化学气相淀积工艺的核心特性和系统分类

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了化学气相淀积（CVD）工艺的核心特性和系统分类。  

化学气相淀积（CVD）是借助混合气体发生化学反应，在硅片表面沉积一层固体薄膜的核心工艺。在集成电路制造流程中，CVD 工艺除了可用于沉积金属阻挡层、种子层等结构外，其核心应用场景集中在沉积二氧化硅、氮化硅等介质薄膜。化学气相淀积工艺根据工艺条件的差异，可细分为常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）、等离子体增强化学气相淀积（PECVD）、高密度等离子体化学气相淀积（HDPCVD）等主要类型。在沉积二氧化硅的过程中，通过掺入不同类型的杂质，能够制备出磷硅玻璃（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 工艺核心特性

CVD 工艺的核心反应要求反应物必须以气态形式参与，硅片表面及其周边区域会被加热，为整个反应系统提供充足的能量，而参与反应的所有物质均来自外部输入的源气体。CVD 工艺沉积的氧化硅与通过氧化法制备的氧化硅存在本质差异。如图 1 所示，图 1（b）为裸硅片；图 1（a）是通过氧化生长法制备的二氧化硅，这类二氧化硅中的硅元素来源于硅衬底；图 1（c）则是采用 CVD 工艺沉积的二氧化硅，其硅元素来自外部源气体，不会像氧化法那样消耗衬底中的硅。对比这两种工艺不难发现，氧化工艺通常需要更高的反应温度，由此制备的氧化硅薄膜质量更优；而 CVD 淀积工艺所需的反应温度相对更低，同时具备更快的薄膜沉积速率。

CVD 系统内部可发生多种类型的化学反应，常见的包括：①高温分解：借助热能促使输入的气体分解为原子或分子；②光分解：利用光辐射的能量使化合物的化学键断裂并发生分解；③氧化反应：反应物的原子或分子与氧发生化学反应；④还原反应：反应物分子与氢发生还原反应；⑤氧化还原反应：将氧化反应与还原反应相结合，反应后生成新的化合物。

CVD 工艺中的反应可分为异类反应和同类反应两类。若反应发生在硅片表面或紧邻表面的区域，则称为异类反应，也被称作表面催化反应；若反应发生在硅片表面上方较远的区域，则属于同类反应。在 CVD 工艺中，异类反应是我们所追求的，因为它能制备出质量更优的薄膜。需要避免同类反应的发生，原因在于这类反应会导致生成的薄膜密度低、缺陷数量多，且与衬底的黏附性能较差。

如图 2 所示，CVD 反应的完整过程可划分为八个步骤：①反应气体传输至待淀积区域；②形成薄膜先驱物；③薄膜先驱物分子向硅片表面扩散；④薄膜先驱物黏附在硅片表面；⑤薄膜先驱物向衬底内部扩散；⑥发生表面化学反应，形成连续的薄膜；⑦副产物通过解吸附作用从硅片表面脱离；⑧将副产物从反应腔体内彻底去除。

在实际生产过程中，CVD 反应的持续时间至关重要，其中反应速度最慢的阶段会成为整个淀积工艺的效率瓶颈。CVD 沉积薄膜的速度限制因素主要分为两种情况。第一种情况发生在较低的反应温度下，由于能够驱动表面化学反应的能量不足，导致表面反应速度较慢，此时反应物到达硅片表面的速度会超过表面反应的速度。在这种情况下，淀积速度受反应速度制约，这一因素被称为反应速度限制（reaction-rate limited）。即便提供更多的反应物，低温环境无法满足反应所需的充足能量，反应速度也不会提升。此外，若 CVD 工艺在低压条件下进行，反应气体到达硅片表面的扩散作用会显著增强，从而增加输运至衬底的反应物数量，但此时沉积速度仍受表面反应速度的限制，也就是说，低压环境下的 CVD 工艺同样受反应速度限制。第二种情况是在高温高压条件下，CVD 反应速度会得到大幅提升，此时整体沉积速度取决于到达硅片表面的反应物总量，这一因素被称为质量传输限制（mass-transport limited），即高温高压环境下的 CVD 工艺受质量传输限制。

CVD 淀积系统分类与特性

CVD 工艺拥有多种结构形式的淀积系统，如图 3 所示。依据系统内部气压的差异，CVD 淀积系统可分为常压化学气相淀积（APCVD）和减压化学气相淀积两大类。其中减压化学气相淀积又进一步细分为普通低压化学气相淀积（LPCVD）、采用等离子体技术的等离子体增强化学气相淀积（PECVD）以及高密度等离子体化学气相淀积（HDPCVD）。

CVD 反应器的一个核心区别在于其采用热壁反应还是冷壁反应设计。热壁反应器通过在反应管道周围布置热电阻来实现加热，这种加热方式不仅会对硅片进行加热，还会加热硅片的支撑结构以及反应腔体的侧壁。在热壁反应过程中，硅片表面和反应腔侧壁都会形成薄膜，因此需要定期对反应腔进行清洗或采用原位清除技术，以减少侧壁上的颗粒污染物。与之相对，冷壁反应器仅对硅片和硅片支撑物进行加热，反应器的侧壁温度维持在较低水平，不具备发生淀积反应所需的足够能量。冷壁反应能够有效减少反应器内部颗粒的产生，是更为优良的设计形式。

不同类型的 CVD 反应器各自具备独特的性能特点和适用场景，相关详细信息可参考对应的特性与应用汇总。后续将针对各类 CVD 工艺及对应的反应器展开具体探讨。