Toepassingen van atoomlaagdepositie - Technische Universiteit ...

Toepassingen van atoomlaagdepositie: op en top nano!
Dr.ir. Erwin Kessels, Technische Universiteit Eindhoven TU/e (w.m.m.kessels@tue.nl)
De dunne film technologie van
atoomlaagdepositie (in het Engels: atomic layer
deposition, ALD) maakt momenteel een
stormachtige ontwikkeling door. De
technologie is niet nieuw – ze is zelfs al meer
dan 30 jaar oud – maar pas de laatste jaren is
de tijd rijp gebleken voor grootschalige
toepassingen van atoomlaagdepositie:
toepassingen die vragen om controle van dunne
film aangroei op de atomaire schaal!
De grote interesse komt voornamelijk voort uit
de halfgeleiderindustrie, nadat ALD jarenlang
een niche is geweest in de productie van
elektroluminiscente beeldschermen. In de
halfgeleiderindustrie vraagt de continue
miniaturisatie van geïntegreerde schakelingen
in bijvoorbeeld computerchips om nieuwe
oplossingen op het gebied van materialen en
procestechnologieën. Met atoomlaagdepositie
kunnen dunne films van allerlei materialen
stapsgewijs atoomlaag-voor-atoomlaag
aangebracht worden door middel van
zelflimiterende oppervlaktereacties van
precursorgassen waaraan het oppervlak
afwisselend wordt blootgesteld. De controle
van het depositieproces op atomaire schaal is
van cruciaal belang bij de productie van
zogenaamde “gate stacks” in
veldeffecttransistoren waarbij de oxide diktes
inmiddels onder de kritische grens van 1 nm
komen te liggen. Intel heeft dan ook recentelijk
aangekondigd dat ze in hun 45-nm generatie
microprocessoren gebruik zullen maken van
Hafnium-gebaseerde oxides aangebracht met
ALD. Anderzijds, de voortreffelijke, nietgeëvenaarde
stapbedekking die behaald kan
worden met ALD ligt aan de basis van de zelfs
verder gevorderde toepassing van ALD in
geheugenchips. Hierbij dienen diepe structuren
met een lengte-over-breedte verhouding van
>70 bedekt te worden met uiterst dunne
laagjes.
Figuur 1. Opkomst van nieuwe toepassingen van atoomlaagdepositie.

Maar dit is pas het begin: inmiddels is er een
breed scala aan veeleisende toepassingen van
dunne films waar methodes zoals sputteren of
chemische damp depositie ontoereikend
geacht worden. Zoals geïllustreerd in figuur 1
biedt ALD mogelijkheden en vooral ook
oplossingen voor talrijke opkomende
technologieën, zich uitstrekkend van flexibele
elektronica tot zonnecellen en van
microsystemen tot nanotechnologie.
Vooralsnog bevinden de activiteiten op het
gebied van ALD zich nog voornamelijk in de
onderzoeksfase, zo ook in ons lab aan de TU/e
waar de hier geïllustreerde nieuwe
toepassingen allen reeds aan bod gekomen zijn
in samenwerking met onze (industriële)
partners. De gemene deler bij deze
toepassingen is dat de gewenste laagdikte van
de films meestal maar enkele nanometers is,
terwijl vaak ook de andere dimensies patronen
hebben op de nanoschaal. Kortom, de
toepassingen van ALD zijn op en top nano!
spectroscopic ellipsometry quartz crystal microbalance
(SE)
(QCM)
Film thickness (nm)
16 16
12 12
88
4
0
0 50 100 150
TaN
TiN
200
Number of cycles
Mass change (a.u.)
Online process diagnostics
1 cycle
300 350 400 450
Time (s)
500 550 600
Mass spectrometry signal (A)
10 -8
10 -8
10 -8
10 -8
10 -8
10 -8
10 -9
10 -9
10 -9
10 -9
10 -9
10 -9
10 -10
10 -10
10 -10
10 -10
10 -10
10 -10
Naast de toepassingen, liggen de uitdagingen
op het gebied van ALD ook op het terrein van
de depositieapparatuur en proces monitoring.
De beschikbare depositieapparatuur is vaak
geënt op bestaande vacuümopstellingen zoals
gebruikt bij chemische damp depositie, maar
waarbij ALD specifieke eisen stelt aan zaken
zoals productiedoorvoer, precursorgasinjectie
en de uitbreiding van het proces met
plasmastappen. Het ontwerpen en verder
verbeteren van ALD apparatuur is dan ook een
actief aandachtsgebied bij
apparatuurproducenten en hun toeleveranciers,
bijvoorbeeld op het gebied van vacuüm- en
gaskleppen, injectiesystemen, etc. ALD
processen vragen ook specifieke oplossingen
voor het monitoren van het proces,
bijvoorbeeld in situ metrologie voor bepaling
van de laagdikte en de gas-analyse van
gepulste precursorgassen en tijdsafhankelijke
detectie van reactieproducten (zie figuur 2).
mass spectrometry optical emission spectroscopy
(QMS)
(OES)
Al(CH 3)3
H 2 O
H O
2
CH 4
Al(CH 3 ) 3
H 2 O
Al(CH Al(CH3)3 3)3 3)3 3)3
H 2 O
Al(CH 3)3
H 2O
10
0 25 50 75 100
-11
10
0 25 50
Time (s)
75 100
-11
10
0 25 50
Time (s)
75 100
-11
10
0 25 50
Time (s)
75 100
-11
10
0 25 50
Time (s)
75 100
-11
10
0 25 50
Time (s)
75 100
-11
Time (s)
Intensity (a.u.)
O plasma
2
with Al(CH ) 3 3
558nm (O +
2 )
558nm (O +
2 )
519nm (CO)
200 300 400 500 600 700 800
Wavelength (nm)
777nm (O)
656nm (H)
Figuur 2. Atoomlaagdepositie biedt ook nieuwe uitdagingen voor proces monitoring.
Zie ook: W.M.M. Kessels, S.B.S. Heil, E. Langereis, J.L. van Hemmen, H.C.M. Knoops,
J.J.A. Zeebregts, M.J.F. van de Sande en M.C.M. van de Sanden, NEVACBLAD,
Jaargang 44, 2006, Nr 4.