原子層沉積(ALD)製程領域正在展開一場革命，就半導體而言，這意味著材料沉積方式(如果是原子層蝕刻(ALE)則為蝕刻)發生了根本改變。空間(Spatial) ALD正成為記憶體先進選擇性製程和邏輯製程的關鍵技術。然而，透過空間ALD最佳化來實現其全部潛力極具挑戰性，而且需要嶄新的計量學解決方案來提供一致的成果。
ALD的使用量高於核心半導體產業的成長率，因為先進的記憶體和邏輯製程需要愈來愈多的ALD使用量，以利提供具有高一致性的精密材料沉積，從而能實現新一代的密度和性能。隨著製程節點縮小，對於精確控制和保形(conformal)薄膜的需求，亦隨著製程公差趨於嚴格而提高。如今，許多薄膜的厚度不到20個原子，每個製程節點的進步，都會對薄膜沉積關鍵產量相關的製程極限施加進一步的壓力。
與其他沉積解決方案相比，更進一步的空間ALD具有幾個明顯的優勢：高保形塗層、高沉積率(其他ALD的10~100倍)、低溫、低真空或無真空。這些特點結合在一起，提供了具有成本效益、高產量、高良率和高精準度材料沉積製程技術的優勢，而這正是半導體產業實現先進架構記憶體和邏輯製程所需要的。ALD可以透過現今的三種核心技術實現，即等電漿輔助ALD (PE-ALD)、加熱型ALD和空間ALD (加熱型ALD的一種變體)。電漿輔助ALD有多種變化，不同程度地使用直流電漿、遠距電漿和自由基，透過增加沉積率來提高製程產量。
半導體產業關心薄膜發展有三個關鍵指標：在尖端技術應用中，第一個也是最重要的問題是沉積高度均勻或保形塗層的問題。這也可以被認為是關於「邊邊角角」或覆蓋的問題。眾人期待的是均勻的薄膜，沒有空隙、針孔、鳥嘴效應、厚度不均或在沉積時位移。所有表面(包括側壁和懸空「陰影區」的表面)的均勻或保形覆蓋，對於生產一致且統一的機械和電氣規格至關重要。
其次，保形塗層的沉積率亦決定了ALD製程的產量和效率。ALD製程通常在每個多秒的ALD單位製程週期中，僅沉積一個原子層(或單層)，因為這是表面積自限制製程。使用高保形加熱型ALD製程製作出50奈米(nm)的薄膜，可能涉及數十個ALD循環。每個單原子ALD沉積週期持續數秒，因此一個50奈米薄膜沉積製程步驟可能需要幾分鐘才能完成。如果是7奈米製程上簡單的高介電係數介電層沉積，2~5分鐘的單位製程可能對產量而言影響不大，但如果要在3D-NAND結構中沉積170多層交替的氧化物和氮化物(圖1)，那麼產出效率便會成倍增加，且對晶圓廠最佳化和盈利能力至關重要。價值1,000萬美元的ALD製程工具以7年折舊表來算，每秒製程時間的成本超過50美分。
圖1：沉積對3D-NAND ON堆疊結構的影響。
(來源：LAM Research)
層狀氧化物-氮化物(O-N)堆疊的厚度一致性和均勻性，對於電氣性能(和每個儲存元件可以可靠實現的位元數)，以及後續用於連接位元線的「階梯式蝕刻」高良率都至關重要。
同樣地，在DRAM記憶體技術中，性能和密度取決於構成每個DRAM位元的電容器儲存元件的結構。高介電薄膜使用氧化鉿或在氮化鈦、氧化鋁或氧化鉭層之間夾著越來越多的氧化鋯，來形成高密度和高性能電容器結構，完全依賴ALD薄膜沉積。DRAM記憶體性能和產量，與ALD薄膜層建構出來的DRAM電容器結構的均勻性緊密相關。ALD製程非常緩慢，因此，只要能夠保持沉積材料的一致性，提高產量非常可取。
最後，薄膜的污染程度或純度也會決定其電性能和產品良率。點狀缺陷會隨著多層沉積而被放大，防止懸浮微粒(特別是源於腔室過度清潔)的腔室管理，是確保ALD薄膜一致和保形的關鍵。同樣重要的是，前體和反應氣體之間的反應只發生在晶圓表面。這些氣體如果在腔室中(而非在晶片表面)混合，會創造出不受控制的化學氣相沉積(CVD)製程，而非理想的ALD製程，這可能導致懸浮微粒、材料結塊和不均勻材料沉積造成的斑點缺陷。
空間ALD高產量保形塗層
