원자층 증착

Atomic layer deposition
트리메틸 알루미늄(TMA) - 물 공정을 사용하여 얇은 산화 알루미늄 막을 만드는 ALD 공정의 한 반응 사이클을 개략적으로 설명합니다(간소화).여기서 시작 표면에는 반응 부위로 히드록실기(OH기)가 포함되어 있으며, 1단계는 TMA의 반응, 2단계는 퍼지 또는 배출 단계, 3단계는 물의 반응, 4단계는 퍼지 또는 배출 단계이다.이미지 인 Wikimedia Commons (CC BY 4.0 라이선스), https://doi.org/10.1063/1.5060967 (Copyright Authors, CC BY 4.0 라이선스)에 처음 공개되었습니다.

원자층 증착(ALD)은 기상 화학 과정을 순차적으로 사용하는 박막 증착 기술입니다. 화학 증기 증착의 하위 클래스입니다.대부분의 ALD 반응은 전구체라고 불리는 두 가지 화학물질을 사용한다.이러한 전구체는 한 번에 하나씩 물질의 표면과 순차적으로 자가 제한적인 방식으로 반응합니다.박막은 분리 전구체에 대한 반복노출을 통해 서서히 퇴적된다.ALD는 반도체 소자를 제작하는 핵심 공정이며 나노 물질을 합성하기 위한 도구 세트의 일부입니다.

서론

원자층 증착 중에 필름의 표면을 대체 가스종(일반적으로 전구체 또는 반응물이라고 함)에 노출시킴으로써 기판 위에서 성장한다.화학 증기 증착과는 대조적으로, 전구체는 원자로에 동시에 존재하지 않지만 일련의 연속적인 중첩되지 않는 펄스로 삽입된다.이러한 각 펄스에서 전구체 분자는 표면과 자기 제한 방식으로 반응하므로 표면의 모든 반응 부위가 소모되면 반응이 종료됩니다.따라서 모든 전구체에 대한 단일 [1][2]노광 후 표면에 퇴적된 물질의 최대량(일명 ALD 사이클)은 전구체-표면 상호작용의 성질에 의해 결정된다.사이클 수를 변경함으로써 임의의 복잡하고 큰 기판 상에서 균일하고 고정밀로 재료를 성장시킬 수 있다.

ALD에 의해 합성된 재료의 개요와 프로세스를 설명하는 1개 이상의 출판물은 Creative Commons 라이선스로 온라인으로 입수할 수 있습니다.

ALD는 원자 수준에서 가능한 막의 두께와 조성을 제어하여 매우 얇은 등각막을 생성할 가능성이 큰 퇴적 방법 중 하나로 간주됩니다.최근 관심의 주요 원동력은 ALD가 무어의 법칙에 따라 마이크로 전자 장치를 축소하는 데 보여지는 전망입니다.ALD는 활발한 연구 분야로, 과학 [1][2][4]문헌에 게재된 수백 개의 다른 과정들이 있지만, 그들 중 일부는 이상적인 ALD 과정의 [4]그것과는 다른 행동을 보인다.현재 Puurunen, Miikkulainen [5]등,[4] Knoops 등 [6]및 Mackus & Schneider [7]등의 연구를 포함하여 발표된 ALD 프로세스의 요약을 제공하는 여러 포괄적인 검토 논문이 있다.ALD 프로세스의 대화형 커뮤니티 기반 데이터베이스도 온라인으로 이용할 수 있으며, 이 데이터베이스는[3] 주석이 달린 주기율표의 형태로 최신 개요를 생성한다.

원자층 증착의 자매 기술인 분자층 증착(MLD)은 유기 전구체를 사용하고자 할 때 사용된다.ALD/MLD 기술을 조합함으로써 많은 용도에 적합한 순수 하이브리드 필름을 제작할 수 있습니다.

역사

60대

1960년대에 스타니슬라프 콜초프는 발렌틴 알레스코브스키와 동료들과 함께 소련의 [8]레닌그라드 기술 연구소에서 실험적으로 ALD의 원리를 개발했습니다.그 목적은 알레스코브스키가 1952년 하빌리테이션 [8]논문에서 만든 "프레임워크 가설"의 이론적 고려를 실험적으로 구축하는 것이었다.실험은 금속 염화물 반응과 다공질 실리카로 물로 시작되었고, 곧 다른 기질 재료와 평면 [8]박막으로 확장되었다.Aleskovskii와 Koltsov는 1965년 [8]새로운 기술에 "분자 레이어링"이라는 이름을 함께 제안했다.분자 층화 원리는 1971년 [8]콜초프의 박사 논문("교수 논문")에 요약되어 있습니다.분자 적층 연구 활동은 기초 화학 연구부터 다공질 촉매, 흡수제 및 충전제를 사용한 응용 연구, 마이크로 일렉트로닉스 및 [8][9]그 이상에 이르기까지 광범위한 범위를 포괄했습니다.

