半导体中的沉积（Deposition）是什么？构建现代微芯片的关键

在半导体制造中，沉积是将超薄材料层应用于硅晶圆上的基本过程。将其想象成建造一座微型摩天大楼，其中每一“层”都是经过精确设计的薄膜，具有特定的电气功能。这些薄层，通常只有几个原子厚，是创建晶体管、互连线以及构成完整集成电路的其他组件的基本构件。

沉积的核心挑战不仅仅是添加材料，而是在原子尺度上精确地完成这一过程。沉积方法的选择是一项关键的工程决策，它直接影响芯片的性能、功耗和可靠性。

核心功能：逐层构建芯片

现代微芯片不是从一块硅中雕刻出来的。相反，它们是通过重复应用图案化的层向上构建的，而沉积是添加每层新材料的关键过程。

“薄膜”是指厚度从几纳米到几微米不等的材料层。在芯片制造中，这些薄膜通常分为三种类型：导体（如用于布线的铜或钨）、绝缘体或电介质（如二氧化硅，用于防止短路）和半导体（如用于晶体管栅极的多晶硅）。

每个电路的功能都取决于这些沉积薄膜的完美厚度、均匀性和化学纯度。即使是微小的变化或晶圆上的单个污染物颗粒，也可能使数百万个晶体管失效，从而毁掉整个芯片。

尽管存在数十种沉积技术，但它们主要分为几个关键家族，每个家族都有独特的物理机制。所选择的方法完全取决于所沉积的材料及其在最终器件中的作用。

CVD 涉及将前驱体气体引入反应室，晶圆在其中被加热。这些气体在晶圆的热表面上发生反应，形成固体薄膜，并将产生的气态副产物排出。这在概念上类似于蒸汽在冰冷的窗玻璃上凝结成均匀的霜层。

诸如等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 等常见变体使用等离子体来激发气体，从而可以在低得多的温度下进行反应。这对于防止已经构建在晶圆上的层受到损坏至关重要。

PVD，也称为溅射，其工作原理是通过物理方式将原子从源材料（称为“靶材”）上撞击下来。在真空室中，靶材受到高能离子的轰击，使原子脱落。这些被释放的原子随后穿过真空并覆盖晶圆。

这个过程最好理解为一种微观喷漆，其中单个原子是“喷洒”到晶圆表面上的“油漆”。

ALD 是目前最精确的方法，它实际上是一层一层地构建薄膜。它使用一系列自限制的化学反应，其中前驱体气体一个接一个地脉冲进入反应室。每个脉冲恰好添加一层单原子层。

尽管比其他方法慢得多，但 ALD 在厚度控制方面提供了无与伦比的控制，并确保薄膜能完美地适应即使是最复杂的三维微观结构。

存在多种沉积方法，这凸显了一个核心的工程真理：没有单一的“最佳”技术。每种技术都涉及速度、材料质量和覆盖复杂拓扑结构能力之间的关键权衡。

最重要的区别之一是方法如何处理 3D 结构。CVD 和 ALD 具有高度保形性，这意味着它们可以在复杂的、不平坦的表面（如深槽内部）上沉积出完全均匀的层。

相比之下，PVD 是视线过程。就像喷漆罐一样，它只能覆盖它能“看到”的表面，通常导致凹槽顶部材料较厚，底部材料较薄。

高温可能具有破坏性。某些 CVD 工艺所需的热量可能会损坏先前沉积的层或导致材料相互扩散，从而破坏其电气特性。这就是为什么 PECVD 和 ALD 等低温方法对于芯片制造的后期阶段至关重要。

制造速度（吞吐量）和薄膜质量之间存在不可避免的权衡。ALD 等工艺提供原子级的完美，但速度非常慢。对于不需要如此高精度的较厚、非关键层，更快的 CVD 或 PVD 工艺在经济上更为可行。

沉积技术的选择始终由所构建层的特定要求驱动。

最终，掌握沉积技术就是选择最理想的工具来构建现代集成电路的每个特定纳米级层。