从微米到纳米：解析薄膜生长四大核心工艺（PVD/CVD/ALD/外延）的技术演进与挑战

作为连接材料科学与集成电路制造的关键桥梁，薄膜生长工艺通过物理或化学方法使物质精准附着于衬底表面，自20世纪60年代兴起以来，始终是现代信息技术、电子器件、传感器、光学及太阳能等领域的基石。本文将深入探讨物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）及外延生长这四大核心工艺的原理、技术演进及未来挑战。

薄膜生长工艺的发展历程

在集成电路制造的宏大叙事中，薄膜沉积技术的演进与工艺节点紧密同步。早期微米技术代以多片式常压化学气相沉积（APCVD）设备为主流，其腔室工作压力约为1个大气压，晶圆传输与工艺处理连续进行。随着晶圆尺寸增大和技术节点推进，单片单腔室工艺凭借更好的均匀性和可控性逐渐成为主导。

进入亚微米技术代，低压化学气相沉积（LPCVD）设备通过降低工作压力，显著提升了薄膜的均匀性与对微细沟槽的覆盖填充能力，成为行业标配。当工艺节点推进至90nm时，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术崭露头角，它利用等离子体辅助降低化学反应所需温度，同时增强了薄膜的纯度与致密性，在介质绝缘层、半导体材料及金属薄膜沉积中扮演了关键角色。

65nm节点是一个重要里程碑，选择性锗硅（SiGe）外延工艺被应用于PMOS器件的源区和漏区，有效提升了空穴迁移率。而进入45nm及更先进节点后，为了应对仅有数纳米厚的超薄膜沉积需求，原子层沉积（ALD）工艺因其原子级精度的膜厚控制与卓越的均匀性被引入生产线，成为高介电常数（高k）栅介质及金属栅工艺的核心支撑技术。

在物理气相沉积（PVD）领域，发展轨迹同样清晰。150mm晶圆时代，PVD以单片单腔室形式为主，溅射镀膜技术因在薄膜均匀性、致密性、附着强度及纯度方面的综合优势，逐步取代了早期的真空蒸镀技术。随着技术节点向更小尺寸迈进，PVD设备的需求从简单的平面薄膜制备，转向为复杂的三维结构提供均匀覆盖。这推动了腔室工作压力从毫托级向亚毫托范围调整，靶材到晶圆的距离显著增加，磁控溅射、射频PVD及离子化PVD等更先进的技术相继发展起来。

核心工艺分类详解

物理气相沉积（PVD）

PVD主要通过物理过程（如溅射、蒸发）实现薄膜沉积，是制备电极与金属互连层的主流技术。其中，溅射镀膜占据主导地位。

典型的PVD工艺过程可描述如下：在真空腔室内，阴极连接金属靶材（如钛、铝），阳极连接作为衬底的晶圆。通入氩气后，在高压下产生氩等离子体区。氩离子在电场加速下轰击阴极靶材，将其表面的金属原子溅射出来。这些被溅射出的金属原子在腔室内向衬底方向迁移，最终沉积在晶片表面，形成所需的金属薄膜。

在0.13μm铜互连工艺中，氮化钛（TiN）、氮化钽（TaN）等阻挡层材料便是通过“反应溅射”工艺实现的——即在氩气（Ar）氛围中引入氮气（N₂），使靶材金属（Ti/Ta）与氮气发生反应，从而在晶圆上直接生成化合物薄膜，有效抑制后续铜原子的扩散。

当前，PVD技术已发展出直流溅射、射频溅射和磁控溅射三种主要方式。磁控溅射凭借其更高的离化效率和更低的衬底损伤，在铜互连、金属栅等精细结构制备中占据优势。随着集成电路中多层金属布线层数的增加，PVD所涉及的材料体系也不断扩展，涵盖了Al-Si、Al-Cu合金以及Ti、Ta、Co、WSi₂等多种单质及化合物。

化学气相沉积（CVD）

CVD工艺通过气相反应物在加热的衬底表面发生化学反应，生成固态薄膜并沉积下来，广泛应用于氧化物、氮化物、碳化物及多晶硅等材料的沉积。

一个典型的CVD工艺示意图展示了其工作原理：源材料气体通过上方的气体喷嘴向下喷射，在反应腔内形成强制对流区。气流到达加热的晶片表面时，在晶片上方形成一个边界层。反应物气体扩散通过边界层，在晶片表面发生化学反应，生成固态薄膜，而副产品气体则被气流带走排出系统。

