【2024版】外延工艺培训课件
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工艺（SiCl4)：1、处理硅片2、基座的HCl腐蚀去硅程序（1）N2预冲洗（2）H2预冲洗（3）升温（两步）（4）HCl排空、腐蚀（5）H2冲洗（6）N2冲洗3、外延生长（1）N2预冲洗（2）H2预冲洗
（3）升温（两步）（4）HCl排空、抛光（5）H2清洗（6）外延生长（7）H2清洗-降低自掺杂效应（8）降温（9）N2清洗
反应物和载气（如H2）一起被引入反应器中，而晶片一般维持在650℃到850℃的范围。必须有足够的砷的过蒸汽压，以防止衬底和生长层的热分解。
3.7.1 外延生长原理1 气相外延外延是指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术，新单晶的晶向取决于衬底，由衬底向外外延而成。外延方法很多，硅半导体器件中通常采用硅的气相外延法。其过程是：四氯化硅（SiCl4)或硅烷（SiH4)，在加热的硅衬底表面与氢发生反应或自身发生热分解，还原成硅，并以单晶形式沉积在硅衬底表面。
2外延生长设备
外延系统应满足如下要求：(1)气密性好(2)温度均匀且精确可控，能保证衬底均匀地升温与降温；(3)气流均匀分布(4)反应剂与掺杂计的浓度及流量精确可控(5)管道、阀门用不锈钢制造，并保证连接可靠。(6)要使用多个流量计使反应剂与掺杂计的浓度及流量精确可控。(7)石墨基座由高纯墨制成。加热采用射频感应加热方式。
1、Genius only means hard-working all one's life. (Mendeleyer, Russian Chemist) 天才只意味着终身不懈的努力。21.5.265.26.202108:3008:30:57May-2108:302、Our destiny offers not only the cup of despair, but the chalice of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二一年五月二十六日2021年5月26日星期三3、Patience is bitter, but its fruit is sweet. (Jean Jacques Rousseau , French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。08:305.26.202108:305.26.202108:3008:30:575.26.202108:305.26.20214、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行5.26.20215.26.202108:3008:3008:30:5708:30:575、You have to believe in yourself. That's the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Wednesday, May 26, 2021May 21Wednesday, May 26, 20215/26/2021
MOCVD4
3.7.5 外延新技术
1 分子束外延10-8~10-9Pa，加热外延层组分元素使之形成定向分子流，即分子束。该分子束射向具有一定温度的衬底（一般为400~800℃），沉积在表面形成单晶外延层。生长速度：0.01~0.03µm/min。外延层质量好，杂质分布及外延层厚度可控。生长速度慢，且设备昂贵。
主要技术指标：极限真空：优于10-1Pa；工作气压：10-1-103Pa；衬底温度：室温-400℃；样品尺寸：Φ100mm；主要用途：淀积介质种类：多晶硅，氮化硅，二氧化硅等
多功能等离子体CVD设备
（Plasma Enhanced CVD）
主要性能指标：PECVD极限真空度≤6.7x10-4Pa；漏率：≤10-6Pa.L/S；样品加热盘：RT-400oC磁控溅射室真空度≤1.0x 10-4Pa；漏率：≤10-6Pa.L/S；样品加热盘：RT-800oC仪器功能及附件：直流靶+射频靶磁控溅射；一次可以制备6个样品；低温PECVD仪器使用范围：可用于制备高介电氧化物薄膜材料，同时PECVD设备具有了低温下获取高质量薄膜。
