一、PECVD 基本原理

在低气压下，利用低温等离子体*在工艺腔体阴极产生辉光放电，通过辉光放电或加热体使衬底升温至预定温度，通入适量工艺气体，经化学反应和等离子体反应在样品表面形成固态薄膜。

低温等离子体*，指包括电子、各种离子、原子和自由基的混合体，体系中物质非完全电离，电子温度远高于离子温度，但宏观表现上温度相对较低，总体处于非热平衡状态，故又称为非平衡态等离子体。

反应过程中，气体从进气口进入工艺腔体扩散至衬底表面，在射频源激发的电场作用下分解成电子、离子和自由基等，发生化学反应生成形成膜的初始成分和副反应物，以化学键形式吸附到衬底表面形成晶核，晶核生长成岛状物再形成连续薄膜，副产物从膜表面脱离并在真空泵作用下排出。

二、PECVD 基本结构

1）真空和压力控制系统：包括机械泵、分子泵、真空阀、真空计等。为减少氮气、氧气及水蒸气影响，采用干泵和分子泵抽气，干泵抽低真空避免油气污染基片，分子泵抽高真空，除水蒸气能力强。

2）淀积系统：由射频电源、水冷系统、衬底加热器等组成，是 PECVD 的核心部分。射频电源使反应气体离子化，水冷系统为泵提供冷却并在超温时报警，冷却水管路采用绝缘材料。加热器使衬底升温除杂质，提高薄膜与衬底的附着力。

3）气体及流量控制系统：气源由气体钢瓶供气，经气柜输送至工艺腔体，采用质量流量计精确控制气体流量。

三、PECVD 基本分类

按照等离子体发生的频率来分，PECVD 中所用的等离子体可以分为射频等离子体（Radio Frequency Plasma）和微波等离子体（Microwave Plasma）两种。目前，业界所用的射频频率一般为 13.56MHz。射频等离子耦合方式通常分为电容耦合（CCP）和电感耦合（ICP） 两种。

目前 PECVD 主要应用双频电源，由 400kHz 和 13.56MHz 构成，两个电源最高功率均为 3000W。相比于单一电源，高频和低频相结合的双频驱动可以显著地降低启辉电压，更有利于获得稳定的等离子体源，减弱带电粒子对沉积衬底的轰击及额外损伤，提高了工艺自由度。双频电源系统可选工作模式：①高低频同时作用于反应室，高频为主，低频调制为辅；②高低频交替作用于反应室，可以快速切换；③高低频单独作用于反应室，独立控制工作。

四、PECVD 工艺影响因素

1）极板间距和反应腔尺寸：

极板间距选择应使起辉电压低，降低等离子电位，减少对衬底损伤。极板间距较大对衬底损伤小，但不宜过大以免加重边缘效应影响均匀性。反应腔体尺寸增加生产率但影响厚度均匀性。

2）射频频率：

射频 PECVD 通常采用50kHz~13.56MHz 频段射频电源，频率高离子轰击作用强，薄膜更致密但对衬底损伤大。高频淀积薄膜均匀性好于低频，因低频时靠近极板边缘电场弱，淀积速度低于中心区域，高频时差别变小。

3）射频功率：

射频功率越大离子轰击能量越大，有利于淀积膜质量改善。功率增加增强气体中自由基浓度，淀积速率随功率直线上升，完全电离后趋于稳定。

4）气压：

气压过大单位内反应气体增加，速率增大，但平均自由程减少，不利于台阶覆盖。气压太低影响淀积机理致密度下降易形成针状缺陷；气压过高聚合反应增强，生长网络规则度下降缺陷增加。

5）衬底温度：

衬底温度影响薄膜质量的局域态密度、电子迁移率及光学性能，提高温度有利于补偿表面悬挂键，降低缺陷密度。对淀积速率影响小但对薄膜质量影响大，温度越高淀积膜致密性越大，高温增强表面反应改善膜成分。

五、PECVD 与 HDPCVD

通常，使用电容耦合生成的等离子体的电离率较低，因此导致反应前驱体的解离有限，沉积速率也相对较低。使用电感耦合可以产生更高密度的等离子体。当电感线圈上施加高频信号时，在电感线圈内部感应出电场，加速等离子体中的电子至更高的能量，这样就可以产生更高密度的等离子体。在半导体制造工艺中，PECVD 通常用于在含有金属或其他对温度比较敏感的结构的衬底上生长薄膜。

高密度等离子体化学气相沉积（HDP -CVD）工艺是 PECVD 工艺的一种特殊形式。在高密度等离子体中，离子化的原子或分子具有较高的能量，在向衬底移动时具有更强的轰击作用，从而能够引发溅射。这种溅射工艺可以有效地消除薄膜沉积过程中形成的悬垂结构，从而实现对沟槽及孔隙自下而上的填充。

在 HDPCVD 工艺过程中，薄膜沉积和薄膜溅射是同时发生的。通过调节工艺参数，可以调节薄膜的沉积溅射比。沉积溅射比是一个非常关键的参数，如果溅射过强，可能会对衬底上凸起结构的顶部拐角部位造成损伤;如果溅射过弱，填充时会形成悬垂物，在填充物中形成空隙，从而导致填充效果不好。

采用 HDPCVD 方法制备的二氧化硅薄膜比较致密，广泛用于 CMOS 集成电路 130nm 到 45nm 技术节点的浅槽隔离（Shallow Trench Isolation, STI）填充。而用 HDPCVD 制备的 PSG 通常被用于金属前介质层（PMD）等工艺中。随着集成电路技术发展到 28nm 以下，FinFET 器件结构的引人对器件隔离沟槽的填充技术提出了更高的挑战，HDPCVD 技术已经不能满足技术发展的要求。

为此，新的沟槽填充技术一流体化学气相沉积技术（Flowable CVD，FCVD） 应运而生。FCVD 是一种远程等离子体沉积技术，其反应前驱物通过一个远程等离子体发生器，定向引人反应腔室，对沟槽实现自下而上的填充。FCVD 可以完成对细小沟槽及孔隙的无缝除填充，从而满足 10nm 和 7nm 技术节点的工艺要求。