隨著台積電 2 奈米預期年底量產，明年（2026 年）下半年正式跨入埃米時代，晶片微縮已達到物理極限，原子層沉積（Atomic Layer Deposition，簡稱 ALD）成為延續摩爾定律、半導體微縮的關鍵技術之一。對此，《科技新報》特地專訪荷蘭半導體製造設備大廠 ASM 技術副總裁 Glen Wilk，幫助讀者更了解 ALD 在製程微縮的重要性。
ALD 為何那麼重要？跟 CVD、PVD 差異在哪？
ALD 主要特性之一是逐層沉積原子，是可以將材料一層一層成長的薄膜製程技術，「你可以想像成下雪，每當只落下一層雪花時，可使沉積非常均勻且擁有良好的覆蓋性」，Wilk 表示，ALD 技術能使沉積沿著邊緣沉積，甚至在底部、側面或上方都能逐層沉積。
相比之下，PVD（物理氣相沉積）則是「直線沉積」，如同箭一樣只能沿著射向（直線路徑）飛，因此無法轉彎或在底部、角落沉積，因此 PVD 的覆蓋能力非常有限，只能往一個方向沉積。
至於 CVD（化學氣相沉積）與 ALD 較為相似，但每次沉積不是單層原子，而是多層原子，雖然具有一定的覆蓋能力、可沉積到凹角，但不如 ALD 精準。Wilk 指出，尤其是特地部分（如底部、角落）進行精確控制時，CVD 就做不到，雖然速度較快，但精準度不如 ALD。
▲ PVD、CVD、ALD 三種沉積方式示意圖。（Source：國家實驗研究院）
當製程走向 2 奈米以下，ALD 技術面臨三大挑戰
隨著 GAA、3D 架構發展，由於深寬比更高、溝槽更深窄，對於沉積覆蓋性、精準度與厚度控制要求更高。Wilk 表示，有些結構會有兩片不同片層，需要頂部和底部都進行沉積，當兩邊可能在中間相遇時，要避免發生「堵塞」（clogging）狀況。以吸管為例，若在吸管內側塗色，很容易卡在前方或入口處，加上內部又細又窄，材料可能堆積上方，難以深入底部，因此塗得均勻且厚薄度控制得當，變得更困難。
第二個挑戰是「區域選擇性沉積」（Area Selective Deposition，簡稱 ASD）。傳統進行 ALD 技術時，會精確且覆蓋所有地方，但現在需求轉向在晶片特定區域沉積，因此「選擇性沉積」和「局部沉積」成為重要技術，能節省後續曝光和加工步驟，從而降低成本。
第三個挑戰是「填縫」（Gap Fill）。若在結構之間填充時，傳統方式會讓兩側材料在中間相遇並形成一條縫隙（Seam），當後續再經歷蝕刻或其他製程，縫隙恐越撐越大，最終導致裂開。解決辦法是透過「無縫隙填充」（Seam-free gap fill）的方式，直接完整填滿中間結構，避免兩側材料碰在一起產生縫隙。
▲ CFET 為圖右的架構，三星稱為 MBCFET。（Source：三星）
這些都是製程微縮下遇到的挑戰，Wilk 表示，ASM 已率先開發選擇性沉積（ASD）技術，幫助客戶有效解決先進製程挑戰，提升製程良率、元件可靠性與整體效能。
他也指出，若進一步走到 CFET 架構，ALD 沉積將面臨更多挑戰，主要在「低溫沉積」和「選擇性沉積」，要求將比 GAA 更嚴格。GAA 挑戰是一層堆疊，而 CFET 是在這上面再堆疊一層（即堆疊兩層以上），如同蓋高樓一樣，如何從上到下實現超薄且均勻的沉積，且不能產生縫隙，是個棘手問題。
此外，CFET 對「低溫沉積」要求更高。過去 GAAFET 架構是一次同時完成製程，所以對高溫處理沒問題；但到 CFET 架構，可能面臨需先製造上面兩層、再進行下面兩層，而製作新結構時需要高溫，使得已完成的舊結構需面臨二次高溫，恐導致損壞或性能退化。此外，低溫沉積又會面臨元素（如碳）殘留問題，亦是挑戰之一。
▲ 從上圖可知，CFET 架構的溝槽更得深窄，沉積也變得棘手。（Source：台積電）
化學材料＋硬體雙引擎！ASM 靠研發團隊維持 ALD 技術領先
