一篇文章读懂低压化学气相沉积（LPCVD）

半导体技术是人类科学技术发展至今复杂的技术之一，被誉为现代制造业皇冠上的明珠，世界上复杂的物理化学理论和精密的设备，都能在半导体行业的生产线上见到，这次我们要聊的，就是当真空遇到化学气相沉积后所发生的美好事情。

1.薄膜的作用

薄膜是我们生活中常见的物品，一般是一种薄而软的透明薄片。薄膜被广泛用于电子电器，机械，印刷等行业，有着极为重要的作用。

在半导体行业中，晶圆表面活性非常高，极易受到污染，因此薄膜常用来阻挡污染物和杂质，除此以外，由于薄膜的天然特性，薄膜也常用于产生导电层或绝缘层、产生减反射膜提高吸光率、临时阻挡刻蚀等作用。

2.半导体行业中薄膜的制备

由于半导体器件的高精度，薄膜通常使用膜淀积技术来实现。晶圆表面的淀积物会在晶圆表面形成一层连续密闭的薄膜，在半导体行业，薄膜淀积工艺是普通也重要的工艺。

在晶圆衬底上淀积薄膜有很多种技术，主要分为化学工艺和物理工艺。

化学工艺主要指化学气相沉积，包括常压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气象沉积（PECVD）、高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）、电镀等，物理工艺则主要有物理气相沉积、蒸发和旋涂等。

低压化学气相沉积设备的外观

顾名思义，化学气相沉积（CVD）就是通过气体混合的化学反应在晶圆表面淀积一层固体膜的工艺，这是常在半导体制程中使用的技术。CVD技术具有淀积温度低（500℃~1100℃）、薄膜成分与厚度易控、膜厚遇淀积时间成正比、均匀性与重复性较好、台阶覆盖优良、操作简便、使用范围广泛等一系列特点。半导体中常用的淀积膜有二氧化硅、氮化硅、多晶结构的硅甚至金属膜。

3.压力和真空

物理学上的压力，是指发生在两个物体的接触表面的作用力，或者是气体对于固体和液体表面的垂直作用力，或者是液体对于固体表面的垂直作用力。习惯上，在力学和多数工程学科中，“压力”一词与物理学中的压强同义，即单位面积上所受到的力。我们生活中随处可见的为汽车自行车轮胎打气达到的那个压强、大气压力降低导致高原反应缺氧、标准大气压是101kPa等。

真空，并不是真正的空空如也，它是相对于标准大气压来讲的一种压力状态。很多事情没有标准就会一团糟，物理学家在压力标准上争论了数年，最后标定出一个标准大气压（即标准条件下的101kPa或14.7Psi），比这个压力高的都叫做高压或正压，比这个压力低的，则都叫做真空或低压、负压，即使是真空状态，随着绝对压力的逐渐降低，也细分为了低级真空、中级真空、高级真空和超高级真空。真空常用各种初级、高真空泵来实现。

4.真空在半导体行业中的应用

直观来讲，真空就是体积和温度不变的前提下气体密度的减少。低级真空常用于依靠气相化学反应（各类CVD）、分子间的动能传输以及气体与界面之间的快速相互作用（如掺杂），中高级真空的条件则会使晶圆表面非常洁净，如各种离子注入的使用场合，超高级真空是高级真空的延伸，可尽量减少不需要的气体成分，常用于各种高精尖的测量领域。

真空条件下好处多多，对于半导体行业来讲，真空的益处主要有：

1) 创建洁净的环境，去除不必要的气体、水蒸气和粉尘等。

2) 降低分子密度，减少沾污和分子干扰。

3) 增大分子平均自由程，或创造半导体工艺中所需的等离子体区域。

4) 降低反应蒸汽压强，加速反应过程。

5) 产生吸附力或动力，比如真空吸附机械手，干净又快速。

真空条件下，气体更容易被电击成等离子体产生辉光放电现象

5.当真空遇到化学气相沉积

很明显，化学气相沉积是气体之间的反应，将真空条件（如20~133Pa）引入后，真空下的气体可以被更精确的控制、反应氛围更为洁净、湍流大幅减少、分子自由程加长更利于均匀性、加速反应速度等。这些优势集于一身的化学气相沉积，就是今天我们要介绍的主角——低压化学气相沉积Low Pressure Chemical Vapor Deposition，简称为LPCVD。

和常压的CVD相比，LPCVD设备有更低的综合成本、更高的产能和更好的薄膜性能，在薄膜制造过程中使用更为广泛。

6.LPCVD的强悍性能

低压化学气相沉积法(Low-pressure CVD，LPCVD)的设计就是将反应气体在反应器内进行沉积反应时的操作压力，降低到大约133Pa以下的一种CVD反应。LPCVD设备示意图如下图所示。

LPCVD结构示意图

LPCVD压强下降到约133Pa以下，与此相应，分子的自由程与气体扩散系数增大，使气态反应物和副产物的质量传输速率加快，形成薄膜的反应速率增加，即使平行垂直放置片子片子的片距减小到5~10mm，质量传输限制同片子表面化学反应速率相比仍可不予考虑，这就为直立密排装片创造了条件，大大提高了每批装片量。

以LPCVD法来沉积的薄膜，将具备较佳的阶梯覆盖能力,很好的组成成份和结构控制、很高的沉积速率及输出量。再者LPCVD并不需要载子气体，因此大大降低了颗粒污染源，被广泛地应用在高附加价值的半导体产业中，用以作薄膜的沉积。

