文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了化學氣相淀積（CVD）工藝的核心特性和系統分類。

化學氣相淀積（CVD）是借助混合氣體發生化學反應，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、種子層等結構外，其核心應用場景集中在沉積二氧化硅、氮化硅等介質薄膜。化學氣相淀積工藝根據工藝條件的差異，可細分為常壓化學氣相淀積（APCVD）、低壓化學氣相淀積（LPCVD）、等離子體增強化學氣相淀積（PECVD）、高密度等離子體化學氣相淀積（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，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 工藝的核心反應要求反應物必須以氣態形式參與，硅片表面及其周邊區域會被加熱，為整個反應系統提供充足的能量，而參與反應的所有物質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，不會像氧化法那樣消耗襯底中的硅。對比這兩種工藝不難發現，氧化工藝通常需要更高的反應溫度，由此制備的氧化硅薄膜質量更優；而 CVD 淀積工藝所需的反應溫度相對更低，同時具備更快的薄膜沉積速率。

CVD 系統內部可發生多種類型的化學反應，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鍵斷裂并發生分解；③氧化反應：反應物的原子或分子與氧發生化學反應；④還原反應：反應物分子與氫發生還原反應；⑤氧化還原反應：將氧化反應與還原反應相結合，反應后生成新的化合物。

CVD 工藝中的反應可分為異類反應和同類反應兩類。若反應發生在硅片表面或緊鄰表面的區域，則稱為異類反應，也被稱作表面催化反應；若反應發生在硅片表面上方較遠的區域，則屬于同類反應。在 CVD 工藝中，異類反應是我們所追求的，因為它能制備出質量更優的薄膜。需要避免同類反應的發生，原因在于這類反應會導致生成的薄膜密度低、缺陷數量多，且與襯底的黏附性能較差。

如圖 2 所示，CVD 反應的完整過程可劃分為八個步驟：①反應氣體傳輸至待淀積區域；②形成薄膜先驅物；③薄膜先驅物分子向硅片表面擴散；④薄膜先驅物黏附在硅片表面；⑤薄膜先驅物向襯底內部擴散；⑥發生表面化學反應，形成連續的薄膜；⑦副產物通過解吸附作用從硅片表面脫離；⑧將副產物從反應腔體內徹底去除。

在實際生產過程中，CVD 反應的持續時間至關重要，其中反應速度最慢的階段會成為整個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。第一種情況發生在較低的反應溫度下，由于能夠驅動表面化學反應的能量不足，導致表面反應速度較慢，此時反應物到達硅片表面的速度會超過表面反應的速度。在這種情況下，淀積速度受反應速度制約，這一因素被稱為反應速度限制（reaction-rate limited）。即便提供更多的反應物，低溫環境無法滿足反應所需的充足能量，反應速度也不會提升。此外，若 CVD 工藝在低壓條件下進行，反應氣體到達硅片表面的擴散作用會顯著增強，從而增加輸運至襯底的反應物數量，但此時沉積速度仍受表面反應速度的限制，也就是說，低壓環境下的 CVD 工藝同樣受反應速度限制。第二種情況是在高溫高壓條件下，CVD 反應速度會得到大幅提升，此時整體沉積速度取決于到達硅片表面的反應物總量，這一因素被稱為質量傳輸限制（mass-transport limited），即高溫高壓環境下的 CVD 工藝受質量傳輸限制。

CVD 淀積系統分類與特性

CVD 工藝擁有多種結構形式的淀積系統，如圖 3 所示。依據系統內部氣壓的差異，CVD 淀積系統可分為常壓化學氣相淀積（APCVD）和減壓化學氣相淀積兩大類。其中減壓化學氣相淀積又進一步細分為普通低壓化學氣相淀積（LPCVD）、采用等離子體技術的等離子體增強化學氣相淀積（PECVD）以及高密度等離子體化學氣相淀積（HDPCVD）。

CVD 反應器的一個核心區別在于其采用熱壁反應還是冷壁反應設計。熱壁反應器通過在反應管道周圍布置熱電阻來實現加熱，這種加熱方式不僅會對硅片進行加熱，還會加熱硅片的支撐結構以及反應腔體的側壁。在熱壁反應過程中，硅片表面和反應腔側壁都會形成薄膜，因此需要定期對反應腔進行清洗或采用原位清除技術，以減少側壁上的顆粒污染物。與之相對，冷壁反應器僅對硅片和硅片支撐物進行加熱，反應器的側壁溫度維持在較低水平，不具備發生淀積反應所需的足夠能量。冷壁反應能夠有效減少反應器內部顆粒的產生，是更為優良的設計形式。

不同類型的 CVD 反應器各自具備獨特的性能特點和適用場景，相關詳細信息可參考對應的特性與應用匯總。后續將針對各類 CVD 工藝及對應的反應器展開具體探討。