芯片是由一系列有源和无源电路元件堆叠而成的3D结构，薄膜沉积是芯片前道制造的核心工艺之一。从芯片截取横截面来看，芯片是由一层层纳米级元件堆叠而成，所有有源电路元件(例如晶体管、存储单元等)集中在芯片底部，另外的部分由上层的铝/铜互连形成的金属层及各层金属之间的绝缘介质层组成。芯片前道制造工艺包括氧化扩散、薄膜沉积、涂胶显影、光刻、离子注入、刻蚀、清洗、检测等，薄膜沉积是其中的核心工艺之一，作用是在晶圆表面通过物理/化学方法交替堆叠SiO2、SiN等绝缘介质薄膜和Al、Cu等金属导电膜等，在这些薄膜上可以进行掩膜版图形转移(光刻)、刻蚀等工艺，最终形成各层电路结构。由于制造工艺中需要薄膜沉积技术在晶圆上重复堆叠薄膜，因此薄膜沉积技术可视为前道制造中的“加法工艺”。

　　薄膜沉积是决定薄膜性能的关键，相关工艺和设备壁垒很高。芯片制造的关键在于将电路图形转移到薄膜上这一过程，薄膜的性能除了与沉积材料有关，最主要受到薄膜沉积工艺的影响。薄膜沉积工艺/设备壁垒很高，主要来自：第一，芯片由不同模块工艺集成，薄膜沉积是大多数模块工艺的关键步骤，薄膜本身在不同模块/器件中的性能要求繁多且差异化明显;第二，薄膜沉积工艺需要满足不同薄膜性能要求，新材料出现或器件结构的改变要求不断研发新的工艺或设备;第三，更严格的热预算要求更低温的生长工艺，薄膜性能不断提升要求设备具备更好集成度，另外，沉积过程还要考虑沉积速率、环境污染等指标。下面几节，我们从薄膜种类与应用、芯片制造模块工艺、性能指标等角度来阐释薄膜沉积行业的高壁垒。

　　2、薄膜主要分为半导体、介质、金属三大类，薄膜种类针对不同场景有不同侧重

　　常见的薄膜主要分为半导体、介质、金属/金属化合物薄膜三大类，特点在于沉积材料与不同场景下应用的复杂多样，并且材料的进步伴随制程等的演变，推动薄膜沉积工艺/设备不断研发。

　　1)半导体薄膜：应用范围有限，主要用于制备源/漏极的沟道区、单晶外延层和MOS栅极等。分为单晶硅、多晶硅、非晶硅等，其中多晶硅(Poly-Si)主要用于MOS的栅极等，单晶硅一般采用外延法制备，在单晶表面生长出完全排列有序的单晶体层，非晶硅/锗硅(α-Si/SiGe)主要用于光伏领域和填充半导体前段工艺源/漏的沟道区。

　　2)介质薄膜：应用范围最广泛，主要用于前段的浅槽隔离、栅氧化层、侧墙、阻挡层、金属层前介质层，后段的金属层间介质层、刻蚀停止层、阻挡层、抗反射层、钝化层等，也可以用于硬掩膜。介质薄膜是一类具备绝缘性质的薄膜，主要用来掩蔽芯片任何器件/金属间杂质相互扩散，因此应用范围最为广泛。介质薄膜沉积主要需要考虑薄膜厚度、台阶覆盖率、致密性等。最常见的介质薄膜包括氧化硅、氮化硅、低/高介电常数材料等。

　　①掺杂的/不掺杂的SiO2：应用最广泛的介质薄膜，最主要用于浅槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)、多晶硅栅的栅氧化层与侧墙、层间介质层、阻挡层、硬掩膜等。由于Si元素丰富且SiO2拥有高熔点，允许更宽的工作温度范围，因此SiO2应用最广泛。沉积过程中，SiO2要求足够薄，防止应力作用产生裂纹，同时要满足一定台阶覆盖率要求，尤其是在电极引线和元件互连时的覆盖率。SiO2可以通入硅烷与氧气制备，也可以通入TEOS(Si(OC2H5)4，四乙氧基硅烷)与氧气/臭氧制备，TEOS-SiO2的薄膜性能更好;而在SiO2中掺入杂质可以形成例如对特定离子更好的隔离效果、使薄膜具备更好的填孔能力等特性，常见的如在SiO2中掺入磷杂质形成磷硅玻璃(Phospho-silicate Glass，PSG)或者同时掺入磷杂质和硼杂质形成硼磷硅玻璃(Boro-phospho-silicate Glass，BPSG)，一般用于金属前介质层(Pre-metal dielectric，PMD);也可以掺入N元素形成氮氧化物，可用于栅氧化层、硬掩膜、抗反射涂层等;

