文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

半導(dǎo)體薄膜沉積工藝是現(xiàn)代微電子技術(shù)的重要組成部分。這些薄膜可以是金屬、絕緣體或半導(dǎo)體材料，它們在芯片的各個層次中發(fā)揮著不同的作用，如導(dǎo)電、絕緣、保護(hù)等。薄膜的質(zhì)量直接影響到芯片的性能、可靠性和成本。

薄膜工藝基本介紹

半導(dǎo)體薄膜沉積工藝是現(xiàn)代微電子技術(shù)的重要組成部分，通過在半導(dǎo)體襯底上沉積一層或多層薄薄的材料來構(gòu)建復(fù)雜的集成電路。這些薄膜可以是金屬、絕緣體或半導(dǎo)體材料，它們在芯片的各個層次中發(fā)揮著不同的作用，如導(dǎo)電、絕緣、保護(hù)等。薄膜的質(zhì)量直接影響到芯片的性能、可靠性和成本。因此，薄膜沉積技術(shù)的發(fā)展對半導(dǎo)體行業(yè)具有重要意義。

薄膜工藝的分類

目前，主流的薄膜沉積設(shè)備和技術(shù)包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）和原子層沉積（ALD）。這三種技術(shù)在沉積原理、沉積材料、適用膜層及工藝等方面存在明顯差異。

物理氣相沉積（PVD）PVD是一種完全基于物理過程的薄膜沉積技術(shù)，通過蒸發(fā)或?yàn)R射等方式使材料氣化，然后在基板上冷凝形成薄膜。

真空蒸鍍：在高真空條件下加熱待鍍材料至氣化，并在基板上沉積薄膜。

濺射鍍膜：通過氣體放電產(chǎn)生的氣體離子高速轟擊靶材表面，使靶材原子被擊出并在基板表面成膜。

離子鍍：結(jié)合真空蒸鍍和濺射鍍膜的優(yōu)點(diǎn)，待鍍材料氣化后在放電空間部分電離，隨后被電極吸引至基板沉積成膜。

特點(diǎn)：PVD過程中僅材料形態(tài)發(fā)生改變，不涉及化學(xué)反應(yīng)，屬于純粹的物理變化。

化學(xué)氣相沉積（CVD）CVD是一種涉及氣相化學(xué)反應(yīng)的薄膜沉積技術(shù)，通過將氣體前驅(qū)體引入反應(yīng)腔中，在基板表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)薄膜。

普通CVD：適用于多種介質(zhì)膜層和半導(dǎo)體膜層的沉積。

等離子體增強(qiáng)CVD（PECVD）：利用等離子體增強(qiáng)反應(yīng)活性，適用于低溫沉積。

高密度等離子體CVD（HDPCVD）：能同時進(jìn)行沉積和刻蝕，具備優(yōu)秀的高深寬比間隙填充能力。

次常壓CVD（SACVD）：在高壓環(huán)境下通過臭氧在高溫下形成的高活性氧自由基增加分子間的碰撞，實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的填孔能力。

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）：適用于制備半導(dǎo)體材料，如GaN。

特點(diǎn)：CVD反應(yīng)前體一般為硅烷、磷烷、硼烷、氨氣、氧氣等氣體原料，生成物一般為氮化物、氧化物、氮氧化物、碳化物、多晶硅等固體薄膜，反應(yīng)條件一般為高溫、高壓、等離子體等。

原子層沉積（ALD）ALD是一種特殊的CVD技術(shù)，通過脈沖方式交替引入兩種或多種反應(yīng)前驅(qū)體，實(shí)現(xiàn)單原子層級別的精確沉積。

熱原子層沉積（TALD）：利用熱能使前驅(qū)體吸附在基體表面并發(fā)生后續(xù)化學(xué)反應(yīng)。

等離子體增強(qiáng)原子層沉積（PEALD）：利用等離子體增強(qiáng)反應(yīng)活性，可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)較快的薄膜沉積速度。

特點(diǎn)：ALD具備精準(zhǔn)的膜厚控制能力，沉積薄膜的厚度均勻性和一致性極為優(yōu)秀，且其臺階覆蓋能力非常強(qiáng)大，適合深槽結(jié)構(gòu)中的薄膜生長。

薄膜各個工藝在芯片里的應(yīng)用

金屬層PVD主要用于沉積超純金屬、過渡金屬氮化物薄膜，如鋁墊、金屬硬掩膜、銅阻擋層和銅籽晶層等。

Al pad：與PCB鍵合的焊盤。

金屬硬掩膜：常用TiN，用于光刻工藝中。

Cu阻擋層：常用TaN，功能為防止Cu擴(kuò)散。

Cu籽晶層：常用純Cu或Cu合金，作為后續(xù)電鍍工藝的種子層。

介質(zhì)層CVD主要用于沉積各種絕緣材料，如氮化物、氧化物、氮氧化物、碳化物和多晶硅等，用于隔離不同的電路組件，減少干擾。

柵氧化層：用于隔離柵極和溝道。

層間介質(zhì)：用于隔離不同層次的金屬線。

阻擋層PVD用于防止金屬擴(kuò)散，保護(hù)器件免受污染。

Cu阻擋層：防止銅擴(kuò)散到其他層中，影響器件性能。

硬掩膜PVD用于光刻工藝中，幫助定義器件結(jié)構(gòu)。

金屬硬掩膜：常用TiN，用于定義圖案。

自對準(zhǔn)雙重成像（SADP）ALD利用Spacer層實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖案化，適用于FinFET中Fin結(jié)構(gòu)的制造。

FinFET：利用Spacer層在心軸圖案邊緣覆蓋的側(cè)壁圖形作硬掩膜，實(shí)現(xiàn)空間倍頻的效果。

高K金屬柵（HKMG）ALD用于沉積高介電常數(shù)材料和金屬柵極，提高晶體管性能，特別是在28納米及以下制程中。

高K介質(zhì)層：HfO2是目前最普遍的選擇，ALD是其最佳的制備工藝。

金屬柵：由于Hf元素與多晶硅柵容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兼容性不佳，因此金屬柵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

其他應(yīng)用ALD在金屬銅互聯(lián)擴(kuò)散阻擋層等技術(shù)中也有廣泛應(yīng)用。

金屬銅互聯(lián)擴(kuò)散阻擋層：防止銅擴(kuò)散，保護(hù)器件性能。

通過上述介紹，我們可以看到，PVD、CVD和ALD三種薄膜沉積技術(shù)各有特點(diǎn)和優(yōu)勢，它們在半導(dǎo)體制造過程中發(fā)揮著不可替代的作用。PVD主要用于金屬膜層的沉積，CVD適用于多種介質(zhì)膜層和半導(dǎo)體膜層的沉積，而ALD則在先進(jìn)制程中展現(xiàn)出卓越的膜厚控制和臺階覆蓋能力。這些技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，為半導(dǎo)體行業(yè)的進(jìn)步提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。