目錄1.先進制造計劃2.原子沉積技術研究3.科學挑戰(zhàn)ANML第一頁，共28頁。目錄1.先進制造計劃2.原子沉積技術研究3.科學挑戰(zhàn)ANML第二頁，共28頁。大規(guī)模集成電路不僅在對民用設備如電視機、計算機等的發(fā)展起到重要的作用，同時在軍事、通訊、航空航天等高科技領域也得到廣泛的應用。2010年行業(yè)總產值達2378.6億元，同比增長35.5%，GDP占有率增至0.6%。21世紀隨著新材料技術的發(fā)展，集成電路小型化的趨勢致使各電子器件線寬的特征尺寸更加細微。在新型材料研究和納米技術的引進下，精微尺寸控制、表面高覆蓋率和高均勻一致性成為微納器件制備研究的重要課題。大規(guī)模集成電路先進制造計劃第三頁，共28頁。

國內制造水平國際先進水平以加工貿易為主原材料和專用制造設備對外依存度高國內制造僅能滿足20%的國內需求CPU、存儲器等芯片依靠進口，通信、消費電子等領域高檔芯片依賴進口芯片等高端電子元件已微型化至32nm級，下一代22nm級，甚至16nm級先進制造工藝開發(fā)、新型技術（如納米技術）引進已成功推進元件制備的微型化發(fā)展芯片制造工藝尺寸變化先進制造是關鍵先進制造計劃把握電子元件制造未來的微型化的方向，必須突破新型材料微納尺寸控制和性能優(yōu)化等關鍵技術問題。

90納米 65納米 45納米 32納米 22納米ANML第四頁，共28頁。5先進制造計劃(AdvancedManufacturingInitiative)AMI計劃將通過新技術應用研究計劃、創(chuàng)立和普及新穎的制造業(yè)設計方法，以及共享支撐現(xiàn)有制造產業(yè)升級的技術基礎設施等舉措來支持先進制造業(yè)的創(chuàng)新“確保美國在先進制造業(yè)的領先地位”。美國總統(tǒng)科技顧問委員會報告先進制造計劃第五頁，共28頁。6建設國家安全關鍵產業(yè)的國內制造能力啟動“材料基因組計劃”投資新一代機器人開發(fā)創(chuàng)新型的節(jié)能制造工藝和材料AMI重大關鍵課題ANML先進制造計劃第六頁，共28頁。目錄1.先進制造計劃2.原子沉積技術研究3.科學挑戰(zhàn)ANML第七頁，共28頁。集成電路線寬縮小所引起的薄膜需求：柵極電介質、DRAM電容電介質需要高k薄膜材料(<10nm)；深寬比高達100:1以上的孔洞表面薄膜也需要高覆蓋率；互連擴散阻擋層也變得越來越薄。微觀尺度上的復雜結構隨著電子元器件的尺度進一步縮小、結構越來越復雜，許多新興的納米制造工藝應運而生。ANML原子沉積技術研究第八頁，共28頁。P.A.Packan,Science,1999Source:Intel高介電常數(shù)絕緣層ANML原子沉積技術研究隨著芯片上集成的微處理器數(shù)量越來越多，尺寸越來越小，金屬氧化物場效應管(MOS)需要非常薄的門電極絕緣層（提高較高的電容）；然而，隧穿電流（漏電流）隨著門電極厚度的減小而呈指數(shù)增長，因此帶來了矛盾的兩面；用原子層沉積高介電常數(shù)絕緣層一方面可以保證薄膜的均一性，另一方面可以保持門電極的有效電容，維持門電極對通道的控制。第九頁，共28頁。ANML傳統(tǒng)薄膜鍍層技術的問題原子沉積技術研究“Wedisregardinourtreatmentthespecialcaseofsuchthinlayers(<50?)…sinceitishardlypossibletoproducesuchthinlayerswithoutpinholesorlargerdefects.”H.Gerisheret.al.(J.Electrochem.Soc.,1983,130(11),2173-2179.)缺陷孔洞“我們處理過程中并不適用厚度小于50埃的情況…因為這個厚度的薄膜沉積時幾乎不可能不出現(xiàn)缺陷或者孔洞”突破納米薄膜生長不均勻的難題優(yōu)化整個工藝流程，使之更綠色環(huán)保第十頁，共28頁。原子沉積技術簡介