　　②SiN/Si3N4：绝缘性能好，用于钝化层、刻蚀停止层、硬掩膜、侧墙等工艺。Si3N4的特点是相较SiO2的结构更致密、化学稳定性高，因此更适合用于钝化层和刻蚀停止层等用于掩蔽离子扩散，制备难点在于颗粒的控制;但Si3N4的介电常数很高，一般不作为层间介质(intern-metal dielectric，ILD)，否则会导致导体之间产生大的电容;

　　③低介电常数(k)介质：在后段PMD中用来替代传统SiO2。后段金属层级金属层间介质中，电路导线电阻用R表示，寄生电容用C表示，由于R与导体的横截面积呈反比，C与电容极板的距离呈反比，因此随着制程微缩，布线之间的距离减小，电容与电阻均变大，产生RC信号延迟造成信号失真，影响芯片工作速度。因此需要降低R与C，R=ρL/S，ρ是电阻率，L是导线长度，S是横截面积，由于增大导体横截面积不利于制程微缩，因此降低R的办法是选取电阻率更低的导体，比如用Cu替换Al，而在Cu布线之后，很难选择其他导体替代Cu来继续降低电阻;C=kA/d，A是横截面积，d是电介质膜层厚度，降低横截面积会导致电阻R增加，增加电介质膜层厚度会导致间隙填充更加困难，因此降低C的办法通常是降低k值，采用低k材料(例如掺杂氟元素等形成的有机材料)替代SiO2，低k介质的工艺壁垒在于保证薄膜较薄同时实现足够的机械强度、高均匀性等;

　　④高k介质(HFO2、HfSiOx、HfSiON等)：用于在栅极氧化层中替代多晶硅栅中的SiO2。晶体管尺寸不断减小，需要维持足够栅电容来保证栅控能力，因此要求栅氧化层厚度继续减薄，然而在栅氧化层物理厚度减薄到低于1.5nm时，器件漏电流大幅增加，因此需要用高介电常数k的介质替代SiO2来维持栅极保持高电容，这样可以在等效栅氧厚度(Equvalent Oxide Thickness，EOT)持续缩小的前提下，使栅介质的物理厚度相对较大，来减少栅介质漏电流;

　　3)金属及金属化合物薄膜：金属薄膜主要用于金属栅极、金属层、焊盘，金属化合物薄膜主要用于阻挡层、硬掩膜等。金属薄膜包括Al、Cu等，具备良好导电性，用于制作电极、导线、超导器件等，关键在于保证沉积速率同时沉积的金属薄膜满足较好的导电性;金属化合物薄膜包括TaN、TiN等。

　　①Al/Cu导线：用于金属籽晶层与金属导线，Al也可以作为金属栅极。0.13um以上的制程普遍使用Al作为导线，但在0.13um以下制程，由于Cu电导率更高，为了减小RC延迟，用Cu替代Al作为导线，既可以保证较高的电导率，同时还能通过减薄厚度降低电容;

　　②钨(W)：主要用于接触孔和通孔，也可以用于金属栅极。接触孔(Contact)用于将前段工艺制备的晶体管和后段工艺的第一层金属层连接，通孔(Via)用于将相邻金属层之间的连接，由于PVD制备的Al和Cu台阶覆盖率较低，而采用CVD方法沉积的W台阶覆盖率高，具有填充高深宽比通孔的能力，但是W的电阻率较高，因此W不能用于金属互连层，专门用来填充接触孔和通孔;

　　③TiN/TaN/Ta/Ti等金属化合物：主要用于阻挡层和金属栅极。在前段接触孔和后段通孔外部需要沉积一层阻挡层，用于阻挡W的扩散，在后段Al/Cu金属层外侧也需要制备一层阻挡层来阻止Al/Cu向介质层扩散;

　　④WSi2、TiSi2、CoSi2、NiSi等金属硅化物：主要用于在栅/源/漏极上层的硅化物层。在前段工艺源极、栅极、漏极上面沉积一层金属硅化物，可以降低各电极的电阻，也可以降低栅极对金属层的电阻。