3.7 外延工艺
外延工艺属于化学气相淀积，化学气相淀积(CVD)是利用化学反应的方式在反应室内将反应物（通常为气体）生成固态的生成物，并沉积在晶片表面的一种薄膜沉积技术。CVD已成为半导体生产过程中最重要的薄膜沉积方式。在目前的超大规模集成电路生产过程中，部分金属材料还使用溅镀之外，所有其它材料均以CVD法沉积。主要的介电材料有SiO2 、Si3N4、PSG（磷硅玻璃）、BPSG（硼磷硅玻璃），导体有WSix、W及多晶硅，半导体有硅。用于制作单晶硅薄膜的CVD，通常均以另一种名称称呼：外延(epitaxy)。
3.7.3 介质材料CVD1、SiO2用途：在大规模集成电路的制造技术中CVD法SiO2的使用和氧化法SiO2互为补充。采用下列两种反应：后者已TEOS为主的SiO2LPCVD，阶梯覆盖能力甚佳，应用较广。
2、磷硅玻璃（PSG）和硼磷硅玻璃（BPSG)磷硅玻璃（PSG）最大的用途是作为半导体元件的保护层。前者用常压CVD，温度约为400°C，外观较纯SiO2的结果来得平滑。其玻态转变温度亦较SiO2得低。后者用PECVD法硼磷硅玻璃（BPSG)就是在上述的PSG内，再加入少量硼的一种同时含硼与磷的二氧化硅。BPSG广泛应用于尚未进行金属沉积前的表面平坦化介质材料。
材料
方式
SiO2
AP,LP,PE
PSG
AP,PE
BPSG
AP,PE
SiN4
PE
Polysilicon
LP
WSix
LP
W
LP
CVD法的步骤： 1. 参加反应的气体的混合物被输运到沉积区2.反应物分子由主气流扩散到衬底的表面3.反应物分子吸附在衬底表面上4.吸附物分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反应，生成硅原子和化学反应副产物，硅原子沿衬底表面迁移并结合进入晶体点阵。5.反应副产物分子从衬底表面解吸6.副产物分子由衬底表面外扩散到主气流中，然后排出淀积区
CVD的安பைடு நூலகம்问题
气体
性质
气体
性质
SiH4
有毒,易燃,自燃
NH3
毒、腐蚀
SiH2Cl2
有毒,易燃,腐蚀
H2
无毒、易燃
PH3
剧毒、易燃
O2
无毒、助燃
B2H6
剧毒、易燃
N2O
有毒、不易燃
AsH3
剧毒、易燃
N2
堕性
HCl
毒、腐蚀
Ar
惰性
国内方大公司的MOCVD反应装置
高密度等离子体化学气相沉积设备
分子束外延
分子束外延（MBE molecular beam epitaxy）是在超高真空（10-8Pa）一个或多个热原子或热分子束和晶体表面反应的外延工艺。MBE能够非常精确地控制化学组成和参杂浓度。厚度只有原子层量级的单晶多层结果可用MBE制作。因此，MBE法可用来精确制作半导体异质结构，其薄膜层可从几分之一微米到单层原子。对砷化镓而言，厚度一般在1微米。
中科院物理所的分子束外延设备
3、氮化硅氮化硅的用处：场氧化掩蔽膜、钝化层4、多晶硅CVD
3.7.4 金属材料CVD
硅化钨（Polycide结构）钨： 在一些需要多层金属层的VLSL工艺中，以LPCVD法所淀积的钨，已被大多数的半导体厂商用在作为上下金属层的中间金属连接物。
CVD反应室是整个CVD设备的心脏任何一个 CVD系统均包含一个反应室、一组气体传输系统、排气系统及工艺控制系统
当前MOCVD主要供应商只有两家,美国Veeco，德国Aixtron。日本的酸素（？）公司MOCVD只在本国出售。台湾工研院机械与系统研究所已组成台湾MOCV产业联盟，大陆13所、48所、55所、上海、宁波、佛山有一定技术资源和基础，目前还有一批研究人员回国。
MOCVD1
MOCVD2
MOCVD3
3.7.5 CVD反应室
低压LPCVD
低压化学气相淀积LPCVD反应器
等离子体化学气相淀积PECVD反应器
资料：扩展的PECVD制造大面积太阳能电池
基于非晶硅（a-Si:H）和微晶硅（μc-Si:H）的薄膜太阳能电池模块日渐成为低成本、大尺度光伏（PV）应用的最佳选择。这类模块的吉瓦级产品需要大面积的均匀吸收层，同时也需要很高的吸收层的沉积速度。采用具有知识产权保护的AKT等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工具，可以以很高的速率沉积非常均匀的薄膜，并且具有很高的产率和工艺灵活性。在面积从0.43到5.7 m2的衬底上，沉积层的均匀性控制在±10%（不包括20 mm的边缘部分）范围内（图1），这足以证明该方法良好的沉积均匀性。