1974년 핀란드 Instrumentarium Oy에서 박막 일렉트로루미네센스 디스플레이(TFEL) 개발을 시작할 때 Tuomo Suntola는 ALD를 첨단 박막 [10][11]기술로 고안했습니다.순톨라는 그리스어로 에피택시(epitaxy)의 의미인 "어레인지 온 어레인지먼트(arrangement on)"[10][11]에 근거해 그것을 원자층 에피택시(ALE)"라고 명명했다.ZnS를 성장시키기 위해 원소 Zn과 [10][11]S로 첫 번째 실험을 했다.박막 성장 수단으로서의 ALE은 20개국 [10]이상에서 국제 특허를 취득했습니다.Suntola와 동료들이 고진공 원자로에서 불활성 가스 원자로로 전환하여 ALE 공정을 [10][12]수행하기 위해 금속 염화물, 황화수소 및 수증기와 같은 복합 반응물을 사용할 수 있게 되면서 돌파구가 마련되었습니다.이 기술은 1980년 SID [10]컨퍼런스에서 처음 공개되었습니다.제시된 TFEL 디스플레이 프로토타입은 2개의 산화알루미늄 유전체 층 사이에 ZnS 층이 있으며, 모두 ZnCl22 + HS와3 AlCl2 + HO를 반응물로 사용하는 ALE 공정으로 제작되었습니다.ALE-EL 디스플레이의 [10]첫 번째 대규모 개념 증명 디스플레이는 1983년 헬싱키-반타 공항에 설치된 비행 정보판이었다.TFEL 평면 패널 디스플레이 생산은 1980년대 중반 Olarinluoma [10]공장에서 Lohja Oy에 의해 시작되었습니다.ALE에 대한 학술적 연구는 1970년대 탐페어 공과대학(선톨라 교수가 전자물리학을 강의한 곳)과 1980년대 헬싱키 [10]공과대학에서 시작됐다.TFEL 디스플레이 제조는 1990년대까지 ALE의 유일한 산업 응용 분야로 남아 있었습니다.1987년 Suntola는 핀란드 국영석유회사 Neste Oy에 의해 설립된 Microchemistry Ltd.의 태양광 발전 장치 및 이종 촉매와 같은 새로운 응용 분야에 대한 ALE 기술 개발을 시작했습니다.1990년대에 미세화학 분야에서의 ALE 개발은 실리콘 웨이퍼 처리에 적합한 반도체 응용 분야와 ALE 원자로에 집중되었다.1999년에는 반도체 제조장비의 주요 공급업체인 네덜란드 ASM International에 Microchemistry Ltd.와 ALD 기술이 매각되어 ASM Microchemistry Oy ASM의 핀란드계 딸회사가 되었습니다.Microchemistry Ltd/ASM Microchemistry Ltd는 1990년대 유일한 상용 ALD 반응기 제조업체였습니다.2000년대 초, 핀란드의 ALD 원자로에 대한 전문지식이 두 개의 새로운 제조업체인 베네크 오이와 피코순 오이를 촉발시켰다. 베네크 오이는 1975년부터 Suntola의 가까운 동료인 Sven Lindfors에 의해 시작되었다.ALD가 무어의 [10]법칙을 이어갈 수 있는 기술이 되면서 원자로 제조사의 수가 급격히 증가하고 반도체 응용이 ALD 기술의 산업적 돌파구가 되었다.2004년 Tuomo Suntola는 반도체 응용용[10] ALD 기술 개발로 유럽 SEMI 상을, 2018년에는 Millennium Technology [13]Prize를 수상했습니다.

ML과 ALE의 개발자는 1990년 [10][8]핀란드 에스푸에서 열린 제1회 원자층 에피택시 국제회의 'AL-1'에서 만났다.분자 적층 작업의 범위를 노출하려는 시도는 2005년 과학적[2] ALD 리뷰 기사에서 그리고 이후 VPHA 관련 [14][8][15]간행물에서 이루어졌다.

"원자층 증착"이라는 이름은 핀란드 에스푸에서 열린 ALE-1 컨퍼런스에서 마르쿠 레스켈래(헬싱키 대학 교수)가 CVD와 유사하게 ALE의 대안으로 처음으로 제안한 것으로 보인다.미국 [16]진공학회가 ALD에 관한 국제 컨퍼런스 시리즈를 시작하면서 그 이름이 널리 받아들여지기까지는 약 10년이 걸렸다.

