Atoomlaagdepositie. Depositiemethode waarbij zelflimiterende oppervlaktereacties van precursorgassen worden herhaald, zodat de laagdikte per atoomlaag wordt geregeld.
Japanse benaming: ALD
“ALD (atomic layer deposition)” komt voor in 17 oefenvragen uit 7 onderwerpen, bijv. Laagafzetting (CVD, PVD), Geavanceerde transistoren (FinFET, GAA), DRAM.
Vakgebied: Laagafzetting (CVD, PVD)
Atomic layer deposition (ALD) splitst een CVD-reactie op in twee halfreacties die in de tijd gescheiden zijn. Een precursor zoals trimethylaluminium (TMA) wordt gedoseerd en chemisorbeert op oppervlakteplaatsen totdat die bezet zijn; overtollig gas wordt weggespoeld (purge); een co-reactant zoals water reageert vervolgens met de geadsorbeerde laag, waarna een tweede purge volgt. Omdat elke halfreactie stopt zodra het oppervlak verzadigd is, ligt de groei per cyclus vast, meestal ongeveer 0,1 nm of minder, omdat omvangrijke precursormoleculen naburige plaatsen afschermen. De laagdikte wordt eenvoudig ingesteld door cycli te tellen.
Zelflimiterende groei geldt alleen binnen een temperatuurbereik dat het ALD-venster heet. Is het te koud, dan condenseren precursors of reageren ze onvolledig; is het te heet, dan ontleden ze en groeien ze CVD-achtig, of desorberen de geadsorbeerde deeltjes. Binnen het venster is de groei per cyclus vrijwel constant, voor Al2O3 uit TMA en water ongeveer 150–300 °C. De keuze van de precursor verschuift het venster: HfO2 kan worden gegroeid uit HfCl4, dat stabiel is rond 300 °C maar chloor kan achterlaten, of uit organometaalverbindingen zoals TEMAHf, die bij lagere temperatuur reageren maar koolstof kunnen achterlaten. Zulke residuen beïnvloeden de drempelspanning en de betrouwbaarheid.
Omdat de groei wordt bepaald door oppervlakteverzadiging en niet door gastransport, bereikt ALD een step coverage van bijna 100% en bedekt het de zijwanden en bodems van structuren met aspectverhoudingen van enkele tientallen. Sputteren laat op de bodem van diepe gaten soms minder dan 10% van de dikte bovenop achter, en CVD zit daartussenin. Daarom wordt ALD gebruikt voor high-k HfO2-gatediëlektrica, TiN voor metal gates en barrières, ZrO2/Al2O3/ZrO2-stapels in DRAM-condensatoren, de gatestack rond GAA-nanosheets en de spacers in self-aligned double en quadruple patterning.
De keerzijde is de snelheid: een cyclus duurt seconden tot tientallen seconden, zodat enkele nanometers tientallen cycli vergen. Batchreactoren en spatial ALD, waarbij wafers door gescheiden gaszones bewegen, verhogen de doorvoer. Plasma-enhanced ALD (PEALD) gebruikt radicalen in de reactantstap om te deponeren bij kamertemperatuur tot enkele honderden °C en om lagen zoals SiN mogelijk te maken, met enig verlies aan conformaliteit in diepe structuren omdat radicalen recombineren. Atomic layer etching (ALE) past hetzelfde zelflimiterende principe toe op het verwijderen van materiaal.
Antwoord: B. Door zelfbeperkende oppervlaktereacties van precursors te herhalen kan de laagdikte op atomair niveau worden geregeld
Bij ALD wordt een cyclus herhaald waarin een brongas (precursor) wordt toegevoerd dat slechts één laag aan het oppervlak adsorbeert, overtollig gas door purge wordt verwijderd en vervolgens een reactiegas wordt toegevoerd dat reageert. Zodra de reactieve plaatsen op het oppervlak bezet zijn, stopt de reactie (zelfbeperkend), zodat de laagdikte met circa 0,1 nm per cyclus nauwkeurig kan worden geregeld en ook in diepe sleuven met een aspectverhouding van tientallen gelijkmatig kan worden afgezet. Daar staat tegenover dat de depositiesnelheid laag is.
Antwoord: C. Hafniumoxide en titaniumnitride en dergelijke als High-k-lagen
Met ALD kan de laagdikte per atoomlaag worden geregeld en is de stapdekking uitstekend, zodat het wordt gebruikt voor toepassingen die dunne, gelijkmatige lagen vereisen: hafniumoxide als High-k-gate-isolator, titaniumnitride voor metaalgates en barrièrelagen, zirkoniumoxide voor DRAM-condensatoren, lagen rond de ladingopslaglaag van 3D NAND en spacers voor multipatterning. In geavanceerde logica en geheugens neemt het aandeel van ALD in de depositiestappen voortdurend toe.
Bij CVD zijn alle reactanten tegelijk aanwezig en groeit de laag continu met een snelheid die door temperatuur en gastoevoer wordt bepaald. Bij ALD worden de reactanten afzonderlijk toegevoerd met purges ertussen, zodat elke stap zelflimiterend is en de dikte door het aantal cycli wordt bepaald.
Meestal ongeveer 0,1 nm, dus één atoomlaag of minder. Een laag van 2 nm vergt daarom in de orde van 20 cycli.
Elke cyclus vereist twee precursordoseringen en twee purges die het oppervlak volledig moeten verzadigen en daarna volledig moeten vrijmaken, wat seconden of langer duurt, terwijl er slechts een fractie van een nanometer bijkomt.
Bij ALD wordt een cyclus herhaald waarin een brongas (precursor) wordt toegevoerd dat slechts één laag aan het oppervlak adsorbeert, overtollig gas door purge wordt verwijderd en vervolgens een reactiegas wordt toegevoerd dat reageert.
Welke uitspraak over ALD (atomic layer deposition) is juist?Met ALD kan de laagdikte per atoomlaag worden geregeld en is de stapdekking uitstekend, zodat het wordt gebruikt voor toepassingen die dunne, gelijkmatige lagen vereisen: hafniumoxide als High-k-gate-isolator, titaniumnitride voor metaalgates en barrièrelagen, zirkoniumoxide voor DRAM-condensatoren, lagen rond de ladingopslaglaag van 3D NAND en spacers voor multipatterning.
Welk voorbeeld van materialen die kenmerkend met ALD worden…Bij PEALD wordt in de reactiestap plasma gebruikt om zeer reactieve radicalen van zuurstof, stikstof en waterstof te maken, zodat bij een lagere temperatuur dan bij thermische ALD (kamertemperatuur tot enkele honderden °C) kan worden afgezet en ook materiaalcombinaties die thermisch moeilijk reageren (zoals SiN en TiN) mogelijk zijn.
Wat is een voordeel van plasma-ALD (PEALD)?Bij ALD wordt per cyclus ongeveer één atoomlaag of minder afgezet, rond 0,1 nm, en bij grote brongasmoleculen wordt het oppervlak niet volledig bedekt en blijft het soms onder één laag.
Welke richtwaarde voor de laagdikte die in één ALD-cyclus w…Bij ALD condenseert de bron of reageert onvoldoende wanneer de temperatuur te laag is, en bij een te hoge temperatuur ontleedt de bron thermisch en ontstaat CVD-achtige groei, of desorberen geadsorbeerde moleculen.
Hoe heet het temperatuurbereik waarin bij ALD de laagdikte …CVD Aspectverhouding Plasma Numerieke apertuur (NA) FinFET GAA (gate-all-around) Sputteren Precursor (voorloper) 3D NAND Drempelspanning (threshold voltage)