半导体PVD是什么？构建芯片互连的关键工艺

在半导体制造中，物理气相沉积（PVD）是一种基础工艺，用于在硅晶圆上沉积超薄、高纯度的金属薄膜。它不仅仅是一种保护性涂层；它是构建连接现代芯片上数十亿晶体管的微观布线的主要方法。在此背景下，最常见的PVD形式是溅射。

从根本上说，芯片制造的挑战在于创建难以想象的微小而精确的电通路。PVD是解决这个问题的关键技术，它通过在真空中逐个原子地“绘制”这些金属电路。

PVD在芯片制造中的基础作用

要理解PVD的重要性，您必须将其视为一个基本的构建步骤，而不仅仅是一个简单的涂层工艺。它在真空腔内操作，以确保绝对的纯度，这对于器件性能至关重要。

什么是物理气相沉积？

将PVD想象成一种高度受控的、原子级的喷漆过程。在真空腔内，一种固体源材料，称为“靶材”（例如，一块纯铜），受到能量轰击。这种能量使材料汽化，喷射出单个原子或分子，然后这些原子或分子移动并沉积到较冷的硅晶圆上，形成一层极其薄且均匀的薄膜。

溅射：半导体PVD的主力军

芯片制造中最普遍的PVD技术是溅射。在这种方法中，靶材受到高能离子（通常来自惰性气体，如氩气）的轰击。这种碰撞产生物理冲击，将原子从靶材上“溅射”或敲落。这些被喷射出的原子然后沿直线运动，并涂覆在晶圆表面。

构建互连

PVD在半导体制造中的主要目的是创建互连。在硅中形成晶体管之后，PVD用于沉积金属层——目前最常用的是铜，但也包括钨和铝——这些金属层形成了连接这些晶体管的复杂多层布线网格。如果没有这些PVD沉积的互连，芯片将只是一堆孤立的开关。

创建阻挡层和籽晶层

现代芯片不仅仅需要主要的导电金属。为了防止铜互连“泄漏”或扩散到硅中并破坏晶体管，需要一个阻挡层。PVD用于在主铜沉积之前沉积一层超薄的阻挡薄膜（例如，钽或氮化钽）。

随后，通常使用PVD沉积一层薄薄的铜籽晶层。该层作为完美的导电基础，以确保后续更厚的铜层（通常通过电镀等不同工艺施加）以正确的结构和均匀性生长。

理解权衡和挑战

尽管PVD至关重要，但它并非没有局限性，尤其是在芯片特征缩小到原子尺度时。

台阶覆盖的挑战

溅射是一种“视线”工艺，这意味着原子从靶材到晶圆的路径相对笔直。随着刻蚀到晶圆中的沟槽变得更深更窄（称为高深宽比结构），溅射原子难以均匀地覆盖底部和侧壁。这可能导致沟槽底部薄膜变薄，从而损害电路的可靠性。

来自其他沉积方法的竞争

由于台阶覆盖的挑战，其他技术与PVD一起使用。原子层沉积（ALD），它一次构建一层原子薄膜，在深沟槽中提供卓越的均匀性。然而，ALD比PVD慢得多。两者通常一起使用——PVD用于批量沉积的速度，ALD用于关键的共形层。

极高的纯度要求

用于半导体的PVD工艺是严苛的。靶材中的任何杂质或真空腔中的任何杂散分子都可能嵌入到沉积薄膜中。一个错位的颗粒就可能导致短路或开路，使整个价值数百万美元的芯片报废。这需要极其昂贵、纯净的源材料和超高真空环境。

PVD为何仍是制造支柱

PVD的作用由其在整个制造序列中特定关键任务的独特能力所定义。

• 如果您的主要重点是批量金属沉积： PVD溅射是快速可靠地沉积铜、铝或钨等主要导电层的行业标准。
• 如果您的主要重点是防止污染： PVD对于沉积将导电金属与下方硅隔离的薄阻挡层至关重要。
• 如果您的主要重点是为电镀做准备： PVD用于铺设关键的籽晶层，为生长均匀的铜互连提供完美的基础。

最终，PVD是将图案化硅晶圆转化为功能性电子电路的技术。

总结表：

方面	在半导体PVD中的作用
主要功能	沉积超薄、纯净的金属薄膜，以构建芯片布线（互连）。
关键技术	溅射，即离子轰击靶材以将原子喷射到晶圆上。
关键层	创建主要导电互连、阻挡层和籽晶层。
主要挑战	在深窄沟槽中实现均匀覆盖（台阶覆盖）。

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