晶圓製造商面臨的主要挑戰是，如何減少每層ALD的沉積時間，因為他們需要在邏輯製程中不斷增加記憶體堆疊或帶狀場效電晶體(FET)中的層數。ALD產量對於3D-NAND每位元成本的經濟性，以及滿足固態儲存需求的指數增長十分關鍵。從根本上而言，需要一種更有效的ALD方法，而空間ALD正在成為該解決方案。
空間ALD (圖2的鋁沉積)與其他ALD技術不同，晶圓是在製程腔室的氣源下旋轉，而不是將氣體依次注入有著靜態晶圓的製程腔室中。透過在前體和反應氣體下依次旋轉晶圓，可以實現高產量且高保形的塗層(高達加熱型ALD製程的100倍)。然而，空間ALD並不是沒有重大挑戰。
使用氣幕在前體氣體和反應氣體之間建立吹掃氣體區十分困難。此外，晶圓台的旋轉速度需要最佳化，防止不必要的「渦流」氣體混合(而使製程更像CVD而非ALD)，同時最大限度地提高產量。反應氣體輸送和腔室內氣體濃度變化，使過程進一步複雜化的管理。
圖2：(a)空間ALD反應器概念示意圖，其中前體TMA (三甲基鋁是一種有機鋁化合物，化學式為Al2(CH3)6)和反應氣體(水)半反應區，由氣體軸承/吹掃區隔開。(b)空間ALD反應器頭部的底面示意圖，其中前體(TMA)和反應物(水)半反應區整合至由排氣區和氣體軸承/吹掃平面包圍的入口。(c)反應器示意圖。將反應器頭部和旋轉基板台及其中間的基板放置在對流爐中。基板台由伺服馬達旋轉，並由驅動軸連接。
(來源：荷蘭特文特大學名譽教授Fred Roozeboom)
新的製程技術需要新的製程計量學
為了控制和最佳化空間ALD製程，需要一種全新的原位計量學。空間ALD有獨特的計量要求：
速度和靈敏度是追蹤快速變化之氣體濃度和副產品終端點的關鍵。在100Hz採樣率要求下，PPM等級靈敏度很具代表性；
由於在製程中不使用電漿或遠距電漿，所以無法使用光譜分析儀；
腐蝕性氣體是常見的副產品，也需要頻繁地清潔腔室；
量化氣體是氣體濃度管理的理想要求。
Atonarp的Aston Impact和Aston Plasma已成功用於多家空間ALD原始設備製造商(OEM)，這些設備用於管理生產工具的空間ALD製程。Aston系列的原位計量解決方案提供獨特的功能，以利實現可操作的空間ALD製程控制：
在更快的採樣率下，Aston的雙曲線四極桿感測器，能夠提供比傳統RGA質譜儀高2~3倍的靈敏度；
Aston的可選整合電漿游離源，可以辨別並量化具有腐蝕性氣體的高壓ALD製程。穩健的電漿游離源可以延長日常維護的時間間隔，並且降低頻繁更換電子撞擊離子化燈絲的需要；
高度整合裝置，具有分流泵送能力、整合控制電子設備，包括數位和類比I/O，以及可選的雙(電漿和電子撞擊)游離源，採用領先業界的外形尺寸。
圖3為並排原位計量靈敏度的比較。採用更高速度的採樣中，Aston在檢測端點的靈敏度可高達20倍。即使採用低訊噪比(亦即觀察低階的副產品氣體)，也是如此。圖中紅色=離子電流，藍色= EPD的差值(一階導數)。
圖3：並排原位計量靈敏度的比較。端點檢測(簡稱EPD)中的傳統RGA質譜儀(左)與Atonarp Aston (右)。
新一代原位計量學實現空間ALD
若要使空間ALD發揮其商業潛力，關鍵在於實現最佳化的製程控制。
具有PPM靈敏度的高速原位採樣，是Atonarp的Aston產品目前在生產ALD應用中的一項關鍵要求。除了ALD製程計量(圖4中的2、3和4)，Aston還被用於多達5個額外的腔室計量和製程控制活動，提供端對端的製程洞察力，且沒有任何妥協。從加快基本的真空腔排氣(pump down)洩漏檢測(1)和預深層清潔腔室安全吹掃(6)的預防性維護活動，到減少溫室氣體(5)(三氟化氮加劇溫室效應是二氧化碳的17,200倍)，並在頻繁的腔室清潔循環期間增加產量。
圖4：Atonarp的Aston Impact和Plasma正為整個製程計量需求提供了極具洞察力的見解。
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