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在半导体芯片制造的精密世界里，每一个细微的结构都关乎芯片性能的优劣。化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称 CVD）技术，作为塑造芯片微观世界的关键工艺，如同一位神奇的 “魔法师”，将气态的化学物质转化为固态薄膜，构建起芯片的复杂架构。从集成电路的绝缘层到先进的半导体材料生长，CVD 技术以其独特的化学与物理特性，在半导体产业中占据着不可替代的地位。
一、CVD 技术的核心原理：化学反应与薄膜生长的奇妙结合
CVD 技术的基本原理基于气态反应物在高温、等离子体或催化剂等条件下发生化学反应，生成固态产物并沉积在基底表面形成薄膜。其过程主要包括三个关键步骤：首先，含有所需元素的气态反应物被引入反应腔室；接着，在特定条件下，这些气态反应物发生化学反应，产生固态的中间产物；最后，这些固态产物在基底表面沉积，逐渐生长为连续的薄膜。
(CVD) 直流电弧等离子体喷射法装置示意图
来源：网络公开资料
以二氧化硅（SiO₂）薄膜的沉积为例，常见的反应体系中，硅烷（SiH₄）和氧气（O₂）作为气态反应物通入腔室。在高温环境下，硅烷与氧气发生化学反应：SiH₄ + O₂ → SiO₂ + 2H₂，生成的二氧化硅以固态形式沉积在晶圆表面，形成绝缘薄膜。整个过程中，反应温度、气体流量、压力等参数的精确控制至关重要，它们直接影响着薄膜的质量、厚度和均匀性。
CVD几种典型化学反应
来源：网络公开资料
根据反应条件和设备的不同，CVD 技术衍生出多种类型，包括常压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、等离子增强化学气相沉积（PECVD）以及原子层沉积（ALD，可视为特殊的 CVD 技术）等。每种类型都有其独特的优势和适用场景，共同满足半导体制造多样化的需求。
二、CVD 技术的类型与特点：多样化的工艺选择
（一）常压化学气相沉积（APCVD）：早期的主力工艺
APCVD 是最早发展起来的 CVD 技术之一，它在大气压环境下进行反应。该工艺的优点在于设备简单、沉积速率快，适用于大面积薄膜的快速沉积，例如在早期半导体制造中，常用于制备二氧化硅和氮化硅薄膜。然而，由于反应在常压下进行，气态反应物的扩散和混合不够均匀，导致薄膜的均匀性和台阶覆盖能力较差，难以满足先进制程对薄膜质量的严苛要求，因此在现代先进芯片制造中的应用逐渐减少。
（二）低压化学气相沉积（LPCVD）：精度与质量的提升
LPCVD 通过降低反应腔室的压力（通常在 1 - 10 Torr 之间），显著改善了气态反应物的扩散和混合效果。在低压环境下，气体分子的平均自由程增大，能够更均匀地分布在腔室中，从而实现更均匀的薄膜沉积。LPCVD 制备的薄膜具有良好的均匀性、致密性和台阶覆盖能力，广泛应用于制备多晶硅、氮化硅和二氧化硅等薄膜，尤其在集成电路的栅极绝缘层和层间介质层等关键部位的薄膜制备中发挥着重要作用。不过，较低的压力也使得沉积速率相对较慢，需要较长的处理时间，增加了生产成本。
LPCVD示意图
来源：网络公开资料
（三）等离子增强化学气相沉积（PECVD）：低温高效的创新
PECVD 引入了等离子体技术，通过在反应腔室中施加电场，使气态反应物电离形成等离子体。等离子体中的高能离子和自由基能够显著降低反应所需的温度，使得薄膜沉积可以在相对较低的温度下（通常低于 400℃）进行。这一特性对于一些对温度敏感的材料和器件（如塑料基板上的薄膜晶体管）尤为重要。同时，等离子体的存在还能增强化学反应活性，提高沉积速率，并且可以实现对薄膜成分和结构的精确控制。PECVD 常用于制备氮化硅钝化层、氧化硅绝缘层以及非晶硅薄膜等，在半导体制造、平板显示和太阳能电池等领域得到广泛应用。例如，使用 PECVD 法在 P 型硅片上能够成功沉积氮化硅（SiNx）薄膜；在硅通孔（through-silicon-via，简称 TSV）领域，PECVD 法也凭借其独特优势得到了广泛的应用 。
PECVD
（四）原子层沉积（ALD）：原子级别的精准控制
ALD 是一种基于自限制化学反应的特殊 CVD 技术，其核心在于将反应过程分解为多个独立的、自限制的半反应步骤，实现原子层级的精确薄膜生长。在 ALD 过程中，两种气态反应物交替通入反应腔室，每次通入后仅在基底表面发生单层化学反应，随后通过惰性气体吹扫去除未反应的气体和反应副产物，再通入另一种反应物进行下一层反应。
原子层沉积（ALD）系统
来源：厦门毅睿科技官网