針對這些挑戰，ASM 決定從材料和硬體設備下手找尋新解方。該公司旗下的企業研發部（Corporate R&D，簡稱 CRD）負責開發先進化學與製程解決方案。一部分團隊位於芬蘭，與赫爾辛基大學合作，主要著重在材料開發、前驅物篩選以及新路徑探索；另一團隊與半導體研發中心 imec 合作，進一步驗證和模擬真實環境測試。
這些團隊專注於研究新的化學反應與新分子，以克服目前特定區域沉積、堵塞問題。Wilk 強調，這需要大量全新的化學配方與創新，這也是 ASM 獨有的優勢。此外，做為 ALD 領先設備供應商，ASM 也在改善硬體設計，使其與新化學配方、新分子與新解決方案相匹配，並有效輸送化學物質，使其能在晶圓上達到均勻覆蓋，同時保持高效率與高速度。
「ASM 早在 1999 年收購芬蘭公司 Microchemistry，而 ALD 技術正是由這間公司發明，ASM 也傳承了這項專業能力。」Wilk 認為，化學專業是 ASM 優勢之一，能根據這些化學特性去設計對應的硬體設備是另一大優勢，「透過化學與硬體的結合，正是我們一直保持領先、並視為核心差異化的關鍵所在」。
全面布局新材料研發，ASM 瞄準無縫隙填充、低溫沉積與選擇性沉積
ASM 研究重點包括各類型填隙材料（二氧化矽、氮化矽）、新型閘極堆疊材料（功函數金屬與偶極）、高導熱絕緣層、新型接觸材料、低溫磊晶、矽/矽鍺 3D DRAM 磊晶堆疊等，也針對各種薄膜進行研究，解決客戶在上述製程中遇到的問題。
此外，ASM 旗下也有負責規劃先進技術的前瞻部門，與客戶密切合作，探索潛在解決方案。目前公司正著手開發新材料，例如能快速導熱、有效散熱的材料，以及開發在極薄條件下依然運作良好（如良好絕緣或導電）的新材料，以取代傳統較厚的膜層，另在化學前驅物也有諸多合作。
透過 CRD 早期合作，ASM 能及早了解客戶需求並測試解決方案，可在真實環境中不斷「測試與學習」，提高成功率，提前向客戶推廣開發的新材料層，這是 ASM 獨有的橫向/企業級的研發，也是公司的差異化優勢。
Wilk 表示，不管是「無縫隙填充」、「低溫沉積」或者「選擇性沉積」，都是目前競爭最激烈的領域。ASM 已持續進行化學材料的開發，搭配專門與之相匹配的硬體設計，且可簡化製程步驟、大幅提升產能，進一步為客戶節省成本。
除了 ALD 外，磊晶也成為 GAA 時代下一大難題
在摩爾定律持續推進製程微縮，FinFET 時代電晶體通道的厚度主要由微影與蝕刻決定；隨著技術演進至 GAA 架構，矽通道則改由具備原子級精準度的磊晶製程直接生長而成。
Wilk 表示，當來到 GAA 時代，磊晶會面臨「低溫」與「生長奈米片（Nanosheet）」兩大挑戰，前者因背面供電技術，使溫度控制更困難，加上低溫環境容易引入雜質，導致品質下滑，成關鍵挑戰之一；後者在建構通道製程時，必須交替生長磊晶，製作出間距分開的多個矽通道，這又涉及到界面銳利度（Interface Sharpness）問題。
對此，ASM 也將技術延伸至磊晶領域，強調公司磊晶設備的硬體設計與競爭對手不同，能在低溫下實現更好控制，同時沉積出非常均勻且高品質的薄膜。在先進封裝的「混合鍵合」（Hybrid Bonding）部分，ASM 可提供混合鍵合層及相關表面處理技術，另在晶粒堆疊整合過程中，須透過高導熱性的絕緣層來散熱，也成為 ASM 另一大機會。
「台灣團隊對 ASM 來說非常重要！」ASM 指出，台灣做為全球半導體產業的核心樞紐，一直都是公司業務發展策略中最不可或缺的一部分，去年啟用新竹辦公室將聚焦研發與客戶支援，而台南也設有培訓中心，負責支援本地需求及培育其他國家工程師的培訓中心；至於全球布局部分，ASM 目前主要製造基地位於新加坡、第二製造中心位於韓國，現有產能相當充足。為了因應目前政經狀況，ASM 也將於 2027 年在美國新增研發單位據點，做為新工具測試地點。
（首圖來源：科技新報）
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