分析的脆弱結(jié)構(gòu)穿上無堅不摧的鎧甲，有效抵御高能量離子束造成的損傷。針對試片表面的特性與分析目的，我們可以選用不同的保護層材料，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，遠遠比傳統(tǒng)制備方式低很多，此低溫制備對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照組，，保護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)鍍膜制備方式確實對光阻造成程度不一的損傷，尤其在綠色箭號標(biāo)示處，光阻變形的相當(dāng)嚴重。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)并沒有明顯的變形。

為了確認低溫真空原子層沉積技術(shù)制備保護層確實不會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）來觀察在沒有任何制備下最原始的光阻試片狀況（圖2a），其對應(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)制備保護層的概念確實不會對脆弱材料造成損傷。

圖 2. a 高分辨率SEM照片，該光阻試片沒有經(jīng)過任何鍍膜處理，為原始表面照片。相同的試片再經(jīng)過低溫真空原子層沉積技術(shù)制備保護層后的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層制備上，也可以將其應(yīng)用擴展到故障分析與表面分析上，尤其如果試片的保護層需要在最嚴苛條件制備時，低溫真空原子層沉積技術(shù)都能派上用場。泛銓科技所提出的這項革命性的概念也在2020年獲得專利，相信將來會有越來越多的材料會需要用到該技術(shù)。
編輯：hfy