7.LPCVD在半导体行业中的具体应用

LPCVD广泛用于二氧化硅（LTO TEOS）、氮化硅（低应力）（Si3N4）、多晶硅（LP-POLY）、磷硅玻璃（BSG）、硼磷硅玻璃(BPSG)、掺杂多晶硅、石墨烯、碳纳米管等多种薄膜。

7.1低压化学气相淀积——Si3N4

LP Si3N4在工艺中主要作为局部氧化的掩蔽膜， 电容的介质膜等。CMOS工艺常用的隔离技术就是LOCOS（硅的选择氧化），它以氮化硅为掩膜实现了硅的选择氧化，在这种工艺中除了形成有源晶体管的区域外，其他所有重掺杂硅区上均生长一层厚的氧化层，该厚氧化层通常称为场氧。工艺中通常使用的气体是：NH3+ DCS（SiH2Cl2）。这两种气体的反应生成的Si3N4质量高，副产物少，膜厚均匀性极佳，而且是气体源便于精确控制流量，是目前国内外普遍采用的主流方法。反应式为：

3SiH2Cl2 + 4NH3 = Si3N4 + 6HCl + 6H2

NH3在过量的情况下，HCl与NH3继续反应：

HCl+ NH3 = NH4Cl

合并为：10NH3+ 3SiH2Cl2 = Si3N4 + 6H2 + 6NH4Cl

7.2低压淀积多晶硅——LP-POLY

随着集成电路的发展，多晶的应用也越来越广，如用于差值氧化以简化工艺流程；用于负载电阻以缩小电路单元等等 。多晶硅的制备是由硅烷在570-650℃热分解产生的。

SiH4→Si+2H2

硅烷在575℃分解产生的硅为非晶的，在625℃以上时。多晶硅薄膜为多晶的柱状结构，当温度进一步升高时晶粒会不断长大，非晶会向晶体结构转变。在600-650℃形成的多晶硅择优晶向为｛110｝，温度更高时倾向于生成｛110｝晶向的晶体。

7.3低压沉积TEOS

LP TEOS主要用于SPACER层及电容氧化层。

LPCVD TEOS用于制作二氧化硅有着很好的均匀性，保形性以及薄膜性。TEOS在常温下为液态，工艺过程中通过调节源温控制器的温度来调节进入tube的TEOS量。TEOS在720℃左右分解生成二氧化硅：

Si(OC2H5)4 → SiO2 +4C2H4 +2H2O

低压沉积TEOS法的优点是厚度均匀性好、台阶覆盖优良、淀积膜性质极佳。

8.LPCVD也面临新挑战

在集成电路制造技术特征尺寸越来越小的趋势下，对LPCVD设备提出了更高的要求。

1) 在低压化学气相淀积（Si3N4）工艺中存在的薄膜应力会引起变形，改变薄膜的光学和力学性能，过大的张应力会使薄膜发生断裂，而过大的压应力则会使薄膜发生翘曲，因此研究氮化硅薄膜的应力特性和低应力氮化硅技术是十分必要的。

2) 在低压淀积多晶硅（LP-POLY）工艺中，客户对不同成膜速率工艺需求越来越多，而这需要更精确的控制。

3) LPCVD炉管设备还存在温度均匀性差、工艺重复性差、腔室和器件易污染不易维护、颗粒多的问题。

8.1 低应力、多功能LPCVD成为新的研发方向

对于很多微机械加工的常用材料，如氮化硅、多晶硅等，应力是不可避免的，在一些精密的MEMS工艺中需要较低的薄膜应力,以保证较小的器件形变。

1) 低应力、多功能LPCVD设备通过独特的气路、腔体结构设计，配合相应的工艺配方，成功实现了薄膜应力在较大范围内可控制，解决了由于薄膜应力存在，引起的变形、光学和力学性能改变的问题。

2) 多功能LPCVD设备可以满足客户对TEOS低压热解法工艺需求，对不同成膜速率多晶硅工艺需求并保证成膜均匀性和硅片翘曲度要求，TEOS工艺薄膜均匀性片内≤2％、片间≤2％、批间≤2％；POLY工艺片内≤3％、片间≤3％、批间≤3％（成膜速率可达130-150 Å/min, 8000-10000 Å硅片翘曲度≤5um）。

3) 多功能LPCVD设备与传统方式对比具有独特的技术，包括良好的薄膜工艺均匀性和重复性、独特的过滤系统保证腔室和器件具有良好的洁净度并易于维护、先进的颗粒控制技术、高精度温度场控制及良好的温度重复性、完整的工厂自动化接口、高速的数据采集算法等，同时具有丰富行业经验和成熟的配套工艺可满足客户对高端LPCVD设备需求。

9.低应力、多功能将强化LPCVD的基础地位

LPCVD是半导体薄膜淀积领域应用广泛的基础设备之一，短期内难以被其他膜淀积设备替代。随着集成电路、功率半导体和微机电系统行业的持续发展，制造商要求制备的薄膜品种不断增加，最终用户对薄膜的性能要求日益提高，同时新的制备方法随之不断涌现，并日趋成熟。无论从成本还是从淀积质量来说，ＮＡＵＲＡ低应力多功能 LPCVD设备都优于普通LPCVD，低应力多功能的引入，使得LPCVD设备广泛应用于薄膜淀积工艺，目前已拥有几十家客户成功应用的案例。

资料来源：北方华创