外延工艺
外延工艺简介
外延工艺简介外延工艺是一种用于生产高质量晶体的工艺方法。
它是一种将晶体生长在基底上的技术，常用于制备半导体材料和器件。
外延工艺的基本原理是在一个基底上逐渐生长新的晶体。
这个基底通常是一块具有特定晶面结构的晶体，也可以是具有较高化学稳定性的材料。
在外延工艺中，基底材料被放置在一个高温的反应室中，通过注入气体或溶液中的原材料，使其与基底发生化学反应，并形成新的晶体。
外延工艺有多种不同的方法，包括气相外延、溶液外延和分子束外延。
每种方法都有其特定的优点和适用范围。
在气相外延中，原材料以气体的形式被输入反应室，然后在高温下发生化学反应，产生新的晶体。
这种方法适用于制备大面积以及薄膜状晶体。
溶液外延是将原材料以溶液的形式注入反应室中，然后通过控制温度和压力来控制晶体的生长速度。
这种方法适用于制备柱状晶体。
分子束外延通过向基底表面瞄准束流的方法进行，使得外延的晶体具有更高的控制性和纯度。
外延工艺的应用非常广泛。
在半导体产业中，外延工艺常用于制备硅、砷化镓、磷化镓等材料。
这些材料被广泛用于制造集成电路、激光器、光电器件等。
此外，外延工艺也被用于生产光纤、太阳能电池、LED等领域。
总的来说，外延工艺是一种重要的材料制备方法，通过控制晶体的生长过程，可以制备出高质量和定制化的晶体材料。
它在半导体、光电子、能源等领域都有重要的应用，推动了这些技术的发展。
外延工艺的技术原理和应用领域外延工艺是一种重要的半导体材料制备技术，具有广泛的应用领域。
它的核心原理是通过在基底上逐层生长新晶体，从而制备出具有高质量和定制化特性的材料。
外延工艺可以用于生产许多不同类型的半导体材料，例如硅、砷化镓、磷化镓等。
这些材料是制造集成电路、光电器件、激光器、发光二极管（LED）等的关键组成部分。
外延工艺的主要方法之一是气相外延（VPE）。
在VPE过程中，原材料以气体的形式输送到高温反应室中，并与基底材料发生化学反应，最终形成新的晶体。
通过控制反应室的参数，如温度、气体流量和气氛等，可以调节晶体的生长速度和晶体的性质。
3外延工艺
异质外延衬底和外延层的材料不同，晶体结构和晶格常数 不可能完全匹配。外延生长工艺不同，在外延界面会出现 两种情况——应力释放带来界面缺陷，或者在外延层很薄 时出现赝晶（pseudomorphic）
异质外延生长工艺的两种类型
晶格失配 lattice mismatch
失配率： f = a − a' 100% a'
2.2 气相外延原理
以硅烷为源进行外延 SiH4气体被通入反应器,气相输运 到达硅衬底，射频加热器
直接给基座加热，基座上的衬底温度高， 硅烷就在衬底表 面分解出硅，硅 原子规则排列为外延层 将外延过程分解为气相质量传递和表面外延两个过程来具 体分析。
主观题 10分
分析下图气相外延设备中温度，反应气体浓度以 及气体流速沿水平和垂直方向的变化趋势
• 其中：a外延层晶格参数（热膨胀系数或 者晶格常数）； a′衬底晶格参数。有热膨 胀失配系数和晶格常数失配率。
热失配影响 单晶薄膜物 理和电学性 质
晶格失配导致 外延膜中缺陷 密度非常高
外延特点
• 外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可 以与衬底不同，增加了微电子器件和电 路工艺的灵活性。
• 多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、 不同杂质含量、不同厚度，甚至不同材 料的外延层。
作答
异质外延的相容性 1. 衬底与外延层不发生化学反应，不发
生大量的溶解现象； 2.衬底与外延层热力学参数相匹配，即热
膨胀系数接近。以避免外延层由生长温度冷却至 室温时，产生残余热应力，界面位错，甚至外延 层破裂。
3.衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体 结构，晶格常数接近，以避免晶格参数不匹配引 起的外延层与衬底接触的界面晶格缺陷多和应力 大的现象。
输出 PNP
外延工艺-SYGJPIE
外延掺杂
（1）有意掺杂
按器件对外延导电性和电阻率的要求，在外延的
同时掺入适量的杂质，这称为有意掺杂。
典型的掺杂剂通常为氢化物： 例如：N型为PH3 、 AsH3 P型为B2H6 都剧毒
（1）有意掺杂 对于杂质来说，也存在气相质量输运限制和化学反应速率
限制，只是情况更为复杂。例如，硼的掺入量随外延温度的上
ks hg Cg J R N ks hg N
式中，Cg 代表主气流中的反应剂浓度，
N 表示单位体积的薄膜含有的硅原子
的数量，对于硅，N的值为5×1022原子/厘米3 Hg 表示气相质量运输系数， Ks表示化学表面反应速率。 此公式显示了沉积速率正比于气体浓度
一、生长速率与温度的关系 当温度较低时，hg >> ks ，生长速率由表面反应速率常数 ks 决定 ；当温度较高时，hg << ks ，生长速率由气相质量转移系 数 hg 决定。
层在低于该材料的熔点或共晶点温度下，通过退火等手段,在单 晶衬底上生长出新的单晶层的过程。固相外延衬底温度低，杂 质扩散小，有利于制造突变掺杂界面的外延层。
分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy）：在超高真空条
件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束，以 很高的速度直接射到衬底表面，并在其上形成外延层的技术。 特点：生长时衬底温度低，外延膜的组分、掺杂浓度以及分布 可以实现原子级的精确控制。
缺陷种类: a.存在于衬底中并延伸到外延层中的位错；
b.衬底表面的析出杂质或残留的氧化物，
吸附的碳氧化物导致的层错；
c.外延工艺引起的外延层中析出杂质； d.与工艺或与表面加工(抛光面划痕、损伤)，碳沾污等有关，
外延工艺在集成电路制造产业中的应用(doc5)(1)
