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ALD vs CVD : le dépôt de couches atomiques comparé

L'ALD (dépôt de couches atomiques) est une forme particulière de CVD dans laquelle les gaz précurseurs sont injectés par impulsions, un à la fois, et chaque impulsion ne réagit que jusqu'à ce que la surface soit recouverte. Le film croît donc d'une couche atomique par cycle, avec un contrôle parfait de l'épaisseur et une excellente couverture des structures très profondes. La contrepartie est la vitesse : l'ALD est bien plus lente que la CVD classique, elle est donc réservée aux films les plus minces et les plus critiques.

CritèreALDCVD
Principe de fonctionnementLes précurseurs sont injectés à tour de rôle, séparés par des purges. Chaque réaction est autolimitée, si bien qu'un cycle ajoute environ une couche atomiqueLes précurseurs arrivent ensemble et réagissent en continu à la surface
Contrôle de l'épaisseurÀ l'échelle atomique, fixé par le nombre de cyclesFixé par la durée et la vitesse de dépôt, donc moins précis
ConformitéExcellente, même dans des trous et tranchées très profonds et étroitsBonne, mais les structures profondes peuvent se refermer avant d'être remplies
Vitesse de dépôtLente : une fraction de nanomètre par cycleRapide : de nombreux nanomètres par minute, voire plus
Uniformité et qualitéTrès uniforme, dense et avec peu de trous d'épingleBonne uniformité
TempératureSouvent basse (environ 100 à 350 °C)Large plage, souvent plus élevée (plus basse en CVD plasma)
DébitFaible par wafer (les équipements batch aident)Plus élevé
Épaisseur typiqueEnviron 1 à 50 nmDe quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres
Usages typiquesDiélectriques de grille high-k (comme le HfO2), barrières minces, espaceurs, revêtements dans les structures 3DFilms isolants épais, polysilicium, nitrure de silicium, plugs en tungstène

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

ALD
Lorsque le film doit être extrêmement mince, parfaitement uniforme et recouvrir des structures 3D complexes : empilements de grille des FinFET et des transistors GAA, condensateurs de DRAM.
CVD
Lorsqu'il faut des films plus épais, rapidement et à moindre coût, et que la structure n'est pas trop exigeante.
Compromis
Les ingénieurs les combinent souvent : l'ALD pour la première couche mince et conforme, puis la CVD, plus rapide, pour remplir ou épaissir.

Questions fréquentes

Pourquoi l'ALD est-elle lente ?

Chaque cycle n'ajoute qu'environ une couche atomique, car les précurseurs sont injectés un à la fois avec des purges entre eux. Cela donne un contrôle parfait de l'épaisseur, mais une vitesse d'une fraction de nanomètre par cycle.

Pourquoi utilise-t-on l'ALD pour les diélectriques de grille ?

Les diélectriques de grille high-k comme le HfO2 ne doivent faire que quelques nanomètres d'épaisseur, être parfaitement uniformes et recouvrir uniformément des structures 3D comme les ailettes. L'ALD satisfait ces trois exigences.

L'ALD est-elle un type de CVD ?

Oui. L'ALD peut être vue comme une forme particulière de CVD dans laquelle les réactions sont séparées dans le temps et autolimitées.

Quand préfère-t-on la CVD à l'ALD ?

Lorsqu'un film plus épais est nécessaire rapidement et à faible coût et que la structure n'est pas trop exigeante, comme pour les films isolants épais.

Vérifier vos connaissances

Quelle caractéristique de l'ALD (dépôt de couches atomiques) est correcte ?

  1. AElle dépose rapidement un film de plusieurs µm en un seul traitement
  2. BElle répète des réactions de surface autolimitées des précurseurs et contrôle l'épaisseur à l'échelle de la couche atomique
  3. CC'est une technique d'impression ne nécessitant pas de vide
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Réponse : B. Elle répète des réactions de surface autolimitées des précurseurs et contrôle l'épaisseur à l'échelle de la couche atomique

L'ALD répète un cycle : introduction d'un gaz précurseur qui s'adsorbe en une seule couche à la surface, purge de l'excédent, puis introduction d'un gaz réactif qui réagit avec la couche. La réaction s'arrête lorsque les sites réactifs de surface sont saturés (autolimitation) : l'épaisseur est contrôlée avec précision, à environ 0,1 nm par cycle, et le dépôt est uniforme même au fond de tranchées de rapport d'aspect de plusieurs dizaines. En contrepartie, la vitesse de dépôt est faible.

Quel exemple de matériau typiquement déposé par ALD est correct ?

  1. AInterconnexions épaisses en cuivre
  2. BRésine photosensible
  3. COxyde d'hafnium des films High-k, nitrure de titane, etc.
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Réponse : C. Oxyde d'hafnium des films High-k, nitrure de titane, etc.

L'ALD contrôle l'épaisseur couche atomique par couche atomique et offre une excellente couverture de marche ; elle est utilisée lorsque des films minces et uniformes sont nécessaires : oxyde d'hafnium des diélectriques de grille High-k, nitrure de titane des grilles métalliques et des barrières, oxyde de zirconium des condensateurs de DRAM, films entourant la couche de piégeage de charge de la 3D NAND, espaceurs du multi-patterning, etc. Dans la logique et la mémoire avancées, la part de l'ALD dans les étapes de dépôt ne cesse de croître.

Quelle description de la couverture de marche (step coverage) en dépôt est correcte ?

  1. AElle exprime l'épaisseur de film déposée sur les flancs et au fond des marches par rapport aux zones planes
  2. BElle exprime la résistance électrique du film
  3. CElle exprime la vitesse de dépôt par minute
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Réponse : A. Elle exprime l'épaisseur de film déposée sur les flancs et au fond des marches par rapport aux zones planes

La couverture de marche exprime, par exemple en pourcentage « épaisseur au fond ÷ épaisseur en surface », la quantité de film déposée sur les flancs et au fond des tranchées ou des trous par rapport aux zones planes. En général, elle est faible pour le PVD comme la pulvérisation, dont les atomes se déplacent en ligne droite (parfois moins de 10 % au fond des trous profonds), élevée pour le CVD, dont la réaction de surface contourne les obstacles, et proche de 100 % pour l'ALD. Pour les barrières et les films de grille, qui exigent un film mince et uniforme dans des trous fins, cet indicateur conditionne le choix de la méthode de dépôt.

  1. Quelle condition améliore la couverture de marche (conformité) en CVD ?
  2. Quelle caractéristique du CVD à basse pression (LPCVD) est correcte ?
  3. Quel est le principal avantage du CVD assisté par plasma (PECVD) ?

Questions d'entraînement sur Dépôt (CVD et PVD)

Termes clés expliqués

ALD
Dépôt de couches atomiques (Atomic Layer Deposition). Méthode de dépôt qui répète des réactions de surface autolimitées de gaz précurseurs pour contrôler l'épaisseur couche atomique par couche atomique.
CVD
Dépôt chimique en phase vapeur. Méthode de dépôt d'un film mince sur la plaquette par réaction chimique de gaz précurseurs.
PECVD (CVD assistée par plasma)
CVD dans laquelle un plasma décompose les gaz précurseurs pour déposer un film. Permet un dépôt à plus basse température que la CVD thermique ; utilisée pour les isolants des interconnexions.

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