Atomic Layer Deposition

Die Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition, ALD) ist ein stark verändertes CVD-Verfahren zur Abscheidung von dünnen Schichten.

Verschiedene Namen ein Prinzip, die Atomlagenabscheidung^[1]

Bezeichnung	Abkürzung
Atomic layer deposition	ALD
Atomic layer epitaxy	ALE
Atomic layer evaporation	ALE
Atomic layer growth	ALG
Chemical assembly
Molecular deposition
Molecular lamination
Molecular layer epitaxy	MLE
Molecular layering	ML
Molecular stratification

Geschichte

Entwickelt wurde ALD bereits Ende der 1970er, damals noch unter dem Namen Atomlagenepitaxie (atomic layer epitaxy, ALE) ^[2]. Damals wurde nach einer Methode gesucht, um hochwertige Schichten auf großflächigen Substraten beispielsweise für Dünnfilmelektrolumineszenz-Anzeigen (TFEL) herzustellen.

In den 1980er Jahren führte die Aussicht, ALD auch für epitaktische Halbleiter zu nutzen, zu großen Investitionen in diesem Bereich. Wegen der chemischen Unverträglichkeit von Alkylverbindungen der Hauptgruppe III und Hydriden der Hauptgruppe V brachte die ALD aber keine echten Vorteile gegenüber der Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE).

Erst Mitte der 1990er Jahre fand ALD wieder stärkere Beachtung als eine aussichtsreiche Fertigungstechnik in der siliziumbasierten Mikroelektronik. Hauptgründe dafür sind die fortschreitende Strukturverkleinerung und höhere Ansprüche an die Aspektverhältnisse bei integrierten Schaltkreisen. Damit verbunden ist die Suche nach neuen Materialien und Abscheidungstechniken wie ALD.

Prinzip

Schematische Darstellung eines ALD-Reaktionszyklus’ für ein ALD-System aus zwei Komponenten.

Wie bei anderen CVD-Verfahren wird auch bei der ALD die Schichtbildung über eine chemische Reaktion mindestens zweier Ausgangsstoffe (sogenannte Prekursor) realisiert. Im Unterschied zu herkömmlichen CVD-Verfahren werden bei der ALD die Ausgangsstoffe zyklisch nacheinander in die Reaktionskammer eingelassen. Zwischen den Gaseinlässen der Ausgangsstoffe wird die Reaktionskammer normalerweise mit einem Inertgas (z. B. Argon) gespült. Auf diese Weise sollen die Teilreaktionen klar voneinander getrennt und auf die Oberfläche begrenzt werden. Wesentliches Merkmal der ALD ist der selbst begrenzende Charakter der Teilreaktionen, das heißt, der Ausgangsstoff einer Teilreaktion reagiert nicht mit sich selbst oder Liganden von sich selbst, was das Schichtwachstum einer Teilreaktion bei beliebig langer Zeit und Gasmenge auf maximal eine Monolage begrenzt.

Das einfachste ALD-Verfahren ist ein zweikomponentiges System (z. B. für Ta₂O₅ die Komponenten TaCl₅ und H₂O). Die beiden Komponenten werden nun, wie oben beschrieben, abwechselnd und getrennt durch Spülschritte in die Kammer geleitet. Es ergeben sich folgenden vier charakteristische Schritte

1. Eine selbst begrenzende Reaktion des ersten Reaktanden (Reaktant A, TaCl₅)
2. Ein Spül- oder Evakuierungsschritt (der Reaktionskammer) um nicht reagiertes Gas des ersten Reaktanden und Reaktionsprodukte zu entfernen
3. Eine selbst begrenzende Reaktion des zweiten Reaktanden (Reaktant B, H₂O) bzw. eine anderer Schritt (z. B. Plasmabehandlung) um die Oberfläche wieder für die erste Reaktion zu aktivieren
4. Ein Spül- oder Evakuierungsschritt

