引言
随着半导体技术节点缩小至 10nm 以下，隔离沟槽、栅极结构和接触孔的纵横比急剧增加 。传统的填充技术，如高密度等离子体化学气相沉积（HDP-CVD）和亚大气压化学气相沉积（SACVD），在这些几何尺寸下已达到物理极限（工程实践）。这些传统技术具有高度的方向性或共形性，导致在狭窄、高纵横比沟槽的顶部过早闭合，从而截留气穴并形成结构空洞（工程实践）。为了克服这些局限性，半导体行业采用了可流动化学气相沉积（FCVD），也称为流体CVD 。
可流动化学气相沉积是一种特殊的沉积技术，气态前驱体在气相或晶圆表面反应形成类液体的低聚物薄膜 。这种类液体薄膜在毛细管力和表面张力的作用下自由流动进入极窄的沟槽，实现真正意义上的自下而上、无空洞的填充，随后被固化成固体介电材料 , 。FCVD 已成为现代鳍式场效应晶体管（FinFET）和环绕栅极（GAA）纳米片器件中制作浅沟槽隔离（STI）区域不可或缺的工艺 , , 。它在 3D 异构集成、局部互连电介质隔离以及片上无源元件制造中也发挥着至关重要的作用 , 。
物理与机制
可流动化学气相沉积的基本物理和化学机制与传统的原子层沉积（ALD）或共形CVD有显著不同，后者通过逐层表面反应或固态冷凝进行薄膜生长 。FCVD 工艺通过独特的两步机制运行：类液体沉积及其后的化学转化 。
低聚化与冷凝
在沉积阶段，含硅前驱体（通常为有机硅烷或甲硅烷基胺化合物）与共反应物（例如远程等离子体系统中产生的氨、氮或氧自由基）被引入腔室 , 。这些前驱体不会立即在表面形成固体网络，而是在气相或气-固界面发生部分聚合，形成低分子量的低聚物（工程实践）。
这些通常为含有硅-氮（Si-N）、硅-氢（Si-H）或硅-碳（Si-C）键的类液体链状结构的低聚物，具有高沸点和极低的蒸气压 , 。因此，它们选择性地冷凝在较冷的晶圆表面（工程实践）。在表面张力和毛细作用的驱动下，这些类液体低聚物沿形貌流动，优先积聚在沟槽底部和高纵横比结构的底部，从而实现无缝的自下而上填充（工程实践）。
转化与固化
沉积完成后，薄膜并非高质量的氧化物，而是一种软质、多孔且化学性质不稳定的类聚合物网络，其中包含挥发性的富氮和富氢基团 , 。为了将这种临时的类液体结构转化为刚性的高密度二氧化硅（$SiO_2$）或氮化硅（$Si_3N_4$）介电材料，需要进行沉积后的固化和转化步骤 , 。
在转化阶段，晶圆暴露于氧化环境（如氧气 $O_2$、臭氧 $O_3$ 或水蒸气 $H_2O$）中，通常通过快速热退火（RTA）工艺或低温氧自由基处理来辅助完成 , 。氧物种扩散到多孔低聚物基体中，引发化学取代反应 。羟基（$-OH$）或氧原子取代胺（$Si-NH-Si$）或氢化物（$Si-H$）键，形成交联的硅-氧-硅（$Si-O-Si$）网络 , 。氨（$NH_3$）和氢气（$H_2$）等挥发性副产物从薄膜中解吸并被泵出（工程实践）。该工艺最终形成一层致密的固体介电层，它贴合沟槽形状且不保留任何界面边界 , 。
工艺原理
可流动化学气相沉积的成功执行取决于工艺参数的精确平衡，这些参数对薄膜的流动性、化学成分和物理密度具有方向性的影响 。
