在半导体制造中，沉积是将极薄、均匀的材料层应用于硅晶圆上的基本过程。这些层可以是绝缘体、导体或半导体，是构成集成电路中的晶体管、导线和其他组件的基本构件。使用各种高度专业化的技术来沉积这些薄膜，选择哪种方法取决于特定材料及其在芯片内的结构作用。
从本质上讲，沉积就像一层一层地建造摩天大楼一样，是逐层构建微芯片的过程。挑战不仅在于添加一层，还在于确保它绝对纯净、厚度均匀，并且能够完美地填充现代处理器中极其复杂、微观的形貌。
沉积的基本作用
沉积不是单一的动作，而是制造过程中创造电路物质本身的临界阶段。没有沉积，硅晶圆将保持空白。
构建微芯片的层
将一个完整的微处理器想象成一座密集的、三维的城市，拥有数十亿的结构。沉积就是构建该城市每个组件的过程——地基、墙壁、电线以及它们之间的绝缘层。每一层只有纳米厚，并且必须接近完美。
绝缘体、导体和半导体
沉积技术用于应用电路所需的所有三种主要类型的材料。
- 沉积绝缘体（如二氧化硅），以防止电流在导线之间泄漏。
- 沉积导体（如钨或铜），以形成连接晶体管的“导线”和互连线。
- 沉积半导体（如多晶硅），以创建晶体管栅极本身——控制电流流动的微小开关。
目标：均匀性和纯度
任何沉积过程的首要目标是在整个晶圆表面上创建无缺陷的薄膜，并具有均匀的厚度。即使是微小的变化、杂质或空洞也可能导致芯片失效，因此这些工艺的精度对制造良率至关重要。
关键沉积方法及其目的
“沉积”一词涵盖了一大类技术，每种技术都针对不同的材料、温度和结构要求进行了优化。它们大致分为两大类：化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。
化学气相沉积（CVD）：用气体构建
CVD 是最常见的技术系列。在此过程中，晶圆被放置在反应室中，并暴露于一种或多种挥发性气体中。这些气体在晶圆表面反应和分解，留下固体的、高纯度的薄膜。
常见的 CVD 变体
使用不同类型的 CVD 来解决不同的问题，主要与温度和薄膜质量有关。
- LPCVD（低压 CVD）：该方法使用高温和低压。高温为化学反应提供能量，从而形成具有优异均匀性和纯度的薄膜。
- PECVD（等离子体增强 CVD）：该方法使用富含能量的等离子体来辅助化学反应。这种增加的能量意味着该过程可以在较低的温度下进行，这在沉积在不能承受高温的材料（如铝）上方的层时至关重要。
原子层沉积（ALD）：极致的精度
对于最先进和最小的芯片特征，使用原子层沉积（ALD）。该技术通过顺序的、自限制的循环引入气体，一次沉积一个原子层地沉积材料。这提供了对薄膜厚度的无与伦比的控制，并能够完美地覆盖最复杂的 3D 结构。
物理气相沉积（PVD）：一种视线过程
与 CVD 不同，PVD 是一种物理过程。它涉及用高能离子轰击所需材料的固体“靶材”，从而从靶材上物理地溅射出原子。这些原子随后穿过真空并覆盖晶圆。它通常被称为“视线”过程，类似于喷漆。
理解权衡：间隙的挑战
随着晶体管的缩小，必须用材料填充的沟槽和间隙变得越来越深、越来越窄。这带来了巨大的挑战，并推动了沉积技术的演变。
高“深宽比”问题
深宽比指的是特征高度与其宽度之比。在现代芯片中，这些比率非常高。当试图用传统的沉积工艺填充深而窄的沟槽时，会出现一个关键问题。
空洞和“夹断”
标准的沉积过程倾向于在沟槽的顶部角部比在底部更快地堆积材料。这可能导致沟槽在完全填充之前“夹断”（pinch off），从而在结构内部留下一个空心空间，即空洞（void）。这个空洞是一个致命的缺陷，可能会毁掉整个芯片。
HDP-CVD 解决方案：沉积加刻蚀
为了解决这个问题，开发了一种更先进的工艺，称为高密度等离子体 CVD (HDP-CVD)。该技术巧妙地在同一个腔室内结合了两种工艺：
- 沉积：材料沉积到沟槽中。
- 刻蚀：同时，离子（如氩气）被用来物理溅射掉或刻蚀掉在沟槽顶部开口处堆积的材料。
这种同步的刻蚀作用使沟槽保持开放足够长的时间，以便沉积材料可以从底部向上完全填充该特征，确保即使在最高的深宽比结构中也能实现无空洞填充。
为您的目标做出正确的选择
选择沉积方法需要平衡所构建层的特定要求——其材料、结构以及其下方已存在层的耐温性。
- 如果您的主要关注点是尖端节点的最终精度和保形性：原子层沉积（ALD）是标准选择，因为它具有逐原子控制的能力。
- 如果您的主要关注点是填充深而窄的间隙而不产生空洞：高密度等离子体 CVD (HDP-CVD) 是解决方案，因为它结合了沉积和同时刻蚀以确保完全填充。
- 如果您的主要关注点是在较低温度下沉积薄膜以保护现有层：等离子体增强 CVD (PECVD) 是理想选择，因为它使用等离子体能量而不是高温。
- 如果您的主要关注点是在不受高温限制的情况下形成均匀、纯净的基础层：低压 CVD (LPCVD) 在高度受控的环境中提供出色的结果。
了解每种沉积技术的目的，是掌握现代半导体制造复杂性的第一步。
摘要表：
| 沉积方法 | 主要应用场景 | 关键特性 |
|---|---|---|
| 原子层沉积 (ALD) | 尖端节点的最终精度 | 一次沉积一个原子层的材料 |
| 高密度等离子体 CVD (HDP-CVD) | 填充深、窄的间隙而不产生空洞 | 将沉积与同步刻蚀相结合 |
| 等离子体增强 CVD (PECVD) | 低温沉积以保护层 | 使用等离子体能量而非高温 |
| 低压 CVD (LPCVD) | 均匀、纯净的基础层 | 在高温受控环境下的操作 |
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