文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了化學(xué)氣相淀積（CVD）工藝的核心特性和系統(tǒng)分類。

化學(xué)氣相淀積（CVD）是借助混合氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在硅片表面沉積一層固體薄膜的核心工藝。在集成電路制造流程中，CVD 工藝除了可用于沉積金屬阻擋層、種子層等結(jié)構(gòu)外，其核心應(yīng)用場景集中在沉積二氧化硅、氮化硅等介質(zhì)薄膜?；瘜W(xué)氣相淀積工藝根據(jù)工藝條件的差異，可細(xì)分為常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD）、低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）、高密度等離子體化學(xué)氣相淀積（HDPCVD）等主要類型。在沉積二氧化硅的過程中，通過摻入不同類型的雜質(zhì)，能夠制備出磷硅玻璃（PSG）、硼硅玻璃（BSG）、硼磷硅玻璃（BPSG）、氟硅玻璃（FSG）等功能化薄膜材料。

CVD 工藝核心特性

CVD 工藝的核心反應(yīng)要求反應(yīng)物必須以氣態(tài)形式參與，硅片表面及其周邊區(qū)域會(huì)被加熱，為整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)提供充足的能量，而參與反應(yīng)的所有物質(zhì)均來自外部輸入的源氣體。CVD 工藝沉積的氧化硅與通過氧化法制備的氧化硅存在本質(zhì)差異。如圖 1 所示，圖 1（b）為裸硅片；圖 1（a）是通過氧化生長法制備的二氧化硅，這類二氧化硅中的硅元素來源于硅襯底；圖 1（c）則是采用 CVD 工藝沉積的二氧化硅，其硅元素來自外部源氣體，不會(huì)像氧化法那樣消耗襯底中的硅。對比這兩種工藝不難發(fā)現(xiàn)，氧化工藝通常需要更高的反應(yīng)溫度，由此制備的氧化硅薄膜質(zhì)量更優(yōu)；而 CVD 淀積工藝所需的反應(yīng)溫度相對更低，同時(shí)具備更快的薄膜沉積速率。

CVD 系統(tǒng)內(nèi)部可發(fā)生多種類型的化學(xué)反應(yīng)，常見的包括：①高溫分解：借助熱能促使輸入的氣體分解為原子或分子；②光分解：利用光輻射的能量使化合物的化學(xué)鍵斷裂并發(fā)生分解；③氧化反應(yīng)：反應(yīng)物的原子或分子與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；④還原反應(yīng)：反應(yīng)物分子與氫發(fā)生還原反應(yīng)；⑤氧化還原反應(yīng)：將氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)相結(jié)合，反應(yīng)后生成新的化合物。

CVD 工藝中的反應(yīng)可分為異類反應(yīng)和同類反應(yīng)兩類。若反應(yīng)發(fā)生在硅片表面或緊鄰表面的區(qū)域，則稱為異類反應(yīng)，也被稱作表面催化反應(yīng)；若反應(yīng)發(fā)生在硅片表面上方較遠(yuǎn)的區(qū)域，則屬于同類反應(yīng)。在 CVD 工藝中，異類反應(yīng)是我們所追求的，因?yàn)樗苤苽涑鲑|(zhì)量更優(yōu)的薄膜。需要避免同類反應(yīng)的發(fā)生，原因在于這類反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致生成的薄膜密度低、缺陷數(shù)量多，且與襯底的黏附性能較差。

