工艺技术|DARPA资助下，美国科罗拉多州立大学采用原子层淀积方法，实现超薄半导体材料合成重大突破

作为美国国防先期研究计划局（DARPA）“材料合成本地控制”项目的一部分，美国科罗拉多州立大学波尔得分校开发了一种新型电子增强型原子层淀积（EE-ALD）方法，用于在室温下合成超薄材料（现在的方法要求温度达到800℃以上）。

研究内容

美国科罗拉多州立大学研究出室温下淀积硅和氮化镓（GaN）薄膜的方法，且能够通过控制原子层淀积（ALD）期间的电子能量来选择性淀积或刻蚀特定材料，实现三维立体精确控制（对于按要求生长越来越小尺寸的器件很关键）。

图  27℃下，采用电子增强型原子层淀积方法在硅衬底上淀积的GaN薄膜

这种在室温下，利用电子来选择性移除（刻蚀）已淀积的材料的方法史无前例，而且能够提高薄膜质量。团队还探索了其他方法来刻蚀氮化铝和氧化铪等特定材料，发现这种方法可以选择性刻蚀复合材料中的特定材料，有望替代传统利用掩模板的刻蚀方法。

科罗拉多州立大学团队还专门建立了淀积实验室来展示EE-ALD工艺，在该实验室，可以在商用6英寸硅晶圆上淀积或刻蚀多种材料构成的薄膜。从原理上看，该种方法可用于更大尺寸的晶圆衬底，且可一次处理多个晶圆。研究人员正努力研究EE-ALD工艺中的众多参数，希望更好的控制三维薄膜成分和特性。

研究意义

因为在高温下薄膜微电子产品将丧失关键功能，所以无法通过传统方法制造薄膜微电子产品，而该进展则为薄膜微电子制造开辟了道路。

有望替代传统利用掩模板的刻蚀方法实现器件制造过程中的材料刻蚀。

DARPA项目经理Tyler McQuade表示：“未来，EE-ALD将不仅用于合成各种不相容的材料，也将用于在原子级制造和刻蚀器件，随着集成电路尺寸的缩小，这种能力将越来越重要。”

联合研究单位

美国海军研究实验室（NRL）和美国国家标准和技术研究院（NIST）。

“材料合成本地控制”项目背景和进展 

涂覆层、薄膜和先进表面对于系统、器件和国防部（DoD）任务的关键技术而言非常重要。尽管已研究了几十年，但仍无法通过控制毫米级材料结构和属性实现表面淀积原子。例如，高质量的薄膜结构通常需要通过高温淀积或退火来控制，但这种高温超过了许多DoD任务相关衬底材料的温度限制。

DARPA的“材料合成本地控制”项目正在开发新方法和工具，迈出室温或接近室温条件下实现有序淀积材料第一步。目前的创新方法包括：

（1）开发新的高通量/低温等离子，用于大尺寸制造工艺；

（2）开发新的原子层淀积策略，促进薄膜淀积。