一文读懂PVD和CVD：半导体薄膜沉积关键技术
一文读懂PVD和CVD：半导体薄膜沉积关键技术
在半导体制造领域，PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积）是极为关键的两种薄膜沉积技术，它们各自有着独特的特点、明显的区别以及广泛的应用场景。本文将从原理、特点、区别到具体应用，对这两种技术进行详细的介绍。
特点
PVD
低温沉积优势：一般工作温度处于300℃ - 500℃的区间，这一特性使得在半导体制造过程中，能有效避免对晶圆上已形成的精细结构和热敏材料造成热损伤。例如在先进制程工艺中，当需要在已完成部分加工的晶圆上沉积薄膜时，低温沉积可确保之前形成的晶体管、电路等结构不受高温影响，维持其性能的稳定性。
快速成膜效能：成膜速率相当快，在较短的时间内就能完成薄膜的沉积。这不仅提高了生产效率，还能满足大规模半导体制造对产能的需求。以芯片制造为例，快速成膜有助于缩短生产周期，降低生产成本。
精确厚度控制：凭借先进的技术手段，能够实现原子级别的薄膜厚度控制，精确性极高。这种高精度的控制能力，对于制备高性能的半导体器件至关重要，比如在制造存储芯片时，精确的薄膜厚度能确保存储单元的性能一致性和稳定性。
良好台阶覆盖：可以在复杂形状的半导体结构上实现良好的台阶覆盖。在半导体器件不断向小型化、精细化发展的趋势下，芯片表面的结构愈发复杂，PVD技术能够在这些复杂结构上均匀地沉积薄膜，保证薄膜的质量和性能。
高纯度薄膜：由于通常不涉及化学反应，在沉积过程中引入杂质的概率较低，因此制备出的薄膜纯度较高。高纯度的薄膜对于提高半导体器件的电学性能、可靠性等方面具有重要意义。
CVD
高温结晶优势：通常在700℃ - 1200℃的较高温度下进行沉积。高温环境使得薄膜原子的扩散更加充分，有助于形成高质量的结晶结构。比如在生长硅外延层时，高温下的原子扩散能够使硅原子排列更加规则，从而提高外延层的晶体质量，提升半导体器件的性能。
灵活成分调控：通过精细调整反应气体的种类、流量、比例以及反应温度、压力等参数，可以精确地控制薄膜的化学成分和性能。这使得CVD技术能够制备出满足不同需求的各种薄膜材料，为半导体器件的多样化设计和制造提供了有力支持。
大面积均匀沉积：在大面积的半导体晶圆上，CVD技术能够实现高度均匀的薄膜沉积。随着半导体制造工艺向大尺寸晶圆发展，均匀的薄膜沉积对于保证整片晶圆上器件性能的一致性至关重要，CVD技术在这方面表现出色。
强附着力与致密性：所形成的薄膜具有良好的致密性和附着力。致密的薄膜结构可以有效阻挡外界杂质的侵入，提高半导体器件的稳定性和可靠性；而强附着力则确保薄膜在后续的加工和使用过程中不会轻易脱落，保障了器件的长期性能。
材料沉积多样性：能够沉积多种材料的薄膜，除了常见的硅化物、氮化物外，还可以制备各种化合物薄膜和复合材料薄膜。这种材料沉积的多样性，满足了半导体制造中不同功能层的需求，推动了半导体技术的不断创新和发展。
区别
原理
PVD：主要基于物理过程实现薄膜沉积。蒸发过程中，通过加热使固体材料原子获得足够能量，从固态转变为气态，然后在晶圆表面凝结成膜；溅射过程则是利用高能离子束轰击固体靶材，使靶材原子被溅射出来，沉积在晶圆表面形成薄膜。整个过程中，材料的原子或分子只是发生了物理状态的改变，没有发生化学反应。
CVD：依靠化学反应来完成薄膜的制备。气态的反应物在高温、催化剂等条件的作用下，在晶圆表面发生化学反应，生成固态的产物并沉积下来形成薄膜。例如，硅烷（SiH₄）和氧气（O₂）在高温下反应生成二氧化硅（SiO₂）薄膜，同时产生氢气（H₂）作为副产物。
设备
PVD：设备相对而言较为简单。主要由真空腔室、蒸发源或溅射靶、电源系统、真空抽气系统等组成。真空腔室为薄膜沉积提供一个高真空的环境，减少杂质的引入；蒸发源或溅射靶是提供薄膜材料的源头；电源系统为蒸发或溅射过程提供能量；真空抽气系统则负责维持腔室内的高真空状态。
CVD：设备结构更为复杂。除了具备类似PVD设备的真空腔室和真空抽气系统外，还需要有气体供应系统，用于精确控制各种反应气体的流量和比例；加热系统，为化学反应提供所需的高温环境；尾气处理系统，用于处理反应过程中产生的有害气体，确保生产过程的环保和安全。
薄膜特性
PVD：薄膜的应力控制相对较为容易。通过调整沉积参数，如沉积速率、温度等，可以有效地控制薄膜内部的应力，减少薄膜因应力过大而产生裂纹或脱落的风险。然而，由于其物理沉积过程的特点，PVD薄膜的结晶度可能不如CVD薄膜。
CVD：所制备的薄膜通常具有更好的结晶性和化学均匀性。高温下的化学反应使得原子有足够的时间和能量进行排列和扩散，从而形成更加规则的晶体结构和均匀的化学成分。但由于高温过程以及化学反应的复杂性，CVD薄膜可能存在较高的内应力，需要在工艺中采取相应的措施进行调控。
应用
PVD
金属互连线路：在半导体器件中，常用于沉积铜、铝等金属薄膜，作为器件的互连线路。这些金属具有良好的导电性，能够实现芯片内部各个功能单元之间的电气连接，确保信号的快速传输。例如，在超大规模集成电路中，PVD技术制备的铜互连线路，大大提高了芯片的运行速度和性能。
电极制备：在半导体器件的电极制备中应用广泛。如在二极管、晶体管等器件中，PVD沉积的金属薄膜电极，不仅提供了良好的导电性，还与半导体材料形成良好的欧姆接触，确保器件能够正常工作。
阻挡层沉积：可用于沉积阻挡层薄膜，防止不同材料之间的相互扩散。在多层结构的半导体器件中，不同材料之间的扩散可能会导致器件性能下降甚至失效。PVD制备的阻挡层薄膜能够有效地阻止这种扩散，保证器件的性能和可靠性。
CVD
绝缘层制备：在半导体制造中大量用于沉积绝缘层，如二氧化硅薄膜。绝缘层在半导体器件中起到电气隔离的作用，防止不同电路之间的漏电和干扰。例如，在芯片制造过程中，通过CVD技术沉积的二氧化硅绝缘层，将不同的晶体管和电路层隔开，确保芯片的正常运行。
半导体外延层生长：用于生长半导体外延层，这是制备高性能半导体器件的关键工艺。通过精确控制CVD工艺参数，可以在已有半导体衬底上生长出具有特定结构和性能的外延层，如在硅衬底上生长锗硅外延层，用于制造高性能的晶体管和集成电路。
功能薄膜制备：还可用于制备各种功能薄膜，如用于存储器件的氮化硅薄膜。氮化硅薄膜具有良好的电学性能和化学稳定性，在闪存等存储器件中，作为电荷存储层或阻挡层，发挥着重要的作用，提高了存储器件的存储密度和数据保持能力。