随着台积电2nm即将在今年年底量产，2026年下半年则将正式跨入埃米时代，芯片微缩即将达到物理极限，原子层沉积（Atomic Layer Deposition，简称“ALD”）将成为延续摩尔定律、半导体微缩的关键技术之一。 对此，台媒Technews专访荷兰半导体制造设备大厂ASM国际（又称“ASMI”）技术副总裁Glen Wilk，介绍了ALD在制程微缩方面的重要性。
ALD何那么重要？ 跟 CVD、PVD 差异在哪？
ALD 主要特性之一是逐层沉积原子，是可以将材料一层一层成长的薄膜制程技术，“你可以想像成下雪，每当只落下一层雪花时，可使沉积非常均匀且拥有良好的覆盖性”，Wilk 表示，ALD 技术能使沉积沿着边缘沉积，甚至在底部、侧面或上方都能逐层沉积。
相比之下，PVD（物理气相沉积）则是“直线沉积”，如同箭一样只能沿着射向（直线路径）飞，因此无法转弯或在底部、角落沉积，因此PVD的覆盖能力非常有限，只能往一个方向沉积。
至于CVD（化学气相沉积）与ALD较为相似，但每次沉积不是单层原子，而是多层原子，虽然具有一定的覆盖能力、可沉积到凹角，但不如ALD精准。 Wilk 指出，尤其是特地部分（如底部、角落）进行精确控制时，CVD 就做不到，虽然速度较快，但精准度不如 ALD。
▲ PVD、CVD、ALD 三种沉积方式示意图
当制程走向2纳米以下，ALD技术面临三大挑战
随着GAA、3D架构发展，由于深宽比更高、沟槽更深窄，对于沉积覆盖性、精准度与厚度控制要求更高。 Wilk 表示，有些结构会有两片不同片层，需要顶部和底部都进行沉积，当两边可能在中间相遇时，要避免发生“堵塞”（clogging）状况。 以吸管为例，若在吸管内侧涂色，很容易卡在前方或入口处，加上内部又细又窄，材料可能堆积上方，难以深入底部，因此涂得均匀且厚薄度控制得当，变得更困难。
第二个挑战是“区域选择性沉积”（Area Selective Deposition，简称 ASD）。 传统进行ALD技术时，会精确且覆盖所有地方，但现在需求转向在芯片特定区域沉积，因此“选择性沉积”和“局部沉积”成为重要技术，能节省后续曝光和加工步骤，从而降低成本。
第三个挑战是“填缝”（Gap Fill）。 若在结构之间填充时，传统方式会让两侧材料在中间相遇并形成一条缝隙（Seam），当后续再经历蚀刻或其他制程，缝隙恐越撑越大，最终导致裂开。 解决办法是通过“无缝隙填充”（Seam-free gap fill）的方式，直接完整填满中间结构，避免两侧材料碰在一起产生缝隙。
▲ CFET 为图右的架构，三星称为 MBCFET
这些都是制程微缩下遇到的挑战，Wilk表示，ASM已率先开发选择性沉积（ASD）技术，帮助客户有效解决先进制程挑战，提升制程良率、组件可靠性与整体效能。
他也指出，若进一步走到CFET架构，ALD沉积将面临更多挑战，主要在“低温沉积”和“选择性沉积”，要求将比 GAA 更严格。 GAA 挑战是一层堆叠，而 CFET 是在这上面再堆叠一层（即堆叠两层以上），如同盖高楼一样，如何从上到下实现超薄且均匀的沉积，且不能产生缝隙，是个棘手问题。
此外，CFET对低温沉积要求更高。 过去GAAFET架构是一次同时完成制程，所以对高温处理没问题; 但到CFET架构，可能面临需先制造上面两层、再进行下面两层，而制作新结构时需要高温，使得已完成的旧结构需面临二次高温，恐导致损坏或性能退化。 此外，低温沉积又会面临元素（如碳）残留问题，亦是挑战之一。
▲ 从上图可知，CFET 架构的沟槽更得深窄，沉积也变得棘手。 （Source：台积电）
化学材料+硬件双引擎！ ASM靠研发团队维持ALD技术领先
