集成电路制造中薄膜生长工艺的发展历程和分类

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

薄膜生长是集成电路制造的核心技术，涵盖PVD、CVD、ALD及外延等路径。随技术节点演进，工艺持续提升薄膜均匀性、纯度与覆盖能力，支撑铜互连、高k栅介质及应变器件发展。未来将聚焦低温沉积、三维结构适配与新材料集成，实现性能与可靠性的协同提升。

薄膜生长工艺发展历程

薄膜生长作为采用物理或化学方法使物质附着于衬底材料表面的关键工艺，自20世纪60年代兴起以来，始终是现代信息技术、电子、传感器、光学及太阳能等领域的重要技术基石。在集成电路制造中，薄膜沉积技术依据工作原理主要划分为物理气相沉积、化学气相沉积及外延生长三大体系，各体系随技术代演进不断突破工艺边界。

早期微米技术代以多片式常压化学气相沉积设备为主，其腔室工作压力约1atm，晶圆传输与工艺流程连续进行。随着晶圆尺寸增大及IC技术代推进，单片单腔室工艺逐渐占据主导。至亚微米技术代，低压化学气相沉积设备凭借降低工作压力的特性，显著提升了薄膜均匀性与沟槽覆盖填充能力，成为主流选择。进入90nm节点后，等离子体增强化学气相沉积设备通过等离子体辅助降低化学反应温度，增强薄膜纯度与密度，在介质绝缘层、半导体材料及金属薄膜沉积中发挥关键作用。65nm技术代起，选择性SiGe外延工艺在器件源区、漏区的应用，有效提升了PMOS空穴迁移率;而45nm节点后，为应对数纳米级超薄膜沉积需求，原子层沉积工艺凭借其精准的膜厚控制与卓越均匀性被引入，成为高介电材料及金属栅工艺的核心支撑。

物理气相沉积领域，150nm晶圆时代以单片单腔室形式为主，溅射设备因薄膜均匀性、致密性、附着强度及纯度优势逐步取代真空蒸镀设备。随着技术代发展，PVD设备需从单一平面薄膜制备向复杂三维结构覆盖演进，推动腔室工作压力从毫托级向亚毫托或数十毫托范围调整，靶材至晶圆距离显著增加，磁控溅射、射频PVD及离子化PVD设备相继发展。其中，直流与射频混合电源的应用降低了入射粒子能量，减少器件损伤，此类离子化PVD腔室在铜互连及金属栅沉积中广泛应用。同时，辅助磁场、射频电源及准直器的引入，结合基座加热/冷却、射频负偏压及反溅射功能，进一步提升了工艺灵活性。当前，离子化PVD腔室正与金属化学气相沉积、原子层沉积技术融合，形成多工艺腔室集成平台，以应对复杂器件结构需求。

薄膜生长工艺分类

薄膜生长工艺作为集成电路制造的核心技术体系，涵盖物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积及外延生长四大技术路径，各路径随技术节点演进持续突破工艺边界，满足先进器件对材料性能与结构复杂性的严苛要求。

物理气相沉积(PVD)以溅射镀膜为主导技术，通过真空蒸发、离子轰击等物理过程实现薄膜沉积，广泛应用于电极与金属互连层制备。

在0.13μm铜互连时代，氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)等阻挡层材料通过反应溅射工艺实现——在氩气(Ar)基础上引入氮气(N₂)，使靶材Ti/Ta与N₂反应生成化合物薄膜，有效抑制铜原子扩散。当前PVD技术已发展出直流、射频、磁控三种主流溅射方式，其中磁控溅射凭借高离子化效率与低损伤特性，在铜互连、金属栅等精细结构中占据优势。随着多层金属布线层数增加，PVD材料体系持续扩展，涵盖Al-Si、Al-Cu、Ti、Ta、Co、WSi₂等合金及化合物，同时设备真空度提升至1×10⁻⁷~9×10⁻⁹Torr量级，确保气体纯度与薄膜均匀性，并通过尘埃数量、电阻值、应力等参数精准调控工艺窗口。

化学气相沉积(CVD)通过气相反应物在衬底表面发生化学反应生成固态薄膜，广泛应用于氧化物、氮化物、碳化物及多晶硅等材料沉积。

按压力分类，常压(APCVD)、亚常压(SAPCVD)、低压(LPCVD)各具特色——LPCVD通过降低工作压力提升薄膜均匀性与沟槽填充能力，成为亚微米节点主流;按能量分类，等离子体增强(PECVD)、高密度等离子体(HDPCVD)、快速热(RTCVD)及流动性(FCVD)等技术持续创新，其中FCVD凭借优异的缝隙填充能力，在三维结构中展现独特优势。典型反应如硅烷(SiH₄)与氧气(O₂)生成SiO₂，或与磷烷(PH₃)、硼烷(B₂H₆)掺杂形成功能薄膜，反应源亦扩展至N₂O、TEOS、WF₆等，满足不同介电常数、应力及击穿电压需求。选择性外延技术如SiGe源漏外延，通过CVD在单晶衬底上延续晶格生长，提升PMOS空穴迁移率，成为65nm节点后关键工艺。

原子层沉积(ALD)以自限制单层生长机制为核心，通过交替脉冲前驱物实现原子级厚度控制与优异台阶覆盖率，成为高k栅介质、金属栅、铜互连阻挡层等超薄膜层的首选技术。其自限制特性源于前驱物在衬底表面的化学吸附与反应饱和机制，确保每层沉积厚度精确至亚纳米级。在FinFET、3D NAND等三维结构中，ALD凭借卓越的沟槽填充均匀性，支撑栅极侧墙、高深宽比通孔等精细结构制备。随着技术节点推进，ALD前驱物研发持续突破，如铪基、锆基高k材料前驱物优化，以及金属有机前驱物在金属栅沉积中的应用，推动薄膜性能与工艺稳定性同步提升。

外延工艺通过单晶衬底上生长有序单晶层，实现晶格匹配与缺陷控制，广泛应用于硅外延片、嵌入式源漏、LED衬底等领域。固相外延通过离子注入后热退火实现非晶层再结晶，恢复单晶结构;气相外延以化学气相外延(CVD外延)为主导，通过超净腔体与低温工艺(600~700℃)实现高质量单晶生长。外延硅层凭借高纯度、低缺陷特性提升成品率，并通过厚度与掺杂浓度灵活设计优化器件性能。嵌入式源漏外延通过锗硅(SiGe)应力层引入，提升沟道载流子迁移率并降低寄生电阻，成为先进逻辑器件关键技术。随着三维集成技术发展，外延工艺向三维外延、低温外延等方向拓展，支撑新型器件结构创新。

面向未来，薄膜生长工艺持续向新材料适配、低温工艺、三维结构覆盖及界面性能控制方向演进。二维材料、超导材料等新兴薄膜材料的沉积工艺研发加速，推动设备与工艺协同创新;热预算限制趋严驱动低温ALD、等离子体辅助CVD等技术突破;三维器件结构复杂化要求薄膜生长具备更高深宽比沟槽填充能力与膜厚控制精度;系统集成度提升与自动化控制技术进步，推动多工艺腔室集成平台向智能化、模块化方向发展，实现多材料、多工艺的协同优化，最终在性能、成本与可靠性间取得平衡突破。