- 晶圆温度：与需要高温驱动化学分解的传统CVD不同，FCVD 的沉积步骤在相对较低的温度下进行（工程实践）。较低的温度促进低聚物在晶圆表面的物理冷凝，从而增强其类液体流动性和沉积速率（工程实践）。然而，如果温度过低，薄膜可能含有过多的碳或氮杂质，导致转化过程中出现高收缩率（工程实践）。相反，提高温度会抑制冷凝，迫使沉积机制转向传统的共形CVD模式，并增加形成空洞的风险（工程实践）。
- 远程等离子体功率：FCVD 中的共反应物通常使用远程等离子体源激活，以防止离子直接轰击脆弱的晶圆结构 , 。增加远程等离子体功率会提高活性自由基的浓度，从而加速初始低聚化速率（工程实践）。这可能导致形成更大的低聚物分子，这些分子冷凝较快，但由于粘度增加，流动性会降低（工程实践）。降低等离子体功率可保持较低的低聚物分子量，延长其流动寿命，并改善在极窄沟槽中的填充性能（工程实践）。
- 前驱体流量比：含硅前驱体与共反应气体的比例直接影响冷凝薄膜的化学成分（工程实践）。相对于共反应物增加硅前驱体流量会提高沉积速率，但往往导致气相反应不完全，产生有机物含量高或氢密度大的薄膜（工程实践）。这随后会增加薄膜在最终固化阶段的体积收缩和机械应力（工程实践）。
- 腔室压力：沉积腔室中较高的操作压力会增加气相分子的碰撞频率，促进低聚化并提高沉积速率（工程实践）。然而，如果压力设置过高，可能会发生气相成核，导致颗粒污染和薄膜形态不均匀（工程实践）。
挑战与失效模式
尽管可流动化学气相沉积解决了传统CVD在填充方面的根本局限，但它在从流体相向固体相转化过程中带来了独特的机械和化学挑战 。
体积收缩与应力
FCVD 面临的最严峻挑战是体积收缩 。在水蒸气或氧气固化阶段，致密的低分子量网络在向二氧化硅转变过程中会排出 $NH_3$ 和 $H_2$ 等挥发性物质 。这种化学重构导致体积大幅减少，在沟槽内产生巨大的拉应力（工程实践）。
如果不能妥善管理这种拉应力，可能会引发多种失效模式： 1（工程实践）。裂纹与分层：内部拉应力超过薄膜的机械强度，导致微裂纹或 FCVD 氧化物与沟槽侧壁的分离（工程实践）。 2. 鳍片弯曲：在高纵横比 FinFET 结构中，收缩的介电材料会牵引相邻的硅鳍片，导致其弯曲或倒塌，从而改变器件的电气特性（工程实践）。 3. 应力诱导空洞：如果 FCVD 薄膜的外表面在沟槽内部整体转化之前先固化致密，挥发性副产物就会被截留 。这导致沟槽内部局部压力升高并产生应力诱导的空洞（工程实践）。
湿法刻蚀速率比（WERR）退化
沉积的氧化物要有效地应用于集成电路，必须具备与热氧化物相当的物理和化学质量（工程实践）。这种质量通常使用湿法刻蚀速率比（WERR）来评估，即将沉积薄膜在稀氢氟酸（DHF）中的刻蚀速率与高质量热二氧化硅的刻蚀速率进行比较 , 。
由于氧化物种的扩散限制，深而窄的沟槽底部在固化过程中往往经历化学转化不完全 , 。这些特定区域的缺陷残留了 Si-N、Si-H 或 Si-OH 键 , 。因此，沟槽底部的湿法刻蚀速率显著高于顶部（工程实践）。在随后的刻蚀或清洗步骤中，酸液会渗透到转化不完全的底层，导致快速、不可控的侧向刻蚀——通常称为沟槽凹陷或“钥匙孔”暴露 , , 。
技术节点演进
可流动化学气相沉积的角色和实施方案在各个主要技术里程碑中不断演进，以支持先进器件的微缩 。
28nm 平面节点 14nm / 7nm FinFET 3nm GAA 纳米片