原子層沉積系統(tǒng)是一種將物質以單原子膜形式一層層的鍍在基底表面的氣相沉積方法。ALD技術基礎是自限制性(self-limiting)的表面反應，其亞納米級的高度可控性和生長的均勻一致性對于微納制造/生長的研究非常重要。AtomicLayerDeposition原子層沉積原子層沉積與化學氣相沉積(CVD)有相似之處，但在沉積反應原理、反應條件的要求、以及沉積層的質量上都與傳統(tǒng)的CVD不同；ALD在膜層的均勻性、階梯覆蓋率、以及厚度控制等方面都具有明顯的優(yōu)勢。ANML原子沉積技術研究第十一頁，共28頁。ALD的工藝特點ALD

vs.

CVD,PVDALDPVDCVD反應溫度120℃

~

350℃250℃~450℃900℃左右

覆蓋率高覆蓋率和保形性深寬比10:1時也僅為50%深寬比為10:1覆蓋100%,大于10:1覆蓋率不高

薄膜尺寸原子級別的精確控制>10nm>10nm

薄膜均勻性高度均勻和一致性不均勻不均勻反應速率沉積周期小，反應慢反應快反應快真空度大氣壓或低于大氣壓高真空度要求高真空度要求前驅體需尋找合適前驅體以獲得低雜質的薄膜材料無需化學反應,純度高需合適前驅體，高溫下薄膜相對雜質低成本設備簡單、相對成本低設備設計簡單設備復雜且高成本ANML原子沉積技術研究第十二頁，共28頁。ANMLE引入新材料、新的制備工藝，勢必需要改變工藝流程；先進制造需要更加綠色環(huán)保的工藝及流程。ALD的工業(yè)應用實例“英特爾對鉿的創(chuàng)新使用，顯著降低了晶體管的能耗”“在銅表面的ALD阻擋層，防止銅原子在電場下的表面遷移”原子沉積技術研究第十三頁，共28頁。選擇添加工藝流程ANMLCMOS選擇添加成形生長二氧化硅層刻蝕刻蝕剝離用ALD生長自對準高介電/金屬閘極堆積硅片基底CMOS的刻蝕過程高介電常數(shù)介質金屬或者多晶沉積光刻蝕刻蝕剝離原子沉積技術研究硅片基底技術關鍵第十四頁，共28頁。15自主裝分子鈍化劑利用了分子自主裝特性，低耗能；高分子光刻膠有較長的支鏈，在幾個納米的分辨率較差；小分子鈍化劑相比因此有比較高的精度特征尺寸(featuresize)；添加成形過程由于只在需要的地方生長薄膜，因此節(jié)省了很多前驅體原材料，并可以用較溫和的刻蝕代替極端刻蝕，是一種綠色制造工藝流程。ANML原子沉積技術研究

利用高分子鏈在表面上的自組裝性質，對表面進行改性，使得前驅體只能在一定區(qū)域內沉積基底自主裝分子作為表面鈍化劑第十五頁，共28頁。16門電極自對準堆積利用選擇性ALD技術沉積高介電金屬氧化物，顯著降低場效應管的泄漏電流和能耗；首次將分子自組裝技術和原子層沉積相結合，實現(xiàn)了自對準(self-aligned)高介電/金屬閘極堆積，有效減少了高污染的刻蝕和清洗步驟；該成果獲得半導體研究協(xié)會SimonKarecki獎，以及德州儀器微電子領域女性領袖獎。自對準高介電/金屬閘極堆積示意圖電子隧穿，漏電流技術關鍵：ANML原子沉積技術研究第十六頁，共28頁。ALD的工藝應用前驅體是飽和化學吸附，保證生成大面積均勻薄膜大面積均勻吸附薄膜厚度納米級可控，通過精確控制膜的厚度使轉換效率提升厚度納米級可控低的沉積溫度使硅膜壽命提高，同時還可以在熱穩(wěn)定性低的柔性基底上沉積材料低溫沉積條件復雜結構基底適合于各種形狀的襯底，能沉積具有大的高深寬比的結構ANML原子沉積技術研究第十七頁，共28頁。ALD制備的薄膜II-VI化合物ZnS,ZnSe,ZnTe,ZnS1-xSex,CaS,SrS,BaS,SrS1-xSex,CdS,CdTe,MnTe,HgTe,Hg1-xCdxTe,Cd1-xMnxTeII-VI基TFEL磷光材料ZnS:M(M=Mn,Tb,Tm),CaS:M(M=Eu,Ce,Tb,Pb),SrS:M(M=Ce,Tb,Pb,Mn,Cu)