00년대

2000년에는 Gurtej Singh Sandhu와 Trung T.마이크론테크놀로지의 도안은 D램 메모리 소자용 원자층 증착 하이k 필름 개발을 시작했다.이를 통해 90nm 노드 [17][18]D램을 시작으로 반도체 메모리의 비용 효율적인 구현을 추진할 수 있었습니다.인텔은 ALD를 사용하여 45 [19]nm CMOS 테크놀로지의 고밀도 게이트 유전체를 퇴적했다고 보고했습니다.

ALD는 원자층 에피택시(ALE, 핀란드)와 분자층(ML,[14] 소련)이라는 이름으로 두 가지 독립적인 발견으로 개발되었다.초기 역사를 명확히 하기 위해 2013년 [20]여름에 VPHA(Virtual Project on the History of ALD)가 설립되었습니다.그것은 ALE와 [14][10][8][15]ML이라는 이름으로 ALD의 역사적 발전을 검토하는 여러 출판물로 이어졌다.

표면 반응 메커니즘

시제품 ALD공정에서는 기판을 2개의 반응물질 A, B에 순차적으로 겹치지 않게 노광한다.ALD에서는 박막 성장이 안정된 상태로 진행되는 화학기상증착(CVD)과 같은 다른 기술과 대조적으로 각 반응물은 자기 제한적인 방식으로 표면과 반응합니다. 즉, 반응물 분자는 표면에 한정된 수의 반응 부위가 있어야만 반응할 수 있습니다.일단 원자로에서 모든 부지가 소비되면, 성장은 멈춘다.나머지 반응물 분자는 씻어낸 후 반응물 B를 반응기에 삽입한다.A와 B를 번갈아 노광함으로써 박막을 퇴적시킨다.이 프로세스는 옆 그림에 나와 있습니다.따라서 ALD 프로세스를 기술할 때는 각 전구체의 선량시간(표면이 전구체에 노출되는 시간)과 퍼지시간(전구체가 챔버를 배출하는 선량간 남은 시간)을 모두 참조한다.이원 ALD 프로세스의 선량-퍼지-도스-퍼지 시퀀스는 ALD 사이클을 구성한다.또한 ALD 공정은 성장률 개념을 사용하는 것이 아니라 [21]사이클당 성장률로 기술한다.

ALD에서는 완전한 흡착 밀도를 달성할 수 있도록 각 반응 단계에서 충분한 시간이 주어져야 한다.이 경우 프로세스는 포화 상태에 도달한 것입니다.이 시간은 두 가지 주요 요인, [22]즉 전구체 압력과 고착 확률에 따라 달라집니다.따라서 표면적의 단위당 흡착률은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 R은 흡착 속도, S는 부착 확률, F는 입사 몰 [23]플럭스입니다.그러나 ALD의 주요 특징은 S가 시간이 지남에 따라 변화한다는 것입니다. 더 많은 분자가 표면과 반응함에 따라 포화도에 도달한 후 0에 도달할 때까지 이 접착 확률은 작아집니다.

반응 메커니즘에 대한 구체적인 세부 사항은 특정 ALD 프로세스에 따라 크게 달라진다.산화물, 금속, 질화물, 황화물, 칼코게나이드 및 불소 [4]물질을 퇴적시키는 수백 가지의 공정을 이용할 수 있어, ALD 공정의 기계적 측면의 해법은 활발한 [24]연구 분야이다.다음은 대표적인 예입니다.

서멀 ALD

a) TMA 반응 b) HO2 반응 시 AlO ALD 제안 메커니즘23

열 ALD를 사용하려면 비교적 높은 온도(일반적으로 150~350°C)가 필요합니다.표면 반응을 통해 발생하므로 기판 형상 및 원자로 [1]설계에 관계없이 정확한 두께 제어가 가능하다.

트리메틸알루미늄(TMA)과 물의 AlO23 합성은 가장 잘 알려진 열 ALD의 예 중 하나입니다.TMA 노광 중에는 기판 표면의 TMA가 해리 화학흡착되어 나머지 TMA가 챔버에서 펌핑된다.TMA의 해리성 화학 흡착은 표면을 AlCH로3 덮는다.그런 다음 표면은 HO 증기에2 노출되며, HO 증기는 표면 –CH와34 반응하여 CH를 반응 부산물로 형성하고 결과적으로 히드록실화23 AlO [1]표면에 도달합니다.