根据反应压力，CVD可分为常压（APCVD）、亚常压（SAPCVD）和低压（LPCVD）。其中，LPCVD因能提供优异的薄膜均匀性和台阶覆盖能力，成为亚微米节点后的主流技术。根据能量输入方式，又衍生出等离子体增强（PECVD）、高密度等离子体（HDPCVD）、快速热（RTCVD）以及流动式（FCVD）等多种技术。FCVD因其出色的缝隙填充能力，在三维集成电路结构中展现出独特优势。

一个经典的CVD反应实例是硅烷（SiH₄）与氧气（O₂）反应生成二氧化硅（SiO₂）薄膜。通过引入磷烷（PH₃）或硼烷（B₂H₆）等掺杂气体，可以形成具有特定电学性能的掺杂薄膜。反应源材料也扩展到一氧化二氮（N₂O）、正硅酸乙酯（TEOS）、六氟化钨（WF₆）等，以满足不同介电常数、应力及击穿电压的需求。

此外，选择性外延生长技术，如用于PMOS源漏区的SiGe外延，本质上也属于CVD范畴。它在单晶硅衬底上通过气相化学反应，外延生长出晶格匹配的锗硅单晶层，从而引入应力，提升器件性能。

原子层沉积（ALD）

ALD是一种以前驱体化学吸附饱和为基础的自限制性薄膜生长技术。其核心在于将不同的前驱体以交替脉冲的方式通入反应腔，每种前驱体与衬底表面的反应是自限制的，即一旦表面活性位点被完全占据，反应自动停止。这使得ALD能够实现亚纳米级的精确膜厚控制，并具备近乎100%的台阶覆盖率，对于高深宽比的复杂三维结构（如FinFET、3D NAND）而言是无可替代的技术。

在先进逻辑工艺中，ALD是沉积高k栅介质（如HfO₂）和金属栅电极的关键。在存储器和互连领域，它用于制备铜互连的阻挡层和衬垫层。随着技术发展，新型前驱体的开发（如用于高k材料的铪、锆前驱体，用于金属的有机金属前驱体）不断推动着ALD工艺性能和稳定性的边界。

外延生长工艺

外延生长是在单晶衬底上，沿着其原有晶向，生长一层新的单晶薄层的过程。这层外延层与衬底具有连续的晶格结构，可以实现精确的掺杂控制和极低的缺陷密度。

固相外延（SPE）通常指通过离子注入形成非晶层后，再经过热退火使其外延再结晶的过程。而气相外延，主要即指化学气相外延，在超净的腔体中，通过低温（600-700℃）化学反应实现高质量单晶层的生长。

外延硅片具有高纯度、低缺陷的优点，能大幅提升器件成品率。嵌入式源漏外延，如前文提到的SiGe外延，通过引入应力提升沟道载流子迁移率，是先进逻辑器件的关键技术之一。此外，外延工艺也是制备化合物半导体（如GaN-on-Si用于LED）和绝缘体上硅（SOI）等特殊衬底的核心手段。

未来趋势与挑战

面向更先进的工艺节点和新兴应用，薄膜生长工艺正朝着以下几个关键方向演进：

1. 新材料适配：二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）、超导材料、新型铁电/多铁材料等新型薄膜的沉积工艺正在被加速研发，这对设备和工艺提出了全新的挑战。
2. 低温工艺：随着三维集成和堆叠技术的发展，工艺热预算受到严格限制，驱动着低温ALD、等离子体辅助CVD等低温沉积技术的突破。
3. 三维结构覆盖：从FinFET到GAA晶体管，再到3D NAND和先进封装中的硅通孔（TSV），器件结构的三维化要求薄膜生长技术具备更高的深宽比填充能力和侧壁均匀性。
4. 界面与性能控制：在原子尺度上控制薄膜的界面特性、应力、晶相和电学性能，成为提升器件可靠性和性能的关键。
5. 系统集成与智能化：将PVD、CVD、ALD等多个工艺模块集成到同一个平台，并引入更先进的自动化控制和智能 & 数据 & 云技术进行实时监控与优化，是实现多材料、多工艺协同，最终在性能、成本与可靠性间取得最佳平衡的必然路径。

参考资料

[1] 薄膜生长工艺概述, 微信公众号：mp.weixin.qq.com/s/tD_E3sYMsyoCvnPJhCVLRw

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