III-V化合物GaAs,AlAs,AlP,InP,GaP,InAs,AlxGa1-xAs,GaxIn1-xAs,GaxIn1-xP氮（碳）化物半導體/介電材料AlN,GaN,InN,SiNx

導體TiN(C),TaN(C),Ta3N5,NbN(C),MoN(C)氧化物介電層Al2O3,TiO2,ZrO2,HfO2,Ta2O5,Nb2O5,Y2O3,MgO,CeO2,SiO2,La2O3,SrTiO3,BaTiO3

透明導體/半導體In2O3,In2O3:Sn,I2O3:F,In2O3:Zr,SnO2,SnO2:Sb,ZnO,ZnO:Al,Ga2O3,NiO,CoOx

超導材料YB2Cu3O7-x

其他三元材料LaCoO3,LaNiO3

氟化物CaF,SrF,ZnF單質材料Si,Ge,Cu,Mo,

Pt,

W,

Co,

Fe,

Ni,

Ru其他La2S3,PbS,In2S3,CuGaS2,SiCANML原子沉積技術研究第十八頁，共28頁。LAMD太陽能電池技術發(fā)展的薄膜要求ALD在新能源領域高轉換效率需要對厚度精確可控1.厚度可控2.穩(wěn)定性好延長使用壽命需要薄膜具有搞的穩(wěn)定性使用新型有機襯底只適合于低溫沉積3.低溫沉積原子沉積技術研究第十九頁，共28頁。其他納米結構-納米顆粒具有催化活性的納米金1~6

nm鈀金納米催化劑示意圖表層為鈀原子次表層為金原子橫截面近表面合金示意圖合金元素集中分布在表面ANML原子沉積技術研究經過區(qū)域鈍化處理的表面材料A的生長材料B的生長組分控制尺寸控制理論和實驗均表明，納米顆粒的催化、儲能性能和尺寸、組分、形貌有密切關系；利用選擇性ALD可以精準的控制尺寸、組分、及分布。第二十頁，共28頁。目錄1.先進制造計劃2.原子沉積技術研究3.科學挑戰(zhàn)ANML第二十一頁，共28頁?？茖W挑戰(zhàn)通過材料理性設計與實驗相結合，不斷尋找合適前驅體，尤其是過渡金屬/金屬氧化物的相關活性前驅體。通過設備改進與創(chuàng)新，以及批量處理克服這一難題。沉積速度慢

需要合適的前驅體目前無適合大面積生產的方案ALD在半導體行業(yè)已取得大規(guī)模的工業(yè)應用，而進一步應用到大面積薄膜制備（例如太陽能，顯示器等），則需要設備方面的創(chuàng)新，開發(fā)低真空或無需真空的ALD技術，從而不斷推動其在工業(yè)生產中的應用。ANML第二十二頁，共28頁。ANML前驅體設計通過理論計算調整配體取代基來改變前驅體的穩(wěn)定性：哈佛大學Gordon教授合成出了一類新型的烴胺金屬配合物前驅體bis-amidinate，計算結果表明這類前驅體的穩(wěn)定性可以通過改變配體取代基加以調整。體積較大的取代基(如叔丁基)能夠穩(wěn)定bis-amidinate型前驅體分子,而小體積取代基(如異丙基、2-丁基)更容易發(fā)生β-H的遷移而使前驅體重排分解第二十三頁，共28頁。ANMLABC計算模擬判斷不同前驅體的形成薄膜的形式：利用對比，通過第一性原理計算和分子動力學，分別計算前驅體A與羥基B和羥基C的反應勢壘來判斷前驅體更喜歡以哪種方式生長薄膜。成膜微觀機理研究第二十四頁，共28頁。自主設計ALD設備ANML原型設計實體組裝第二十五頁，共28頁。ANML利用氣流來控制常壓反應腔內不同前驅體間的隔離密封；通過氣流和驅動軸精確控制基底與氣體噴嘴之間的距離，實現(xiàn)兩個半反應內由氣體隔離；通過微