针对这些挑战，ASM决定从材料和硬件设备下手找寻新解方。 该公司旗下的企业研发部（Corporate R&D，简称CRD）负责开发先进化学与制程解决方案。 一部分团队位于芬兰，与赫尔辛基大学合作，主要着重在材料开发、前驱物筛选以及新路径探索; 另一团队与半导体研发中心 imec 合作，进一步验证和模拟真实环境测试。
这些团队专注于研究新的化学反应与新分子，以克服目前特定区域沉积、堵塞问题。 Wilk 强调，这需要大量全新的化学配方与创新，这也是 ASM 独有的优势。 此外，作为ALD领先设备供应商，ASM也在改善硬件设计，使其与新化学配方、新分子与新解决方案相匹配，并有效输送化学物质，使其能在晶圆上达到均匀覆盖，同时保持高效率与高速度。
“ASM 早在 1999 年收购芬兰公司 Microchemistry，而 ALD 技术正是由这间公司发明，ASM 也传承了这项专业能力。”Wilk 认为，化学专业是 ASM 优势之一，能根据这些化学特性去设计对应的硬件设备是另一大优势，“通过化学与硬件的结合，正是我们一直保持领先、并视为核心差异化的关键所在”。
全面布局新材料研发，ASM瞄准无缝隙填充、低温沉积与选择性沉积
ASM 研究重点包括各类型填隙材料（二氧化硅、氮化硅）、新型闸极堆叠材料（功函数金属与偶极）、高导热绝缘层、新型接触材料、低温磊晶、硅/硅锗 3D DRAM 磊晶堆叠等，也针对各种薄膜进行研究，解决客户在上述制程中遇到的问题。
此外，ASM旗下也有负责规划先进技术的前瞻部门，与客户密切合作，探索潜在解决方案。 目前公司正着手开发新材料，例如能快速导热、有效散热的材料，以及开发在极薄条件下依然运作良好（如良好绝缘或导电）的新材料，以取代传统较厚的膜层，另在化学前驱物也有诸多合作。
通过CRD早期合作，ASM能及早了解客户需求并测试解决方案，可在真实环境中不断测试与学习，提高成功率，提前向客户推广开发的新材料层，这是ASM独有的横向/企业级的研发，也是公司的差异化优势。
Wilk 表示，不管是“无缝隙填充”、“低温沉积”或者“选择性沉积”，都是目前竞争最激烈的领域。 ASM 已持续进行化学材料的开发，搭配专门与之相匹配的硬件设计，且可简化制程步骤、大幅提升产能，进一步为客户节省成本。
除了ALD外，磊晶也成为GAA时代下一大难题
在摩尔定律持续推进制程微缩，FinFET时代晶体管通道的厚度主要由微影与蚀刻决定; 随着技术演进至GAA架构，硅通道则改由具备原子级精准度的磊晶制程直接生长而成。
Wilk 表示，当来到 GAA 时代，磊晶会面临“低温”与“生长纳米片（Nanosheet）”两大挑战，前者因背面供电技术，使温度控制更困难，加上低温环境容易引入杂质，导致品质下滑，成关键挑战之一; 后者在建构通道制程时，必须交替生长磊晶，制作出间距分开的多个硅通道，这又涉及到界面锐利度（Interface Sharpness）问题。
对此，ASM也将技术延伸至磊晶领域，强调公司磊晶设备的硬件设计与竞争对手不同，能在低温下实现更好控制，同时沉积出非常均匀且高质量的薄膜。 在先进封装的“混合键合”（Hybrid Bonding）部分，ASM可提供混合键合层及相关表面处理技术，另在晶粒堆叠整合过程中，须通过高导热性的绝缘层来散热，也成为ASM另一大机会。
“台湾团队对 ASM 来说非常重要！”ASM指出，台湾做为全球半导体产业的核心枢纽，一直都是公司业务发展策略中最不可或缺的一部分，去年启用新竹办公室将聚焦研发与客户支持，而台南也设有培训中心，负责支持本地需求及培育其他国家工程师的培训中心; 至于全球布局部分，ASM目前主要制造基地位于新加坡、第二制造中心位于韩国，现有产能相当充足。 为了因应目前政经状况，ASM也将于2027年在美国新增研发单位据点，做为新工具测试地点。