(平面 STI 填充) ───> (高纵横比鳍片) ───> (内侧墙与栅极切割)
- 简单沟槽填充 - 严苛的纵横比 - 介质塞
- 低收缩率 - 鳍片弯曲缓解 - 空气隙集成
28nm 平面节点
在 28nm 平面节点，浅沟槽隔离结构的纵横比具有中等挑战性 。FCVD 被引入以替代要求最严苛隔离沟槽中的高密度等离子体沉积，以防止产生空洞 。在此节点，简单的低温热固化足以获得可接受的薄膜质量和低收缩率，因为当时的沟槽相对较宽且较浅（工程实践）。
14nm 至 7nm FinFET 节点
随着架构向 14nm FinFET 和 7nm FinFET 演进，隔离相邻硅鳍片的沟槽纵横比升至 10:1 以上 , 。在这种条件下，FCVD 氧化物收缩期间产生的机械应力成为结构完整性的严重威胁 。工艺工程师通过实施多步固化配方来优化转化步骤，利用循环低温氧自由基处理，随后进行高温水蒸气退火，以缓慢致密化薄膜并尽量减少鳍片弯曲 , 。
GAA 纳米片及更先进节点
在环绕栅极（GAA）纳米片架构中，集成密度和结构复杂性达到了极致 , 。在此，FCVD 不仅用于传统的 STI 填充 ，还通过“栅极切割”工艺用于隔离复杂的栅极段 。在这些工艺中，连续的金属栅极通过刻蚀深凹槽并回填高质量 FCVD 氧化物电介质塞来划分为独立的区域，以保持结构和电气隔离 。
此外，FCVD 在制造先进的空气隙内侧墙设计中发挥关键作用 。通过将选择性干法刻蚀与 FCVD 牺牲层的受控沉积和凹陷相结合，制造商可以在栅极与源极/漏极区域之间形成并密封空气隙 , 。这些空气隙利用空气的超低介电常数来显著降低寄生电容，并提升高频晶体管的开关速度 。
相关工艺
可流动化学气相沉积并非孤立存在；它与半导体制造流程中的多个关键上游和下游工艺模块高度集成 。
- 干法刻蚀：在 FCVD 氧化物沉积和固化后，必须对多余的覆盖层进行凹陷以暴露活性区域 , 。先进的反应离子刻蚀（RIE）技术用于以高精度选择性地刻蚀氧化物，确保活性硅鳍片或纳米片在暴露步骤中不被损坏 , , 。
- 化学机械平坦化（CMP）：由于 FCVD 的类液体沉积留下了高度平坦化的表面，它减少了晶圆上的整体形貌差异 , 。随后的化学机械平坦化步骤可以轻松研磨掉多余的氧化物覆盖层，实现全局平坦度，在尽量减少碟形化或侵蚀缺陷的前提下暴露下方的活性结构 , 。
- 快速热退火：热处理是将不稳定的类液体低聚物转化为高致密、坚固的介电网络的桥梁 。高温水蒸气或氧气退火可驱除氮和氢副产物，实现硅-氧键的交联，并将湿法刻蚀速率降低至与高质量热氧化物相当的水平 , 。
未来展望
随着半导体行业向高数值孔径（high-NA）光刻、背面供电网络（BSPDN）和 3D 单片堆叠迈进，对可流动化学气相沉积的需求持续增长 。未来的开发重点是探索新型有机硅前驱体，这些前驱体展现出更低的体积收缩率并生成更少的挥发性离去基团，从而在转化过程中缓解拉应力（工程实践）。
此外，研究人员正致力于将 FCVD 化学扩展至硅氧化物和氮化物之外 。开发可流动的低 k 电介质、可流动的金属和可流动的高 k 材料，将为复杂的多层 3D 结构中的自下而上金属化和先进电介质隔离开启新的路径，确保 FCVD 始终作为 2nm 以下半导体集成的基石 。