（3）升温（两步）（4）HCl排空、抛光（5）H2清洗（6）外延生长（7）H2清洗-降低自掺杂效应（8）降温（9）N2清洗
反应物和载气（如H2）一起被引入反应器中，而晶片一般维持在650℃到850℃的范围。必须有足够的砷的过蒸汽压，以防止衬底和生长层的热分解。
3.7.1 外延生长原理1 气相外延外延是指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术，新单晶的晶向取决于衬底，由衬底向外外延而成。外延方法很多，硅半导体器件中通常采用硅的气相外延法。其过程是：四氯化硅（SiCl4)或硅烷（SiH4)，在加热的硅衬底表面与氢发生反应或自身发生热分解，还原成硅，并以单晶形式沉积在硅衬底表面。
2外延生长设备
外延系统应满足如下要求：(1)气密性好(2)温度均匀且精确可控，能保证衬底均匀地升温与降温；(3)气流均匀分布(4)反应剂与掺杂计的浓度及流量精确可控(5)管道、阀门用不锈钢制造，并保证连接可靠。(6)要使用多个流量计使反应剂与掺杂计的浓度及流量精确可控。(7)石墨基座由高纯墨制成。加热采用射频感应加热方式。
1、Genius only means hard-working all one's life. (Mendeleyer, Russian Chemist) 天才只意味着终身不懈的努力。21.5.265.26.202108:3008:30:57May-2108:302、Our destiny offers not only the cup of despair, but the chalice of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二一年五月二十六日2021年5月26日星期三3、Patience is bitter, but its fruit is sweet. (Jean Jacques Rousseau , French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。08:305.26.202108:305.26.202108:3008:30:575.26.202108:305.26.20214、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行5.26.20215.26.202108:3008:3008:30:5708:30:575、You have to believe in yourself. That's the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Wednesday, May 26, 2021May 21Wednesday, May 26, 20215/26/2021
MOCVD4
3.7.5 外延新技术
1 分子束外延10-8~10-9Pa，加热外延层组分元素使之形成定向分子流，即分子束。该分子束射向具有一定温度的衬底（一般为400~800℃），沉积在表面形成单晶外延层。生长速度：0.01~0.03µm/min。外延层质量好，杂质分布及外延层厚度可控。生长速度慢，且设备昂贵。
主要技术指标：极限真空：优于10-1Pa；工作气压：10-1-103Pa；衬底温度：室温-400℃；样品尺寸：Φ100mm；主要用途：淀积介质种类：多晶硅，氮化硅，二氧化硅等
多功能等离子体CVD设备
（Plasma Enhanced CVD）
主要性能指标：PECVD极限真空度≤6.7x10-4Pa；漏率：≤10-6Pa.L/S；样品加热盘：RT-400oC磁控溅射室真空度≤1.0x 10-4Pa；漏率：≤10-6Pa.L/S；样品加热盘：RT-800oC仪器功能及附件：直流靶+射频靶磁控溅射；一次可以制备6个样品；低温PECVD仪器使用范围：可用于制备高介电氧化物薄膜材料，同时PECVD设备具有了低温下获取高质量薄膜。
3.7 外延工艺
