先進製程看好 ALD 薄膜沈積設備

薄膜沈積設備屬於半導體前道工藝設備. 半導體設備主要包括前道工藝設備和後道工藝設備. 前道工藝設備為晶圓制造設備, 後道工藝設備包括封裝設備和測試設備, 前道工藝流程主要分為擴散, 薄膜沈積, 光刻, 刻蝕, 離子注入, CMP, 金屬化.

晶圓制造的前道工藝設備投資額明顯高於後道工藝設備, 薄膜沈積設備, 光刻設備, 刻蝕設備是前道工藝中投資額比重最大的三類設備. 根據 SEMI 的數據, 2022 年晶圓制造相關設備投資額占比約為總體設備投資的 86%, 其中薄膜沈積設備投資額占晶圓制造設備投資額的 22%.

薄膜沈積技術主要負責各個步驟中的介質層與金屬層的沈積, 包括 CVD (化學氣相沈積), PVD (物理氣相沈積) 和 ALD (原子層沈積). PVD: 指通過物理機制進行薄膜沈積技術. CVD: 指通過氣體混合的化學反應. ALD: CVD 的一種, 可以將反應材料以單原子膜形式通過循環反應逐層沈積在基片表面, 形成對複雜形貌的基底表面全覆蓋成膜的專用設備.

對比幾類薄膜工藝, ALD 優勢明顯, 但也存在沈積速率較低的不足. ALD 技術優勢在於: 1) 高精確性. 2) 極好的三維保形性: ALD 可以生成與原來基底形狀一致的薄膜. 3) 高平整性. 4) 極好的附著性; 5) 低熱預算 (澱積溫度低). 同時, ALD 也存在反應速率較低, 材料浪費率較高等缺陷.

全球半導體薄膜沈積設備市場被國外龍頭廠商壟斷, 而 ALD 設備作為先進制程所必須的工藝設備, 在大規模量產方面國內廠商尚未形成突破. 據 Gartner 統計, 全球薄膜沈積設備基本由先晶半導體 (ASM), 東京電子 (TEL), 應用材料 (AMAT) 和泛林半導體 (Lam Research) 四家國際巨頭壟斷.

目前在半導體行業中, 薄膜沈積工藝以 CVD 為主, PVD 為輔, ALD 市占率提高趨勢明顯. 據 SEMI, 2022 年 CVD 設備為全球範圍內占比最高的半導體薄膜沈積設備, 占比 57%; PVD 設備 2022 年占比為 25%; ALD 設備占比為 11%, 預計未來幾年市場規模保持高速增長, 複合增長率高達 26.3%.

薄膜沈積包括器件內各種金屬層, 介質層, 鈍化層, 阻擋層, 硬光罩, 自對準雙重成像以及部分半導體膜的制備都屬於薄膜沈積工藝範疇. PVD 主要負責金屬膜層的沈積; CVD 種類眾多, 主要負責各種介質膜層以及半導體膜層的沈積; ALD 具備優異的膜厚控制, 台階覆蓋以及填孔能力, 在 28nm 以下的先進制程中發揮舉足輕重的作用.

ALD 薄膜沈積可分為五個反應步驟: 1) 前驅體 A 進入反應室並吸附在基體表面; 2) 惰性氣體沖洗反應室, 將剩余的前驅體 A 清洗乾凈; 3) 前驅體 B 進入反應室並吸附在基體表面, 與前驅體 A 發生化學反應, 生成目標薄膜; 4) 惰性氣體沖洗反應室, 將化學反應生成的副產物清除出反應室, 完成一次原子層薄膜沈積; 5) 如此循環往覆, 即可實現單位原子層級的薄膜沈積.

多重曝光技術是指在現有的光刻機精度下, 依次使用不同的光罩, 分別進行兩次及以上的曝光, 將一次曝光留下的介質層作為二次曝光的部分遮擋層. 在此過程中, 由於多重曝光增加了多道薄膜沈積工序, 需要薄膜技術具有接近 100% 的保型性, 薄膜厚度控制精準, 因此 ALD 技術被迅速推廣應用.

ALD 可應用在先進半導體製程. 2nm 以下的 SiO2 層不再是理想的絕緣體, 隧穿引起的漏電流急劇增加, 導致高功耗和器件可靠性降低. high-k 電介質是指與 SiO2 相比具有高介電常數的材料, 其具備良好的絕緣屬性, 同時可在柵和矽底層通道之間產生較高的場效應.

ALD 也非常適用於需要高深寬比沈積的 3D NAND 中, 沈積完多層柵極後, 需要進行高深寬比通道孔刻蝕. 在 DRAM 中, DRAM 基本單元主要由一個電容器和一個晶體管組成的 1T1C 結構, ALD 被用於電容器制備中沈積 MIM 中的絕緣層 (高 k 介質) 及頂部和底部的金屬電極層 (TIN 等).

2024年原子層沉積 (ALD) 設備市場規模估計為 91.7億美元, 預計到 2029 年將達到 201.4億美元, 在預測期內 (2024-2029年) 複合年增長率為 17%. 半導體產業中, CMOS 處理器, 記憶體, MEMS 和感測器中使用的高 k 介電薄膜經常使用 ALD 來生產.