沉积在集成电路制造中有何用处？构建微芯片的基本层

在集成电路（IC）制造中，沉积是用于在硅晶圆上应用各种材料薄膜的基本过程。这些经过精确控制的层不仅仅是涂层；它们是创建微芯片功能组件的基本构件，充当形成每个晶体管和导线的导体、绝缘体和半导体。

沉积的核心目的是精确构建IC复杂的三维结构。它是制造过程中的“增材”部分，其中每一层沉积物都服务于特定的电气或结构功能，使得数十亿微小组件能够协同工作。

沉积层的核心功能

沉积的根本在于添加材料，这些材料在电路中扮演三个关键角色。添加每一层都是为了一个特定的目的，以确保最终器件能够正常工作。

要构建一个功能性电路，必须防止电流流向错误的位置。沉积用于添加绝缘材料，也称为电介质，如二氧化硅（SiO₂）和氮化硅（Si₃N₄）。

这些层将导电元件彼此隔离，防止短路。例如，电介质薄膜将晶体管的栅极与其下方的沟道隔离开来，并分离连接芯片不同部分的多个金属布线层。

晶体管构建完成后，必须将它们连接起来。沉积用于通过沉积导电材料来创建芯片的“布线”或互连线。

铜、钨和铝等金属是常见的选择。此过程还包括沉积多晶硅（polysilicon），这对于形成晶体管的栅极至关重要——栅极是控制其开启和关闭的组件。

晶体管的性能取决于其所构建的硅的质量。一种称为外延沉积（Epi）的工艺用于在起始晶圆上生长一层完美的单晶硅。

这层无瑕的、没有杂质和缺陷的材料成为晶体管运行的有源区，确保了最佳的电气特性和高性能。

从CVD到PVD再到ALD，存在各种沉积技术，因为没有一种方法对所有应用都是完美的。选择何种技术取决于所沉积的材料、所需的薄膜质量以及晶圆上现有结构的温度敏感性。

CVD包含一系列技术（LPCVD、PECVD、APCVD），它们利用前驱体气体之间的化学反应在晶圆表面形成固体薄膜。

这种方法用途广泛，是制造高质量、均匀的电介质层和多晶硅层的“主力军”。等离子体增强化学气相沉积（PECVD）尤其有价值，因为它可以在较低的温度下运行，从而防止损坏先前构建的层。

对于最关键的组件，例如现代晶体管中超薄的栅极绝缘体，精度至关重要。原子层沉积（ALD）通过一次只构建一个原子层的薄膜来实现这一点。

虽然比其他方法慢，但ALD在厚度和均匀性方面提供了无与伦比的控制，这在器件特征缩小到纳米级时是绝对必要的。

与CVD的化学反应不同，物理气相沉积（PVD）是一个视线物理过程，通常称为溅射。在PVD中，靶材受到离子轰击，将原子溅射出来，然后这些原子落在晶圆表面并覆盖其上。

PVD是沉积用作互连线的金属层的标准方法，因为它是一种可靠且高效的方式来沉积纯金属薄膜。

选择沉积方法总是在相互竞争的要求之间进行权衡。工程师必须考虑结构的几何形状、器件的热限制以及所需薄膜的质量。

一些工艺，如ALD和LPCVD，会产生高度保形的薄膜，这意味着它们以完全均匀的厚度覆盖复杂3D结构的顶部、侧面和底部。

相比之下，PVD是一个视线过程，是非保形的。它可能难以均匀地覆盖深而窄的沟槽的底部和侧壁，这对某些应用来说是一个限制。

每个工艺步骤都有一个热预算——即晶圆可以承受而不损坏已制造结构的温度和时间限制。

LPCVD等高温工艺必须在制造流程的早期使用。后续步骤则依赖于PECVD和PVD等低温方法，以避免破坏其下方的精细晶体管结构。

沉积薄膜的完美程度与工艺速度之间通常存在直接的权衡。

ALD产生的薄膜近乎完美，但速度非常慢，因此只适用于最关键、最薄的层。相反，其他方法可能以略低的薄膜质量为代价提供更高的吞吐量（每小时处理更多晶圆），但这对于不太关键的层是可以接受的。

选择正确的沉积技术取决于所创建层的具体功能。

归根结底，沉积是IC制造的主导工艺，它实现了精确的逐层构建，将简单的硅晶圆转变为强大的处理器。