王祥任、許義龍、藍文正、李裕安 / 抱樸科技
原子層氣相沉積(ALD)與原子層氣相蝕刻(ALE)是目前半導體先進製程中的關鍵技術。ALD自1970年代開始發展，因其具備高精準薄膜厚度與高階梯覆蓋率特性，廣泛應用於High-k金屬閘極、3DNAND、TSV/TGV封裝、太陽能電池及2D材料等。而ALE則在2000年後逐漸成熟，透過自限性反應實現原子級精準度蝕刻，應用於GAA/FinFET結構蝕刻、高深寬比蝕刻以及二維材料的層數控制。未來，ALD將面臨沉積速率與前驅體限制，ALE的挑戰則為材料選擇比與量產效率。將兩者結合成ALD-ALE超循環(ALD-ALE Supercycle)，有望成為次世代2 nm的關鍵技術與二維材料元件製程的核心。
【內文精選】
原子層氣相蝕刻技術
ALE基本上是從ALD技術衍生出來的逆向反應，與ALD不同的地方在於ALE是原子級的單層蝕刻，利用重複的循環反應精準地一層層進行原子層等級的蝕刻。從圖三中可以看到，ALE與ALD同樣都是需要四個程序來完成一個循環，核心原理都是Self-limiting，確保厚度控制在原子層等級。其差別在於ALE的第一步驟是表面改質(Surface Modification)，在材料表面吸附蝕刻性物質，使其轉化為更易揮發或更易去除的狀態。常見方式有氟化改質：例如在Si表面引入F，形成Si–F鍵；或是氯化改質：例如在金屬或氧化物表面引入Cl。在表面改質完後，第二步驟同樣為將多餘的氣體移除，接下來第三步驟則是活化與移除(Activation + Desorption)，藉由物理能量（離子轟擊、熱能）將修飾後的原子層逐層去除，以確保每次只移除單層或次單層厚度。第四步驟同樣是將多餘的氣體以及蝕刻後的副產物移除。
圖三、ALE和ALD反應程序示意圖
另一種常見的原子層蝕刻則是採用電漿式ALE (Plasma-enhanced ALE; PE-ALE)。首先把蝕刻氣體用電漿解離（如Cl2、SF6）來對材料表面做改質，然後再用低能量的離子轟擊（如Ar+），進而將表面改質層移除。PE-ALE的優點為速率較快，並且較容易控制離子能量達到蝕刻選擇性，且可蝕刻的材料種類較為廣泛，但其缺點是相較T-ALE的表面損傷稍微大。除此之外，PE-ALE由於利用基板偏壓來加速離子的撞擊，因此蝕刻方向偏向非等向性蝕刻；而T-ALE是利用表面的自限性反應，因此屬於等向性蝕刻。
相較於傳統的反應式離子蝕刻RIE(Reactive Ion Etching)，ALE蝕刻速率雖然慢，但是蝕刻厚度的精準度較高並且表面損傷較小，使表面能夠在蝕刻後維持低粗糙度（圖四）---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、GaAs磊晶層表面經過PE-ALE蝕刻後表面粗糙度改變，由蝕刻前的Ra = 1.63 nm，經過100 Cycles的PE-ALE蝕刻製程後，Ra減少至0.3 nm
★本文節錄自《工業材料雜誌》467期，更多資料請見下方附檔。