如圖 2 所示，CVD 反應(yīng)的完整過程可劃分為八個(gè)步驟：①反應(yīng)氣體傳輸至待淀積區(qū)域；②形成薄膜先驅(qū)物；③薄膜先驅(qū)物分子向硅片表面擴(kuò)散；④薄膜先驅(qū)物黏附在硅片表面；⑤薄膜先驅(qū)物向襯底內(nèi)部擴(kuò)散；⑥發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)，形成連續(xù)的薄膜；⑦副產(chǎn)物通過解吸附作用從硅片表面脫離；⑧將副產(chǎn)物從反應(yīng)腔體內(nèi)徹底去除。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，CVD 反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間至關(guān)重要，其中反應(yīng)速度最慢的階段會(huì)成為整個(gè)淀積工藝的效率瓶頸。CVD 沉積薄膜的速度限制因素主要分為兩種情況。第一種情況發(fā)生在較低的反應(yīng)溫度下，由于能夠驅(qū)動(dòng)表面化學(xué)反應(yīng)的能量不足，導(dǎo)致表面反應(yīng)速度較慢，此時(shí)反應(yīng)物到達(dá)硅片表面的速度會(huì)超過表面反應(yīng)的速度。在這種情況下，淀積速度受反應(yīng)速度制約，這一因素被稱為反應(yīng)速度限制（reaction-rate limited）。即便提供更多的反應(yīng)物，低溫環(huán)境無法滿足反應(yīng)所需的充足能量，反應(yīng)速度也不會(huì)提升。此外，若 CVD 工藝在低壓條件下進(jìn)行，反應(yīng)氣體到達(dá)硅片表面的擴(kuò)散作用會(huì)顯著增強(qiáng)，從而增加輸運(yùn)至襯底的反應(yīng)物數(shù)量，但此時(shí)沉積速度仍受表面反應(yīng)速度的限制，也就是說，低壓環(huán)境下的 CVD 工藝同樣受反應(yīng)速度限制。第二種情況是在高溫高壓條件下，CVD 反應(yīng)速度會(huì)得到大幅提升，此時(shí)整體沉積速度取決于到達(dá)硅片表面的反應(yīng)物總量，這一因素被稱為質(zhì)量傳輸限制（mass-transport limited），即高溫高壓環(huán)境下的 CVD 工藝受質(zhì)量傳輸限制。

CVD 淀積系統(tǒng)分類與特性

CVD 工藝擁有多種結(jié)構(gòu)形式的淀積系統(tǒng)，如圖 3 所示。依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部氣壓的差異，CVD 淀積系統(tǒng)可分為常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD）和減壓化學(xué)氣相淀積兩大類。其中減壓化學(xué)氣相淀積又進(jìn)一步細(xì)分為普通低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）、采用等離子體技術(shù)的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD）以及高密度等離子體化學(xué)氣相淀積（HDPCVD）。

CVD 反應(yīng)器的一個(gè)核心區(qū)別在于其采用熱壁反應(yīng)還是冷壁反應(yīng)設(shè)計(jì)。熱壁反應(yīng)器通過在反應(yīng)管道周圍布置熱電阻來實(shí)現(xiàn)加熱，這種加熱方式不僅會(huì)對硅片進(jìn)行加熱，還會(huì)加熱硅片的支撐結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)腔體的側(cè)壁。在熱壁反應(yīng)過程中，硅片表面和反應(yīng)腔側(cè)壁都會(huì)形成薄膜，因此需要定期對反應(yīng)腔進(jìn)行清洗或采用原位清除技術(shù)，以減少側(cè)壁上的顆粒污染物。與之相對，冷壁反應(yīng)器僅對硅片和硅片支撐物進(jìn)行加熱，反應(yīng)器的側(cè)壁溫度維持在較低水平，不具備發(fā)生淀積反應(yīng)所需的足夠能量。冷壁反應(yīng)能夠有效減少反應(yīng)器內(nèi)部顆粒的產(chǎn)生，是更為優(yōu)良的設(shè)計(jì)形式。

不同類型的 CVD 反應(yīng)器各自具備獨(dú)特的性能特點(diǎn)和適用場景，相關(guān)詳細(xì)信息可參考對應(yīng)的特性與應(yīng)用匯總。后續(xù)將針對各類 CVD 工藝及對應(yīng)的反應(yīng)器展開具體探討。