半导体中的Pvd工艺是什么？原子级薄膜沉积指南

PVD（物理气相沉积）的核心是一种高度受控的原子级“喷漆”过程。它涉及在高真空腔体内汽化固体源材料，并让蒸汽传输并凝结到半导体晶圆上。这种方法一次形成一个原子，形成超薄、纯净的薄膜，其特点是无需化学反应即可创建最终层。

PVD的核心原理是材料从源到基底的物理传输，不发生任何化学变化。这使其成为沉积构成现代微芯片布线和连接点的纯金属层的不可或缺的工具。

PVD的三个基本阶段

整个PVD过程，无论使用何种具体技术，都可以分解为三个不同且连续的阶段。理解这个流程是理解该过程能力和局限性的关键。

第一步是将固体源材料（称为靶材）转化为气态或蒸汽态。这必须在高真空腔体内精确完成。

最常用的方法是溅射，即用等离子体中的高能离子轰击靶材，击落原子；或者蒸发，即加热靶材直到其原子沸腾进入真空。

一旦从靶材中释放出来，汽化的原子会穿过真空腔体，朝向基底（半导体晶圆）移动。

高真空至关重要。它确保了行进的原子很少与空气或气体分子碰撞，从而使其能够直接、畅通无阻地行进。这种直接路径通常被称为视线传输。

当汽化原子到达晶圆较冷的表面时，它们会迅速失去能量并凝结回固态。

这种凝结一层一层地、一个原子一个原子地堆积，形成一层薄而均匀的固体薄膜。该薄膜的特性（例如其密度和纯度）通过真空度、温度和入射原子的能量等因素进行严格控制。

PVD不仅仅是众多选择之一；它是一种用于特定关键层的基础工艺，其独特的优势是不可或缺的。

由于PVD是一个物理过程，沉积的薄膜在化学上与高纯度源靶材相同。没有化学前体或副产品引入杂质。这对于制造高导电性金属布线至关重要。

PVD通常比其化学对应物化学气相沉积（CVD）在更低的温度下运行。这在现代芯片制造中至关重要，因为它能防止损坏在先前步骤中已在晶圆上构建的复杂、精密的晶体管结构。

PVD是沉积作为芯片布线（称为互连线）的金属层的首选方法。它还用于创建接触点和扩散阻挡层，以防止不同材料混合并随着时间的推移降低芯片性能。

没有哪个过程是完美的，值得信赖的顾问必须强调其局限性。PVD的物理性质带来了工程师必须应对的独特挑战。

PVD最大的局限性在于其视线性质。就像喷漆罐一样，它会涂覆它能“看到”的东西。这使得它难以均匀涂覆复杂的三维芯片特征，例如深而窄的沟槽。

这些特征的顶部表面会获得厚涂层，但垂直侧壁和沟槽底部会获得薄得多的涂层，甚至没有。这种不良的“台阶覆盖”可能会导致缺陷和开路。

原子撞击晶圆表面的动能会在沉积薄膜内部产生内应力。如果控制不当，这种应力可能导致薄膜剥落或开裂，从而导致器件失效。

您的沉积技术选择完全取决于特定层的功能和您正在涂覆的表面的拓扑结构。

如果您的主要重点是在相对平坦的表面上沉积纯净、高导电性的金属层：PVD是行业标准选择，因为它具有无与伦比的纯度、控制性和可靠性。
如果您的主要重点是在具有深沟槽的复杂3D结构上创建完美均匀的涂层：您将需要更符合形状的工艺，例如原子层沉积（ALD）或化学气相沉积（CVD），它们不依赖于视线。

最终，理解PVD的物理、视线性质是利用其优势并减轻其在先进制造中弱点的关键。