半导体前端工艺：沉积——“更小、更多”，微细化的关键（上）

沉积：“加法工艺” 在前几篇文章（点击查看），我们一直在借用饼干烘焙过程来形象地说明半导体制程 。在上一篇我们说到，为制作巧克力夹心，需通过“刻蚀工艺”挖出饼干的中间部分，然后倒入巧克力糖浆，再盖上一层饼干层。“倒入巧克力糖浆”和“盖上饼干层”的过程在半导体制程中就相当于“沉积工艺”。

▲图1：倒入巧克力糖浆后，再盖上一层饼干层

沉积工艺非常直观：将晶圆基底投入沉积设备中，待形成充分的薄膜后，清理残余的部分即可以进入下一道工艺了。

在半导体制程中，移除残余材料的“减法工艺”不止“刻蚀”一种，引入其他材料的“加法工艺”也非“沉积”一种。比如，光刻工艺中的光刻胶涂敷，其实也是在基底上形成各种薄膜；又如氧化工艺中晶圆（硅）氧化，也需要在基底表面添加各种新材料。那为什么唯独要强调“沉积”工艺呢？

这背后的原因，正是半导体的微细化趋势。如今，市场对电子产品的性能和低电耗的要求越来越高，这就需要更加“微细”的半导体来做支撑。如果采用体积更小、耗能更低的半导体，就可以在电子产品中添加更多功能。想实现半导体的微细化，就需要由不同材料沉积而成的薄膜层，使芯片内部不同部分各司其职。金属层就是其中的一种。过去，半导体制造商曾采用导电性1较高的铝做芯片的金属布线。但随着铝微细化技术遇到瓶颈，制造商就利用导电性更高的铜代替铝布线。但采用铜就出现了一个新问题，与铝不同，铜会扩散到不应扩散的地方（二氧化硅，SiO2）。为防止铜扩散，制造商们就必须在铜布线区形成阻挡层，即一种高质量的薄膜涂层。

半导体核心元件层与布线层厚度只有头发的数千分之一，想堆叠如此微细的元件和布线层，就需要沉积超薄且厚度极均匀的薄膜。这也是为什么沉积技术在半导体制程技术如此重要。本期文章所涉及的“沉积工艺”，又称为薄膜（Thin film）工艺，希望能为读者提供参考。

薄膜的分类与作用

“加法工艺”在半导体制程中至关重要，因为半导体是无法仅凭硅一种材料完成任何操作的：薄膜可以划分两个区域，使其不互相干扰；或通过互连电线，连接两个区域；必要时，还需要通过特殊的薄膜涂层来加强或减弱电场的力度；还可提前生成薄膜，为下一道工艺做准备等。接下来我们将详细讲解一下薄膜的几种作用。

介质薄膜是重要的半导体薄膜之一。它可用作电路间的绝缘层，掩蔽半导体核心元件的相互扩散和漏电现象，从而进一步改善半导体操作性能的可靠性；它还可用作保护膜，在半导体制程的最后环节生成保护膜，保护芯片不受外部冲击；或用作隔离膜，在堆叠一层层元件后进行刻蚀时，防止无需移除的部分被刻蚀。浅槽隔离（STI，Shallow Trench Isolation）2和金属层间电介质层（IMD，Intermetal Dieletric）3就是典型的例子。沉积材料主要有二氧化硅（SiO2），碳化硅（SiC）和氮化硅（SiN）等。

▲图2：STI在相邻元件之间形成陡峭沟渠，防止漏电

另外，还有金属薄膜。芯片底部的元件（晶体管）如果未经连接是起不到任何作用的。想要使不同的元件各司其职，必须将它们与其他元件和电源连接起来。元件的连接需要通过钛、铜或铝等金属进行布线，连接金属布线和元件，还需要生成接触点（Contact）。这就像家电产品中连接电子线路板上的元件与元件时需焊接电线一样：连在电子线路板上的电线相当于半导体的金属布线，焊接点就相当于半导体内的接触点。

除此之外，沉积工艺在晶体管的高介电性薄膜和用于多重曝光4的硬掩模等方面应用范围也非常广泛。可以说，沉积在制造工艺中无处不在。不仅如此，过去没有采用沉积方式的工艺如今也开始采用沉积方式。高介电性薄膜就是其中之一。随着半导体的微细化发展，半导体需要更高质量、更精准的薄膜。因此，过去以氧化工艺制作的高介电性薄膜，如今也开始以沉积方式制作。

衡量沉积质量的主要指标：均匀度、台阶覆盖率、沟槽填充

▲图3：高均匀度&低均匀度的示例

在讲解薄膜沉积方式之前，我们先来了解几个衡量沉积质量的主要指标。这些指标与刻蚀工艺有很多相似之处。第一个指标就是均匀度。顾名思义，该指标就是衡量沉积薄膜厚度均匀与否的参数。薄膜沉积和刻蚀工艺一样，需将整张晶圆放入沉积设备中。因此，晶圆表面不同角落的沉积涂层有可能厚度不一。高均匀度表明晶圆各区域形成的薄膜厚度非常均匀。