플라즈마 ALD

플라즈마 어시스턴스 ALD(PA-ALD)에서는 플라즈마종의 높은 반응성을 통해 막질을 해치지 않고 퇴적 온도를 낮출 수 있으며, 또한 보다 광범위한 전구체를 사용할 수 있어 [1]열 ALD에 비해 더 넓은 범위의 재료를 퇴적할 수 있다.

포토 어시스턴트 ALD

이 ALD 품종에서는 기판상의 표면반응을 촉진하기 위해 자외선을 이용한다.따라서 플라즈마 보조 ALD와 같이 반응 온도를 낮출 수 있다.플라즈마 보조 ALD에 비해 활성화가 약하지만 종종 [1]조명의 파장, 강도 및 타이밍을 조정하여 제어하기가 쉽습니다.

금속 ALD

구리 금속 ALD는 인터커넥트[citation needed] 재료로서의 구리에 대한 수요와 구리를 열적으로 [25]증착할 수 있는 상대적 용이성 때문에 많은 관심을 끌었다.구리는 양의 표준 전기화학적[26] 전위를 가지며 1열 전이 금속 중 가장 쉽게 환원되는 금속입니다.따라서, 수소 가스를 코어 [25][27]활성제로 사용하는 것을 포함한 많은 ALD 과정이 개발되었습니다.구리 금속 ALD는 온도가 높아지면 퇴적된 [29]구리가 응집될 수 있으므로 [28]표면 거칠기가 낮은 연속막을 얻기 위해 100°C 이상에서 수행되어야 한다.

일부 금속은 할로겐화 금속과 실리콘 전구체(예: SiH4, SiH26)를 반응물로 사용하는 플루오로실란 제거 반응을 통해 ALD에 의해 재배될 수 있다.이러한 반응은 안정적인 Si-F [24]결합의 형성에 의해 매우 발열적이다.플루오로실란 제거에 의해 퇴적된 금속은 텅스텐 및 [31]몰리브덴을 포함한다[30].예를 들어 WF 및 SiH를26 반응물로 하는6 텅스텐 금속 ALD의 표면 반응은 다음과[30][32] 같다.

WSiFH2* + WF6 → WWF5* + SiFH3
WF5* + SiH26 → WSiFH2* + SiFH3 + 2 H2

전체 ALD 반응은[24]

WF6 + SiH26 → W + SiFH3 + 22 H, µH = – 181 kcal

증식속도는 증착온도(177~325°C)와 SiH26 반응물 노출4(~106~10L)에 따라 4~7Ω/cycle로 변화할 수 있으며, SiH가[33][34] Si-H 결합에 삽입되는 데 영향을26 미쳐 실리콘 CVD가 텅스텐 ALD 성장에 [24]기여하게 될 수 있다.

다른 많은 금속의 열 ALD는 매우 부정적인 전기화학적 잠재력 때문에 도전적이거나 현재 불가능하다.최근, 새로운 강력한 환원제의 적용으로 몇몇 전기 양극성 금속에 대한 저온 열 ALD 프로세스가 처음 보고되었습니다.크롬 금속은 크롬 알콕시드 전구체와3 BH(NHMe2)[35]를 사용하여 퇴적되었다.티타늄 및 주석 금속은 각각의 금속 염화물(MCL4, M = Ti, Sn)과 비스(트리메틸실릴) 6원환 [36][37]화합물에서 재배되었습니다.알루미늄 금속은 이수소 알루미늄 전구체와 AlCl을3 사용하여 [38]증착되었습니다.

촉매2 SiO ALD

촉매의 사용은 SiO ALD의2 신뢰할 수 있는 방법을 제공하는 데 가장 중요합니다.촉매가 없으면 SiO의2 형성에 이르는 표면 반응은 일반적으로 매우 느리고 예외적으로 높은 온도에서만 발생합니다.SiO2 ALD의 대표적인 촉매는 NH 또는 피리딘과 같은2 루이스3 염기 및 SiO를 포함한다. ALD는 또한 이러한 루이스 염기들이 테트라에톡시실란(TEOS)[24]과 같은 다른 실리콘 전구체와 결합될 때 시작될 수 있다.수소 결합은 루이스 베이스와 SiOH* 표면종 사이 또는 HO 베이스2 반응물과 루이스 베이스 사이에서 발생하는 것으로 생각된다.산소는 SiO-H 결합이 효과적으로 약해지므로 루이스 염기 수소가 SiOH* 표면종과 결합하면 더 강한 친핵성이 됩니다.따라서 SiCl4 반응물질 중의 전기양성 Si 원자는 친핵성 공격을 받기 쉽다.마찬가지로 루이스 베이스와 HO 반응물2 사이의 수소 결합은 HO의2 전기음성 O를 기존의 SiCl*[39] 표면종에서 Si를 공격할 수 있는 강한 친핵체로 만든다.SiO ALD에는2 Lewis 기본 촉매가 없으면 반응 온도가 325°C를 초과하고 압력이 10 torr을 초과해야3 하므로 Lewis 기본 촉매의 사용이 거의 필수적입니다.일반적으로 SiO ALD를 수행하기에2 가장 적합한 온도는 32 °C이며, 공통 증착 속도는 2치 반응 시퀀스당 1.35 앵스트롬이다.SiO ALD에 대한2 두 가지 표면 반응, 전체 반응 및 SiO2 ALD의 Lewis 염기 촉매 작용을 나타내는 도식이 아래에 제시되어 있다.