Zusammengefasst werden diese vier Schritte zu einem sogenannten (Reaktions-)Zyklus, der im Verlauf des Beschichtungsprozesses mehrmals wiederholt werden muss, um die gewünschte Schichtdicke zu erreichen. Im Idealfall läuft jeder Einwirkungschritt vollständig ab, d. h., die Vorstufenmoleküle (Prekursor) chemisorbieren oder reagieren mit den Oberflächengruppen bis die Oberfläche vollständig belegt ist. Danach findet keine weitere Adsorption statt (Selbstbegrenzung). Das Schichtwachstum ist unter diesen Reaktionsbedingungen selbstkontrollierend, d. h., die Menge des in jedem Reaktionszyklus abgeschiedenen Schichtmaterials ist konstant.

Je nach Verfahren und Reaktor dauert ein Zyklus zwischen 0,5 und einigen Sekunden, wobei pro Zyklus 0,1 bis 3 Å an Filmmaterial erzeugt werden (stark abhängig vom Materialsystem und den Prozessparametern). In der Realität bedeutet dies, dass eine geschlossene Schicht des Zielmaterials nicht mit einem Zyklus erreicht werden kann, der Begriff Atomlagenabscheidung ist daher unter Umständen etwas irreführend Atomlagenabscheidung. Für die verminderte Abscheiderate – meist angegeben in GPC, was für englisch growth per cycle (Wachstum pro Zyklus) steht – gibt es zwei wesentliche Gründe:

1. Durch die räumliche Ausdehnung der Ausgangsstoffe bzw. dessen adsorpierten Liganden kommt es zur sogenannten sterischen Hinderung, die bewirkt, dass Teile der Oberfläche abgeschirmt werden und so eine Adsorption an dieser Stelle verhindern.
2. Unvollständige Teilreaktionen, wodurch weniger Reaktionsstellen an der Oberfläche zur Verfügung stehen, also Bereiche entstehen die nicht an der Teilreaktion teilnehmen können.

Zusätzlich kann es auch zu Rückätzungen beispielsweise durch die Reaktionsprodukte halogenhaltiger Prekursoren oder durch den Ionenbeschuss beim Einsatz von (Direk-)Plasma.

Trotz der erwähnten Probleme/Nachteile ergeben zusammengefasst mehrere Vorteile der Abscheidung von dünnen Schichten für mittels ALD:

• Die Schichtdicke hängt nur von der Zahl der Reaktionszyklen ab, was eine exakte und einfache Steuerung der Schichtdicke ermöglicht.
• Niedrigere Anforderungen an die Homogenität des Gasflusses als bei der CVD, daher eignet sich die ALD für die Beschichtung großer Flächen.
• Die separate Dosierung der Vorstufen verhindert Gasphasenreaktionen und ermöglicht den Einsatz hochreaktiver Vorstufen.
• Durch die feste Dosierung bleibt jedem Reaktionsschritt genügend Zeit zur Vervollständigung, dies ermöglicht hochreine Schichten auch bei relativ niedrigen Temperaturen.

Weblinks

• ALD Animation. Cambridge NanoTech, 2008. Abgerufen am 11. Apr. 2009. ( Adobe Flash, englisch, Animation des ALD-Prozesses)

Einzelnachweise

1. ↑ Riikka L. Puurunen: Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum/water process. In: Journal of Applied Physics. 97, Nr. 12, 2005, S. 121301-01 (doi:10.1063/1.1940727). 
2. ↑ T. Suntola, J. Antson: Method for producing compound thin films. U.S.-Patent 4 058 430, Anmeldungsdatum: 25. Nov. 1975, Veröffentlichungsdatum: 15. Nov. 1977.

Literatur

• Riikka L. Puurunen: Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum/water process. In: Journal of Applied Physics. 97, Nr. 12, 2005, S. 121301-01 (doi:10.1063/1.1940727).