这种逐层生长的模式使得 ALD 能够精确控制薄膜厚度，误差可控制在 0.1nm 以内，并且具有优异的薄膜均匀性和保形性，特别适合在高深宽比结构（如 3D 芯片中的通孔和沟槽）中沉积薄膜。在先进制程芯片制造中，ALD 常用于制备高介电常数（High-k）栅极绝缘层、金属电极层以及扩散阻挡层等关键薄膜。南京理工大学材料学院曾海波、陈翔教授团队采用盐 - 氧辅助化学气相沉积（CVD）方法，结合独特的气 - 液 - 固 - 固（VLSS）生长机制，在 SiO₂/Si 衬底上成功制备出原子级薄（<1 nm）、高质量的非层状二维 β - Bi₂O₃晶体，突破了非层状金属氧化物在二维高质量、超薄、原子级表面平整以及优异 P 型晶体管性能方面的瓶颈 。
ALD镀膜的最大优势在于台阶的覆盖性
三、CVD 技术在半导体制造中的应用：构建芯片的基石
在半导体制造流程中，CVD 技术贯穿多个关键环节，对芯片性能和可靠性起着决定性作用。在晶体管制造方面，CVD 用于制备栅极绝缘层和栅极材料。以 High-k 栅极绝缘层为例，传统的二氧化硅材料在纳米尺度下存在漏电问题，而通过 ALD 技术沉积的 HfO₂等高介电常数材料，能够有效降低栅极漏电流，提升晶体管的性能和能效。全球特种化学品生产商瓦克化学成功开发出一种新型硅烷，可在半导体生产中用于化学气相沉积，这种新型硅烷能够与晶片表面发生反应，形成极薄的、介电常数低的绝缘层，以屏蔽对安装在密集空间中的导轨及其它元件的电磁干扰，相应电脑芯片可用于人工智能、云计算等需完成高度复杂计算任务的领域 。
在芯片的互连工艺中，CVD 技术用于沉积层间介质层和阻挡层。层间介质层（如二氧化硅和氮化硅）起到隔离不同金属互连层的作用，防止短路；阻挡层（如氮化钛和钽）则用于阻止金属原子扩散到半导体材料中，保证芯片的稳定性。此外，CVD 还用于生长半导体材料薄膜，如在化合物半导体芯片制造中，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等材料，这些材料具有优异的电学和光学性能，广泛应用于高频通信、功率器件和光电器件等领域。中山大学电子与信息工程学院（微电子学院）教授王钢领导的研发团队，通过自主研制的 MOCVD 设备，在蓝宝石、碳化硅及硅等大尺寸异质衬底上生长了结晶质量高，晶向一致性好的 4 - 8 英寸的 ε 相氧化镓单晶薄膜，该技术极大地推动中国氧化镓基功率电子器件的发展和产业化进程 。
化学气相沉积（CVD）
来源：厦门毅睿科技官网
上海交通大学史志文团队联合其他团队，通过纳米颗粒催化的化学气相沉积（CVD）生长技术，在原子级平整的六方氮化硼基底上实现了单一手性密排的碳纳米管阵列的直接生长，形成碳纳米管范德华晶体结构。基于该碳纳米管阵列制造的场效应晶体管展现出了优异的电学性能，载流子迁移率接近 2,000 cm²V⁻¹s⁻¹ ，电流承载能力大于 6.5mA/μm，开关比可达 10⁷ ，展现出在未来高性能碳基纳米电子芯片应用中的巨大潜力 。
四、CVD 技术面临的挑战与未来发展：突破极限，迈向新高度
随着半导体芯片向更先进制程发展，对 CVD 技术提出了更高的要求。一方面，在薄膜质量上，需要进一步提高薄膜的均匀性、致密性和纯度，以满足纳米级甚至埃米级尺度下的工艺需求；另一方面，在工艺效率上，需要在保证薄膜质量的前提下，提高沉积速率，降低生产成本。此外，随着新材料（如二维半导体材料、量子材料等）的不断涌现，如何开发适配的 CVD 工艺来实现这些材料的高质量生长，也是亟待解决的问题。
为应对这些挑战，科研人员和产业界正在积极探索新技术和新方法。例如，开发更先进的等离子体源和反应气体，以优化 PECVD 工艺；研究新型催化剂和反应机理，提升 ALD 的沉积速率；结合人工智能和机器学习技术，实现 CVD 工艺参数的智能优化和实时监控。同时，CVD 技术与其他工艺（如物理气相沉积、光刻等）的协同创新也将成为未来发展的重要方向，通过多种技术的优势互补，推动半导体制造技术不断突破极限，为芯片产业的持续发展注入新的动力。
随着技术的不断演进，微波等离子体增强原子层沉积（MW - PEALD）正逐步成为主流之选。此系统借助微波能量来激发等离子体，通过周期性地交替导入前驱体与反应气体，于基底表面达成原子级别的薄膜沉积。该设备能够精确把控工艺进程中的关键参数，诸如温度、压力、气体流量以及等离子体功率等，从而确保所制备的薄膜在厚度、成分以及物理化学性能等层面均呈现出卓越的一致性。
面向7nm以下先进工艺的微波等离子体增强原子层沉积（MW-PEALD）系统
来源：厦门毅睿科技官网
化学气相沉积技术凭借其独特的化学与物理特性，在半导体制造领域发挥着不可替代的关键作用。从过去到现在，再到未来，CVD 技术始终在不断创新和发展，持续为半导体产业的进步提供强大支撑，助力人类在微观世界中创造出更多的科技奇迹。
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