第二个指标为台阶覆盖率（Step Coverage）。如果晶圆表面有断层或凹凸不平的地方，就不可能形成厚度均匀的薄膜。台阶覆盖率是考量膜层跨台阶时，在台阶处厚度损失的一个指标，即跨台阶处的膜层厚度与平坦处膜层厚度的比值。台阶覆盖率越接近1，表明跨台阶处（底部或侧壁）膜层厚度与平坦处膜层相差越少，越远离1（即越小于1）表明跨台阶处的膜层厚度对比平坦处膜层厚度越薄。

▲ 图4：台阶覆盖率（上图）& 沟槽填充（下图）示例

最后一个指标是沟槽填充（Gap fill）。沟槽填充是衡量沟槽（Gap）填充程度的一个参数。如图4所示，半导体表面有很多凹凸不平的沟槽，沉积过程中很难保证可以把所有沟槽都填得严严实实。沟槽填充能力差，就会形成孔洞（Void），会影响材料的致密性，从而影响薄膜强度，造成坍塌。如果说“等向性刻蚀”是没有方向选择性地移除了不该移除的部分，沉积工艺中的“沟槽填充能力差”即表明没有填充到该填充的地方。

沉积方式

与前面我们所讲的工艺相同，沉积工艺也可分为化学气相沉积（CVD，Chemical Vapor Deposition）和物理气相沉积（PVD， Physical Vapor Deposition）。CVD是指通过化学方法在晶圆表面沉积涂层的方法，一般是通过给混合气体施加能量来进行。假设想在晶圆表面沉积物质（A），则需先向沉积设备输入可生成物质（A）的两种气体（B和C），然后给气体施加能量，促使气体B和C发生化学反应。

化学方程式如下：

B + C + （能量等） →A +副产物

CVD的优点是速率快，且由于在晶圆表面发生化学反应，拥有优秀的台阶覆盖率。但从上述化学方程式中不难看出，其缺点就是产生副产物废气。在半导体制程中，很难将这些废气完全排出，难免会参杂些不纯物质。因此，CVD多用于不需要精准把控材料特性的沉积涂层，如沉积各种消耗性的膜层（硬掩模）或各种厚绝缘薄膜等。

▲ 图5：化学气相沉积 vs 物理气相沉积

PVD则向晶圆表面直接轰击要沉积的材料。也就是说，如果想在晶圆表面沉积A物质，则需将A物质气化后，使其沉积到晶圆表面。常用的PVD方法有溅射（Sputtering）5，这在刻蚀工艺中也曾涉及过。在这种方法中，我们先向A物质靶材（Target）轰击离子束（主要采用惰性气体），使A物质粒子溅射出来，再将脱落的粒子转移至硅片表面，并形成薄膜。

PVD的优点是无副产物，沉积薄膜的纯度高，且还可以沉积钨（W）、钴（Co）等无反应能力的纯净物材料。因此，多用于纯净物的金属布线。

还有一种比较特殊的方法，即原子层沉积（ALD，Atomic Layer Deposition）。前面说到的CVD和PVD两种方式，要么是通过气体的化学反应在晶圆表面沉积所需物质，要么是通过轰击离子束的物理过程沉积所需物质。ALD则与上述两种方式有所不同。如果想用这种方法在晶圆表面上沉积薄薄的一层A物质，则要先备好经反应后可生成A物质的反应物B和C。反应物B必须是容易被晶圆表面吸附的气体（前驱体，Precursor），反应物C则应具有较强的反应活性。在ALD过程中，需先把气体B吸附到晶圆表面，如果气体B之间很难相互吸附，晶圆表面将形成一层由气体B组成的原子层。然后，除去剩余气体B并输入气体C，使吸附在晶圆表面上的气体B和气体C发生反应，形成A物质和其他副产物气体，再除去多余的气体A和副产物气体。不断反复上述过程，以单原子膜形式一层一层地在基底表面镀膜。

▲ 图6：传统CVD vs ALD （摘自:（株）图书出版HANOL出版社[半导体制造技术的理解293p]）

ALD的最大优势在于沉积层极均匀的厚度与优异的台阶覆盖率。气态前驱体可纵横吸附，且ALD一个周期只沉积一层原子层。但正是因为单原子层需要逐次沉积，沉积速率也就慢了下来。因此，ADL多用于DRAM电容器等纵横比6高，需要高质量膜层的区域。

从上述对沉积工艺的说明中不难看出，沉积工艺中也存在需权衡之处：要提高均匀度等精确度，只能牺牲沉积速率。在整个半导体制程中，精确度和速率似乎永远位于跷跷板的两端，需要不断权衡，这对于沉积工艺来说也不例外。下期讲讲材料与温度和材料选择。