晶圆制造中的沉积工艺是什么？构建芯片层（使用CVD和PVD）的指南

在晶圆制造中，沉积是将材料薄膜添加到硅晶圆表面的基本过程。这些薄膜可以是金属、绝缘体或半导体，是用于构建集成电路（如晶体管及其互连线路）复杂三维结构的基本构件。

半导体制造的核心是在硅晶圆上通过添加和去除材料来构建微观城市的循环。沉积就是“构建”阶段——精确地应用每一层新的材料，这些材料最终将成为芯片功能的一部分。

为什么沉积是芯片制造的基石

沉积不仅仅是增加一层涂层；它是一个高度受控的工程过程，旨在创建具有特定、可预测特性的薄膜。每一层沉积的薄膜在最终器件中都有其特定的用途。

目标：构建多层电路

现代微芯片不是平面的。它们是极其复杂的3D结构，通常有超过100层不同的材料堆叠在一起。沉积是用于逐层构建所有这些层级的过程。

创建导电层和绝缘层

这些薄膜的主要功能是控制电流的流动。

• 沉积绝缘体，如二氧化硅，以防止电流流向不应流向的地方。
• 沉积导体，如铜或钨，以形成连接芯片上数百万甚至数十亿晶体管的“导线”。
• 沉积半导体，如多晶硅，以形成晶体管本身的临界组成部分，例如栅极。

增强衬底性能

除了导电性之外，沉积的薄膜可以在后续的制造步骤中保护底层免受化学或物理损坏，或者它们可以被专门设计用于以某种方式与光相互作用，以用于光学应用。

关键沉积方法论

虽然目标始终是添加一层薄膜，但使用的方法在很大程度上取决于所沉积的材料以及薄膜所需的特性，如其纯度和均匀性。两种主要的工艺是化学气相沉积和物理气相沉积。

化学气相沉积 (CVD)

CVD是一种利用化学反应来形成薄膜的工艺。反应性气体被引入到含有晶圆的腔室中。这些气体吸附在热晶圆表面上，发生反应形成固体薄膜，然后释放出气态副产物并从腔室中移除。

该工艺非常适合创建高度均匀的薄膜，这些薄膜可以完美地适应晶圆上复杂的、非平坦的表面——这种特性被称为高保形性。

物理气相沉积 (PVD)

相比之下，PVD是一个机械或物理过程。最常见的形式是溅射。

1. 腔室被置于高真空下以去除污染物。
2. 引入惰性气体（如氩气）以产生等离子体。
3. 该等离子体用于轰击由待沉积材料制成的“靶材”。
4. 轰击物理地将原子从靶材上撞击下来，这些原子然后传输并覆盖晶圆，形成薄膜。

PVD通常被描述为一种“视线”工艺，类似于喷漆，因为溅射的原子从靶材以相对直线的方式传输到晶圆上。

理解权衡：CVD与PVD

在CVD和PVD之间进行选择涉及与所构建的特定层相关的关键权衡。没有单一的“最佳”方法；选择取决于该特定步骤的工程要求。

薄膜质量和保形性

CVD在涂覆复杂的形貌方面表现出色，因为反应性气体可以扩散到深沟槽和复杂形状内部并发生反应。PVD的视线特性可能导致沟槽侧壁上的涂层较薄，顶部涂层较厚，这可能是有问题的。

温度和热预算

CVD工艺通常需要高温来驱动必要的化学反应。这可能是一个重要的限制因素，因为热量可能会损害或改变晶圆上已制造的层。许多PVD工艺可以在低得多的温度下运行，从而保护现有结构的完整性。

材料选择

沉积的材料是一个主要因素。CVD非常适合沉积复合材料，如二氧化硅 (SiO₂) 或氮化硅 (Si₃N₄)。PVD，特别是溅射，在沉积纯金属和合金方面非常有效，能提供对薄膜纯度的出色控制。

如何将其应用于您的目标

沉积技术的选择是基于您正在创建的薄膜层的特定要求所做的战略决策。

• 如果您的主要重点是创建覆盖复杂形貌的均匀绝缘层： CVD通常是更优的选择，因为它具有出色的保形性，确保各处覆盖均匀。
• 如果您的主要重点是沉积用于布线或接触的纯金属薄膜： PVD/溅射在通常与温度敏感器件结构更兼容的工艺中提供高纯度和精确控制。
• 如果您的主要重点是管理热预算以保护预先存在的层： PVD的较低温度特性可能比高温CVD工艺具有关键优势。

归根结底，沉积是一种多功能且不可或缺的工具，它使芯片制造商能够精确地构建驱动所有现代电子设备的基础层。

摘要表：

沉积方法	主要用途	关键优势	考虑因素
化学气相沉积 (CVD)	绝缘层（例如 SiO₂）、高保形性涂层	在复杂3D结构上具有出色的台阶覆盖率	通常需要高温
物理气相沉积 (PVD/溅射)	导电金属层（例如 Cu、W）、接触点	高材料纯度、低温工艺	视线涂覆可能导致侧壁覆盖不均匀

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