표면에서의 일차 반응:
SiOH* + SiCl4 → SiOSiCl3* + HCl
SiCl* + HO2 → SiOH* + HCl
전체 ALD 반응:
SiCl4 + 2HO2 → SiO2 + 4 HCl
a) SiCl4 반응 및 b) HO2 반응 중 SiO2 ALD의 루이스 염기 촉매 메커니즘 제안
ALD 반응 메커니즘
ALD의 종류 온도 범위 실행 가능한 전구체 반응물 적용들
촉매 ALD Lewis 베이스[24] 촉매 사용 시 32°C 이상 금속산화물(TiO2, ZrO2, SnO22)[24] (금속) Cl4, HO2[24] 높은 k-유전체층, 보호층, 반사방지층 [24]등
Al2O3 ALD 30 ~ 300 °C AlO23, 금속[40] 산화물 (금속)Cl4, HO2, Ti(OiPr),4 (금속)(ET)2[24] 유전체층, 절연층 등, 태양전지 표면 패시베이션[40]
열화학을 이용한 금속 ALD 175 ~ 400 °C[41] 금속 불화물, 유기 금속, 촉매[41] 금속 M(CH55),2 (CH354)M(CH3),3 Cu(thd), Pd(2hfac),2 Ni(acac),2 H2[41] 전도 경로, 촉매 표면, MOS[41] 장치
폴리머상의 ALD 25~100 °C[24] 일반 폴리머(폴리에틸렌, PMMA, PP, PS, PVC, PVA 등)[24] Al(CH3)3, H2O, M(CH3)3[24] 고분자 표면 기능화, 복합재 생성, 확산 장벽 [24]등
입자의 ALD 폴리머 입자의 경우 25~100 °C, 금속/합금[24] 입자의 경우 100~400 °C BN, ZrO2, CNT, 고분자 입자 다양한 가스:유동층 원자로는 개별[24] 입자를 코팅하기 위해 사용된다. 보호 및 절연 코팅의 퇴적, 광학 및 기계적 특성 수정, 복합 구조물 형성, 도전성 매체
단일 요소 ALD 재료용 플라즈마 또는 라디칼 강화 ALD 20 ~ 800 °C[42][24] 순수금속(Ta, Ti, Si, Ge, Ru, Pt), 금속질화물(TiN, TaN 등)[24] 유기금속, MHCl22, tertbutylimidotris(디에틸아미드) 탄탈(TBTET), bis(에틸시클로펜타디에닐) 루테늄, NH3[24] DRAM 구조, MOSFET 및 반도체 장치, 캐패시터[43]
금속산화물 및 질화물의 플라즈마 강화 ALD 20 ~ 300 °C Al2O3, SiO2, ZnOx, InOx, HfO2, SiNx, TaNx[44][45][46] 서멀 ALD와 유사

적용들

마이크로일렉트로닉스 응용 프로그램

ALD는 다양한 재료를 사용한 고품질 필름 제작뿐만 아니라 정확한 두께와 균일한 표면을 제작할 수 있기 때문에 마이크로 일렉트로닉스 제작에 유용한 공정입니다.마이크로일렉트로닉스에서 ALD는 고분자(고유전율) 게이트 산화물, 고분자 메모리 캐패시터 유전체, 강유전체, 전극 및 상호접속용 금속 및 질화물을 퇴적하는 잠재적 기술로 연구된다.초박막 제어가 필수적인 고순도 게이트 산화물에서는 ALD가 45nm 기술에서만 더 널리 사용될 가능성이 높습니다.금속화에는 컨포멀 필름이 필요합니다.현재 ALD는 65nm 노드에서 주류 생산에 사용될 것으로 예상됩니다.Dynamic Random Access Memory(DRAM; 다이내믹랜덤 액세스메모리)에서는 적합성 요건이 더욱 높아져 기능 사이즈가 100 nm 미만일 때 사용할 수 있는 방법은 ALD뿐입니다.ALD를 사용하는 제품에는 자기 기록 헤드, MOSFET 게이트 스택, DRAM 캐패시터, 비휘발성 강유전체 메모리 등이 있습니다.