外延工艺属于化学气相淀积，化学气相淀积(CVD)是利用化学反应的方式在反应室内将反应物（通常为气体）生成固态的生成物，并沉积在晶片表面的一种薄膜沉积技术。CVD已成为半导体生产过程中最重要的薄膜沉积方式。在目前的超大规模集成电路生产过程中，部分金属材料还使用溅镀之外，所有其它材料均以CVD法沉积。主要的介电材料有SiO2 、Si3N4、PSG（磷硅玻璃）、BPSG（硼磷硅玻璃），导体有WSix、W及多晶硅，半导体有硅。用于制作单晶硅薄膜的CVD，通常均以另一种名称称呼：外延(epitaxy)。
3.7.3 介质材料CVD1、SiO2用途：在大规模集成电路的制造技术中CVD法SiO2的使用和氧化法SiO2互为补充。采用下列两种反应：后者已TEOS为主的SiO2LPCVD，阶梯覆盖能力甚佳，应用较广。
2、磷硅玻璃（PSG）和硼磷硅玻璃（BPSG)磷硅玻璃（PSG）最大的用途是作为半导体元件的保护层。前者用常压CVD，温度约为400°C，外观较纯SiO2的结果来得平滑。其玻态转变温度亦较SiO2得低。后者用PECVD法硼磷硅玻璃（BPSG)就是在上述的PSG内，再加入少量硼的一种同时含硼与磷的二氧化硅。BPSG广泛应用于尚未进行金属沉积前的表面平坦化介质材料。
材料
方式
SiO2
AP,LP,PE
PSG
AP,PE
BPSG
AP,PE
SiN4
PE
Polysilicon
LP
WSix
LP
W
LP
CVD法的步骤： 1. 参加反应的气体的混合物被输运到沉积区2.反应物分子由主气流扩散到衬底的表面3.反应物分子吸附在衬底表面上4.吸附物分子间或吸附分子与气体分子间发生化学反应，生成硅原子和化学反应副产物，硅原子沿衬底表面迁移并结合进入晶体点阵。5.反应副产物分子从衬底表面解吸6.副产物分子由衬底表面外扩散到主气流中，然后排出淀积区
CVD的安பைடு நூலகம்问题
气体
性质
气体
性质
SiH4
有毒,易燃,自燃
NH3
毒、腐蚀
SiH2Cl2
有毒,易燃,腐蚀
H2
无毒、易燃
PH3
剧毒、易燃
O2
无毒、助燃
B2H6
剧毒、易燃
N2O
有毒、不易燃
AsH3
剧毒、易燃
N2
堕性
HCl
毒、腐蚀
Ar
惰性
国内方大公司的MOCVD反应装置
高密度等离子体化学气相沉积设备
分子束外延
分子束外延（MBE molecular beam epitaxy）是在超高真空（10-8Pa）一个或多个热原子或热分子束和晶体表面反应的外延工艺。MBE能够非常精确地控制化学组成和参杂浓度。厚度只有原子层量级的单晶多层结果可用MBE制作。因此，MBE法可用来精确制作半导体异质结构，其薄膜层可从几分之一微米到单层原子。对砷化镓而言，厚度一般在1微米。
中科院物理所的分子束外延设备
3、氮化硅氮化硅的用处：场氧化掩蔽膜、钝化层4、多晶硅CVD
3.7.4 金属材料CVD
硅化钨（Polycide结构）钨： 在一些需要多层金属层的VLSL工艺中，以LPCVD法所淀积的钨，已被大多数的半导体厂商用在作为上下金属层的中间金属连接物。
CVD反应室是整个CVD设备的心脏任何一个 CVD系统均包含一个反应室、一组气体传输系统、排气系统及工艺控制系统
当前MOCVD主要供应商只有两家,美国Veeco，德国Aixtron。日本的酸素（？）公司MOCVD只在本国出售。台湾工研院机械与系统研究所已组成台湾MOCV产业联盟，大陆13所、48所、55所、上海、宁波、佛山有一定技术资源和基础，目前还有一批研究人员回国。
MOCVD1
MOCVD2
MOCVD3
3.7.5 CVD反应室
低压LPCVD
低压化学气相淀积LPCVD反应器
等离子体化学气相淀积PECVD反应器
资料：扩展的PECVD制造大面积太阳能电池
基于非晶硅（a-Si:H）和微晶硅（μc-Si:H）的薄膜太阳能电池模块日渐成为低成本、大尺度光伏（PV）应用的最佳选择。这类模块的吉瓦级产品需要大面积的均匀吸收层，同时也需要很高的吸收层的沉积速度。采用具有知识产权保护的AKT等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工具，可以以很高的速率沉积非常均匀的薄膜，并且具有很高的产率和工艺灵活性。在面积从0.43到5.7 m2的衬底上，沉积层的均匀性控制在±10%（不包括20 mm的边缘部分）范围内（图1），这足以证明该方法良好的沉积均匀性。