半导体中的沉积技术有哪些？掌握CVD、PVD和ALD用于芯片制造

在半导体制造中，沉积技术主要分为两大类：化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。这些工艺用于在硅晶圆上涂覆各种材料的薄膜，形成构成现代集成电路的绝缘、导电和半导体材料的复杂层。第三种高度精确的方法，原子层沉积（ALD），对于先进芯片设计也至关重要。

核心挑战不仅仅是了解沉积技术的名称，而是理解为何选择特定方法。这个决定取决于沉积速度、薄膜质量以及其均匀覆盖晶圆上复杂微观3D结构的能力之间的基本权衡。

沉积的两大支柱：PVD和CVD

从最高层面来看，沉积方法的区别在于它们如何将材料从源头转移到晶圆表面。一种使用化学反应，另一种使用物理过程。

化学气相沉积（CVD）

CVD是业界使用最广泛的沉积技术。它涉及将一种或多种反应气体，即前驱体，引入反应室。

这些气体在加热的晶圆表面附近或其上发生化学反应，形成一种新的固体材料，并以薄膜形式沉积。

物理气相沉积（PVD）

PVD则不涉及化学反应来生成薄膜材料。相反，它通过物理方式将材料从固体源或靶材传输到晶圆上。

这通常在真空中进行。可以将其视为将原子从A点（源）物理移动到B点（晶圆）。

深入了解化学气相沉积（CVD）

由于CVD依赖化学反应，因此可以生产出高质量、高纯度和均匀的薄膜。具体的反应条件导致了CVD的几种变体，每种都有不同的目的。

压力和等离子体的作用

低压CVD（LPCVD）：通过在极低压下操作，LPCVD允许气体分子更自由地移动，从而形成高度均匀的薄膜，可以均匀覆盖复杂的结构。它常用于高质量绝缘层和多晶硅层。

常压CVD（APCVD）：此方法在常压下操作，使其成为一种更快、吞吐量更高的工艺。然而，薄膜质量和均匀性通常低于LPCVD。

等离子体增强CVD（PECVD）：该技术利用电等离子体为前驱体气体提供能量。这种额外的能量使得化学反应能够在更低的温度下发生，这对于防止晶圆上已构建的敏感结构受损至关重要。

外延的特殊情况

外延沉积（Epi）：这是一种高度专业化的CVD形式，用于在单晶硅晶圆上生长单晶硅层。新层完美地模仿了衬底的晶体结构，从而形成具有卓越电子性能的无缺陷薄膜。

理解物理气相沉积（PVD）

PVD本质上是一种视线（line-of-sight）工艺，非常适合快速在平坦表面上沉积薄膜。半导体制造中最常见的PVD技术是溅射。

溅射解释

在溅射中，由所需沉积材料制成的靶材在真空室内受到高能离子（通常是氩气）的轰击。

这种轰击会物理地将原子从靶材上敲落，然后这些原子会移动并沉积到晶圆上。这是一种高度通用的方法，用于沉积铝、铜和钛等金属以制作布线。

其他PVD方法

另一种PVD技术是蒸发，即在真空中加热源材料直至其蒸发。气态原子随后移动到晶圆并凝结，形成薄膜。虽然在先进逻辑芯片中不那么常见，但仍用于电子制造的其他领域。

原子层沉积（ALD）的兴起

对于具有微观三维晶体管的最先进芯片，需要一种具有极致精度的技术。这就是原子层沉积（ALD）的用武之地。

逐层方法

ALD是CVD的一种子类型，它将沉积过程分解为顺序的、自限制的步骤。它将晶圆暴露于一种前驱体气体，形成恰好一个原子层，然后清除腔室。接着引入第二种前驱体与第一层反应，一次完成一个原子层的薄膜。

ALD为何关键

尽管速度极慢，ALD却能提供无与伦比的薄膜厚度控制和共形性——即在极其复杂和深沟槽状结构上沉积完美均匀薄膜的能力。这对于现代FinFET晶体管和先进存储设备来说是不可或缺的。

理解权衡

选择沉积技术需要平衡相互竞争的优先事项。

共形性与速度

CVD，尤其是ALD，在共形性方面表现出色。由于前驱体气体可以到达复杂表面的所有部分，因此形成的薄膜高度均匀。

PVD是一种视线技术。就像喷漆罐一样，它覆盖其“看到”的部分，因此难以均匀涂覆深沟槽的底部和侧壁。然而，PVD通常比ALD快得多。

温度与薄膜质量

LPCVD等高温工艺通常能生产出高质量的薄膜。然而，高温可能会损坏或改变先前沉积的层。

PECVD是这里的解决方案，它利用等离子体在较低温度下实现高质量沉积。PVD也可以是低温工艺。

成本与精度

APCVD或PVD等更简单、更快的工艺运行成本更低。ALD由于其缓慢、多步骤的性质和复杂的设备，成本最高，但提供了其他方法无法达到的精度水平。

选择正确的沉积策略

您选择的技术完全取决于您正在创建的特定薄膜层的要求。

• 如果您的主要关注点是相对平坦表面上的大块金属布线：PVD（溅射）是高效且经济的选择。
• 如果您的主要关注点是平缓地形上的高质量绝缘薄膜：LPCVD或PECVD等标准CVD方法提供了质量和吞吐量的正确平衡。
• 如果您的主要关注点是在尖端3D晶体管的栅极上创建无缺陷薄膜：ALD是唯一能提供所需精度和共形性的选择，尽管其成本高昂且速度缓慢。

最终，理解每种技术的基本原理使您能够在复杂的半导体制造世界中为正确的工作选择正确的工具。

总结表：

技术	主要方法	主要特点	常见应用
CVD（化学气相沉积）	前驱体气体的化学反应	高薄膜质量，优异的共形性，多种压力/温度选择	绝缘层，多晶硅，外延生长
PVD（物理气相沉积）	从固体靶材物理转移	视线式，快速沉积，较低温度	金属布线（铝、铜、钛），接触点
ALD（原子层沉积）	顺序的、自限制的化学反应	极致精度，完美共形性，速度很慢	先进3D晶体管，高介电常数栅介质

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