게이트 산화물

고산화물 AlO23, ZrO2 및 HfO의2 퇴적은 ALD의 가장 널리 조사된 영역 중 하나이다.고밀도 산화물의 원인은 1.0nm 이하의 두께로 다운스케일 했을 때 MOSFET에서 일반적으로 사용되는2 SiO 게이트 유전체를 통과하는 높은 터널링 전류 문제에서 비롯됩니다.고순도 산화물을 사용하면 필요한 캐패시턴스 밀도에 대해 더 두꺼운 게이트 유전체를 만들 수 있으므로 구조체를 통해 터널링 전류를 줄일 수 있다.

전이 금속 질화물

TiN 및 TaN과 같은 전이 금속 질화물은 금속 장벽 및 게이트 금속으로 사용될 수 있습니다.금속장벽은 현대적인 집적회로에 사용되는 구리 인터커넥트를 봉입하여 절연체 및 실리콘 기판 등의 주변재료에 Cu가 확산되는 것을 방지하고, 또한 모든 Cu 인터커넥트를 금속장벽층으로 둘러싸는 것으로 절연체로부터 확산되는 소자에 의한 Cu의 오염을 방지하는 데 사용된다.금속 장벽은 엄격히 요구됩니다.순수, 밀도, 전도성, 등각성, 얇음, 금속 및 절연체에 대한 접착력이 우수해야 합니다.공정 기술에 관한 요구사항은 ALD에 의해 충족될 수 있다.가장 많이 연구된 ALD 질화물은 TiCl과4 [47]NH에서3 축적된 TiN이다.

금속 필름

금속 ALD에 관심이 있는 동기는 다음과 같습니다.

  1. Cu 인터커넥트와 W 플러그 또는 Cu 전착을 위한 최소 Cu 시드[48] 레이어 및 W CVD를 위한 W 시드 레이어,
  2. Cu 인터커넥트 장벽용 전이 금속 질화물(예: TiN, TaN, WN)
  3. 강유전체 랜덤 액세스 메모리(FRAM) 및 DRAM 캐패시터 전극용 귀금속
  4. 듀얼 게이트 MOSFET용 하이 및 로우 워크 기능 금속.

자기 기록 헤드

자기기록헤드는 전계를 이용해 입자를 편광시켜 자화 패턴을 하드디스크에 [49]남긴다.AlO23 ALD는 균일하고 얇은 [50]절연층을 만드는 데 사용됩니다.ALD를 이용하는 것으로, 절연 두께를 높은 정밀도로 제어할 수 있다.이를 통해 보다 정확한 자화 입자 패턴을 얻을 수 있으며, 따라서 더 높은 품질의 기록을 할 수 있습니다.

DRAM 콘덴서

D램 캐패시터는 ALD의 또 다른 응용 프로그램입니다.개별 DRAM 셀은 단일 비트의 데이터를 저장할 수 있으며 단일 MOS 트랜지스터와 캐패시터로 구성됩니다.효과적으로 메모리 밀도를 높일 수 있도록 캐패시터의 크기를 줄이는 데 많은 노력을 기울이고 있습니다.캐패시턴스에 영향을 주지 않고 캐패시터 크기를 변경하기 위해 다른 셀 방향을 사용하고 있습니다.이 중 일부는 스택형 또는 트렌치형 [51]캐패시터를 포함합니다.트렌치 캐패시터의 등장으로, 특히 반도체의 크기가 감소함에 따라 이러한 캐패시터를 제작하는 문제가 대두되고 있습니다.ALD를 사용하면 트렌치 피처를 100nm 이상으로 스케일링할 수 있습니다.재료의 한 층을 퇴적할 수 있기 때문에 재료를 상당히 제어할 수 있습니다.ALD는 불완전한 막 성장 문제(대부분의 경우 불충분한 양 또는 저온 기판)를 제외하고 유전체나 [52]장벽과 같은 박막을 효과적으로 퇴적시키는 수단을 제공합니다.

