薄膜沉积工艺

半导体器件中的各种薄膜的制备是半导体工艺中不可或缺的一环，其主要制备方法有化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等。平台现有多台薄膜沉积设备，包括：沉积金属、磁性材料的电子束蒸发镀膜设备（EBE）和沉积化合物等多样材料的多靶磁控溅射镀膜系统，沉积介质薄膜的等离子体增强化学气相沉积系统（PECVD）和低压化学气相沉积（LPCVD）；沉积高精度，高质量氧化物薄膜的原子层沉积（ALD）以及离子束沉积（IBS）和光学镀膜机。

薄膜沉积厚度范围从纳米级到微米级。

物理气相沉积（PVD）是指在真空状态下，加热源材料，使原子或分子从源材料表面逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。如EBE,磁控溅射，IBS等。

化学气相沉积（CVD）是使气态物质在固体的表面上发生化学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态薄膜的过程。主要分为四个重要的阶段：1、反应气体向基体表面扩散；2、反应气体吸附于基体表面；3、在基体表面上产生的气相副产物脱离表面；4、留下的反应物形成覆层。如PECVD,LPCVD，ALD等。

表1.各种薄膜沉积方式的优劣对比

项目	原子层沉积(ALD)	物理气相沉积(PVD)	化学气相沉积(CVD)	低压化学气相沉积（LPCVD炉管）
沉积原理	表面反应-沉积	蒸发-凝固	气相反应-沉积	低压化学气相沉积（炉管式）
沉积过程	单层生长	形核长大	形核长大	形核长大
台阶覆盖力	优秀	一般	好	好
沉积速率	极慢	较快	快	较慢
沉积温度	低	低	高	更高
沉积层均匀性	优秀	一般	较好	优秀
厚度控制	反应循环数	沉积时间	沉积时间，气相分压	沉积时间，气体比
成分	均匀杂质少	无杂质	有少量	无杂质

表2. 薄膜沉积设备概况

沉积材料	薄膜沉积设备	特点	工艺温度
氧化硅氮化硅氮氧化硅	等离子体增强化学气相沉积系统PECVD	低应力、均匀性高	100-300℃
	低压化学气相沉积LPCVD	均匀性高，台阶覆盖率高,立式	1050℃
	TEOS 低压化学气相沉积系统TEOS-LPCVD	均匀性高，台阶覆盖率高,立式,填孔能力强	725℃

金属薄膜	电子束蒸发镀膜	6穴坩埚，多种金属，多层蒸发。高垂直性，易于lift-off工艺。	室温-100℃
	8英寸磁控溅射镀膜系统	高速低温溅射，致密性好	室温-500℃
	磁控溅射镀膜	高速低温溅射，致密性好	室温-600℃
	离子束溅射系统	1.具有聚焦型离子光学系统的溅射离子源所产生的离子束直接轰击到靶材表面上，被溅射出来的靶材物质沉积到斜向下的衬底表面； 2.与衬底相对的辅助离子源（可选准直或发散离子光学系统）一方面可以实现沉积前的衬底表面清洗及活化，也可以实现沉积过程中的辅助溅射轰击，以调节改变薄膜特性； 3.沉积过程中，离子能量、离子束流、各气体分压、溅射角度、旋转速度等参量均可精确独立控制； 4. 具备薄膜生长应力控制功能，可溅射10μm以上的高密度超厚膜，以及sub-5nm的超薄膜，还可控制生长晶向、晶粒尺寸等；
非晶硅多晶硅	低压化学气相沉积LPCVD	膜厚不均匀性<3%	560℃-650℃
金属氧化物金属氮化物氧化物半导体薄膜	8英寸磁控溅射镀膜系统	1. 可实现原位基片清洗、多层复合薄膜、多靶共溅复合薄膜沉积； 2. 原位金属氧化与氮化物薄膜沉积； 3. 原位基片加热。	室温—60℃
	原子层沉积	沉积Al₂O₃,TiO₂等超薄高保形性、高台阶覆盖能力的介质薄膜材料，厚度可实现原子层的控制 1atom-layer/cycle）。沉积较慢，厚膜需要较长时间。	室温〜300°C
	磁控溅射系统	高速低温溅射，致密性好

表3. 金属薄膜沉积能力概况

反应离子束薄膜沉积设备

光学镀膜机

低压化学气相沉积系统

8英寸磁控溅射（自备靶材）

√

等离子增强原子层沉积设备

磁控溅射镀膜机（自备靶材）

√

电子束蒸发镀膜

√

等离子增强化学气相沉积

表4. 介质薄膜沉积能力概况

	氧化硅	氮化硅	SiONx	ITO	SiC	AlN	Al2O3	HfO2	Hf3N4	TiO2	VO2
反应离子束薄膜沉积设备											√
光学镀膜机	√									√
低压化学气相沉积系统	√	√
8英寸磁控溅射（自备靶材）	√	√	√	√	√	√	√	√	√	√	√
等离子增强原子层沉积设备							√			√
磁控溅射镀膜机（自备靶材）	√	√	√	√	√	√	√	√	√	√	√
电子束蒸发镀膜
等离子增强化学气相沉积	√	√	√

工艺能力

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