태양광 발전 응용 프로그램

태양 전지에서의 ALD 기술의 사용은 시간이 지남에 따라 더욱 두드러지고 있다.과거에는 결정 실리콘(c-Si) 태양 전지에 표면 패시베이션 층을, CIGS 태양 전지에 완충 층을, 염료 감응 태양 전지(DSSC)[53]에 장벽 층을 퇴적시키는 데 사용되었습니다.예를 들어, 태양 전지 애플리케이션을 위한 ALD 성장23 AlO의 사용은 슈미트 등에 의해 입증되었다.PERC(Passivated Emiter and Rear cell) 태양전지 [54]개발을 위한 표면 패시베이션 층으로 사용되었습니다.페로브스카이트 태양전지를 위해 전하수송층(CTL)을 퇴적시키는 ALD 기술을 사용하는 것도 널리 연구되고 있다.두께를 정밀하게 제어하여 고품질 및 적합 필름을 증착할 수 있는 ALD의 기능은 CTL과 페로브스카이트 층 사이의 인터페이스를 정교하게 조정하는데 큰 이점을 제공할 수 있습니다.또한 넓은 영역에 걸쳐 균일한 핀홀 프리 필름을 얻는 데 유용합니다.이러한 측면은 ALD를 페로브스카이트 태양 [55]전지의 성능을 더욱 개선하고 안정화시키는 유망한 기술로 만든다.

전기 광학 응용 프로그램

박막 커플러

종종 전자 집적회로와 유사한 방식으로 포토닉 집적회로(PIC)가 등장함에 따라 다양한 온칩 광학 디바이스 구조가 필요합니다.예를 들어 광도파로의[56] 교차점에서 마이크로미터 크기의 빔플리터 역할을 하는 나노포토닉 커플러가 있는데, 고애스펙트비 트렌치(폭 100nm×깊이 4마이크로미터)는 먼저 식각으로 정의되고 ALD에 의해 산화알루미늄으로 다시 채워져 광품질 인터페이스를 형성한다.

생물의학 응용 프로그램

바이오메디컬 디바이스의 표면 특성을 이해하고 특정할 수 있는 것은 바이오메디컬 업계, 특히 몸에 이식된 디바이스와 관련하여 매우 중요하다.물질은 표면에서 환경과 상호작용하기 때문에 표면 특성은 대부분 재료와 환경의 상호작용을 지시합니다.표면 화학과 표면 지형은 단백질 흡착, 세포 상호작용, 면역 [57]반응에 영향을 미친다.

현재 생물의학 분야에서는 유연한 센서 작성, 나노폴러막 수정, 폴리머 ALD, 얇은 생체적합 코팅 제작 등이 사용되고 있습니다.ALD는 진단 도구로 광도파로 센서를2 만들기 [58]위해 TiO막을 퇴적시키는 데 사용되어 왔다.또한, ALD는 예를 들어 운동 선수의 옷에서 움직임이나 심박수를 감지하는 데 사용될 수 있는 유연한 감지 장치를 만드는 데 유용합니다.ALD는 저온 증착 [59]방식이기 때문에 플렉시블 유기 전계효과 트랜지스터(OFET) 제조 공정 중 하나입니다.

나노폴러 소재는 생물의학 산업 전반에 걸쳐 약물 전달, 이식 및 조직 공학 분야에서 등장하고 있습니다.ALD를 사용하여 나노폴러 물질의 표면을 수정하는 이점은 다른 많은 방법과는 달리 반응의 포화 및 자기 제한적인 성질은 깊숙이 박힌 표면과 인터페이스조차 [1]균일한 필름으로 코팅된다는 것을 의미합니다.나노폴러스 표면은 ALD 공정에서 모공 크기를 더 줄일 수 있습니다. 왜냐하면 등각 코팅이 모공 내부를 완전히 코팅하기 때문입니다.이러한 모공 크기 감소는 특정 [60]용도에 유리할 수 있습니다.

플라스틱의 투과 장벽으로서

플라스틱의 투과 [61]장벽으로서 ALD를 사용할 수 있다.예를 들어 플라스틱에 [62][63]OLED를 캡슐화하는 방법으로 잘 확립되어 있다.또한 ALD는 반도체 가공 및 공간 [64]용도에 모두 맞춤형 저비용 도구를 사용할 수 있는 아웃가스를 완화하여 진공 환경에서 사용할 수 있도록 3D 프린팅 플라스틱 부품을 접종하는 데도 사용할 수 있습니다.ALD는 롤 투 롤 [65]공정에서 플라스틱에 장벽을 형성하는 데 사용될 수 있습니다.

품질과 그 관리

ALD 프로세스의 품질은 여러 가지 다른 이미징 기술을 사용하여 모니터할 수 있으며, ALD 프로세스가 원활하게 진행되어 표면에 등각층을 형성하고 있는지 확인할 수 있습니다.한 가지 옵션은 단면 주사 전자 현미경(SEM) 또는 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하는 것입니다. ALD층의 품질을 평가하기 위해서는 이미지의 고배율이 중요합니다.XR(X-ray reflectivity)은 두께, 밀도, 표면 [66]거칠기 등 박막 특성을 측정하는 기술입니다.또 다른 광학 품질 평가 도구는 분광 타원계이다.ALD에 의해 각 층의 퇴적물 사이에 적용됨으로써 [67]필름의 성장률과 재료 특성에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

ALD 프로세스 중에 이 분석 도구를 적용하면 ALD 프로세스 중에 필름의 성장률을 보다 효과적으로 제어할 수 있습니다.이러한 유형의 품질 관리는 TEM 이미징(XRR)에서처럼 나중에 필름을 평가하는 것이 아니라 ALD 프로세스 중에 발생합니다.또한 루더포드 백스캐터링 분광법(RBS), X선 광전자 분광법(XPS), 오거 전자 분광법(AES) 및 4단자 감지를 사용하여 [67]ALD에 의해 퇴적된 박막에 관한 품질관리 정보를 제공할 수 있다.

장점과 제한

이점

ALD는 원자적으로 지정된 두께로 필름을 제작하는 매우 제어된 방법을 제공합니다.또한 다양한 다층 구조의 성장은 간단합니다.이 장비는 민감도와 정밀도 때문에 작지만 효율적인 반도체를 생산하는 데 있어 마이크로일렉트로닉스 및 나노테크놀로지 분야에 종사하는 사람들에게 매우 유익하다.ALD는 일반적으로 상대적으로 낮은 온도와 열화학적으로 선호되는 촉매를 사용한다.낮은 온도는 유기 및 생물학적 샘플과 같은 연질 기판을 사용할 때 유용합니다.열적으로 불안정한 일부 전구체는 분해 속도가 상대적으로 [1][24]느린 한 여전히 사용될 수 있다.

단점들

기판의 고순도는 매우 중요하기 때문에 고비용이 수반된다.이 비용은 필요한 기기 비용에 크게 비례하지 않을 수 있지만 원하는 제품에 적합한 조건을 찾기 전에 몇 가지 테스트를 수행해야 할 수 있습니다.층이 만들어지고 프로세스가 완료되면 최종 제품에서 여분의 전구체를 제거해야 할 필요가 있을 수 있습니다.일부 최종 제품에는 1% 미만의 불순물이 존재합니다.[68]

경제적 실현 가능성

원자층 증착 장비는 기기의 품질과 효율에 따라 20만 달러에서 80만 달러까지 다양합니다.이러한 기기의 사이클 구동에는 정해진 비용이 없으며, 사용되는 기판의 품질과 순도, 기계 작동 온도와 시간에 따라 비용이 달라집니다.일부 기질은 산소에 매우 민감하여 분해 속도를 높일 수 있기 때문에 다른 기질보다 가용성이 낮고 특별한 조건을 필요로 합니다.다성분 산화물 및 마이크로 일렉트로닉스 산업에서 전통적으로 필요한 특정 금속은 일반적으로 비용 [69]효율이 높지 않습니다.

반응 시간

ALD의 과정은 매우 느리고 이것이 ALD의 주요 한계로 알려져 있다.예를 들어 AlO는23 [2]사이클당 0.11nm의 속도로 축적되며, 사이클 지속시간 및 펌핑 속도에 따라 시간당 평균 100~300nm의 증착 속도에 해당할 수 있습니다.이 문제는 Spatial ALD를 사용하여 오버런할 수 있습니다.여기서 기판은 특수한 ALD 샤워헤드 아래 공간으로 이동하고 양쪽 전구 가스는 가스 커튼/베어링으로 분리됩니다.이렇게 하면 분당 60nm의 증착 속도에 도달할 수 있다.ALD는 일반적으로 마이크로일렉트로닉스 및 나노기술용 기판을 생산하는 데 사용되기 때문에 두꺼운 원자층이 필요하지 않다.많은 기판은 취약성 또는 불순물 때문에 사용할 수 없습니다.일부 운반 가스는 잔류물을 남기는 것으로 알려져 있고 산소에 [68]민감하기 때문에 일반적으로 0.1~1 at%에서 불순물이 발견됩니다.

화학적 한계

대부분의 전구체는 산소/공기에 매우 민감하기 때문에 사용될 수 있는 기질에 제한을 일으키기 때문에 휘발성이 있어야 하지만 분해되지 않아야 한다.일부 생물학적 기질은 열에 매우 민감하고 빠른 분해 속도를 가질 수 있으며 선호되지 않으며 더 큰 불순물 수준을 산출합니다.박막 기판 재료는 다양하지만 마이크로 일렉트로닉스에서 사용하는 데 필요한 중요한 기판은 구하기 어렵고 매우 [68]비쌀 수 있습니다.

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