外延工艺在集成电路制造产业中的应用外延(Epitaxy,简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层能够是同质外延层(Si/Si)，也能够是异质外延层(SiGe/Si或SiC/Si等)；同样实现外延生长也有许多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM&RPEpi)等等。
本文仅介绍广泛应用于半导体集成电路生产中衬底为硅材料的硅(Si)和锗硅(SiGe)外延工艺。
依据生长方法能够将外延工艺分为两大类(表1)：全外延(BlanketEpi)和选择性外延(SelectiveEpi,简称SEG)。
工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2,简称DCS)和三氯硅烷(SiHCl3,简称TCS)；某些特别外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，相应中的载气一般选用氢气(H2)。
外延选择性的实现一般通过调节外延沉积和原位(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现，所用气体一般为含氯(Cl)的硅源气体DCS，利用相应中Cl原子在硅表层的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般仅应用于低温全外延工艺；而另外一种常用硅源TCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H2鼓泡来导进相应腔，但价格相对低廉，常利用其快速的生长率〔可抵达5um/min〕来生长对比厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。
IV族元素中Ge的晶格常数(5.646A与Si的晶格常数(5.431A区不最小，这使得SiGe与Si工艺易集成。
在单晶Si中引进Ge形成的SiGe单晶层能够落低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率fT(cut-offfrequency)，这使得它在无线及光通信高频器件方面应用十分广泛；另外在先进的CMOS集成电路工艺中还会利用Ge跟Si的晶格常数失配(4%)引进的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率(mobility)，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度，这正成为各国半导体集成电路工艺研究中的热点。
外延工艺简介
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物理气相沉积
利用物理方法使气态物质冷凝或蒸发沉积在基底 上。
3
外延生长速率与成核密度
外延生长速率与成核密度之间存在关联。
液相外延生长技术
溶液生长
01
将基底浸泡在含有源材料的溶液中，通过扩散控制反应过程。
热壁外延生长
02
将基底靠近加热的壁，使源材料蒸发并在基底上沉积。
外延层厚度和均匀性
03
液相外延生长过程中，需要控制外延层厚度和均匀性。
外延材料种类及特性
单晶硅外延片
单晶硅外延片是一种常见的外延材料，具有高导热、高绝缘、高 透光等特性，广泛应用于电力电子、微电子等领域。
氮化镓(GaN)外延片
GaN外延片具有高击穿电压、高热导率、高抗辐射能力等特性，在 高频大功率电子器件领域具有广泛应用。
氧化锌(ZnO)外延片
ZnO外延片具有高电子迁移率、高透明度、低介电常数等优点，在 光电器件和压电器件领域有重要应用。
这类设备采用水平管式结构，具有生长速度快、温度分布均匀、薄膜质量高等优点，适用 于生长高质量的外延层。
垂直管外延设备
采用垂直管式结构，具有生长环境稳定、操作简单、易于维护等特点，适合生长多种材料 的外延层。
金属有机物化学气相沉积(MOCVD)
MOCVD设备具有灵活的化学气相沉积能力，能够在较低温度下生长高质量的外延层，同 时具有高生产效率和低成本等优点。
随着科技的不断发展，外延工艺的应用领域越来越广 泛。例如，在新能源领域，外延工艺可以用于制备太 阳能电池、燃料电池等高效能源转换器件；在生物医 学领域，外延工艺可以用于制备生物芯片、生物传感 器等生物医学器件；在环保领域，外延工艺可以用于 制备光催化材料、空气净化器等环保器件。未来，随 着外延工艺的不断进步和完善，其应用领域将不断拓 展，为人类社会的发展带来更多的机遇和挑战。
集成电路制造工艺第5章 外延工艺
2. 外延生长过程
反应气体分子从气相转移到生长层表面；反应气体分子被生长 层表面吸附；在生长层表面，反应物完成化学反应，生成硅原 子和其它副产物；副产物从生长层表面脱离；副产物排出反应 室；硅原子在生长层表面扩散；硅原子扩散至晶格形成处，与 其它硅原子结合形成晶核；晶核生长成单晶外延层。
Si������4 → ������������ + 2������2
1. 外延设备系统组成
5.2外延设备
图5-4 外延系统设备框图
2. 外延反应室 （1）卧式（水平式）反应室
（2） 立式（盘式）反应室
图5-5 卧式反应室
图5-6 立式反应室
3.筒式反应室
图5-7筒式反应室
5.3 气相外延
气相外延（Vapor Phase Epitaxy, VPE）是指含外延层材料的 物质以气相形式流向衬底，在衬底上发生化学反应，生长出和 衬底晶向相同的外延层的外延工艺。
SiCl4+2H2→Si+4HCl （2）SiHCl3：外延温度可略低于，生长速度快，每分钟可超过1μm，这 种源主要用于较厚的外延层生长。
3 SiH������������3 + 2 ������2 → Si + 3HCl （3）SiH2Cl2：常温下为气体。蒸汽压大于1个大气压，可在较上两种源 更低的温度下外延，从而有利薄层外延工艺中减少外扩散与自掺杂。 Si������2������������2 → ������������ + 2������������������ （4）SiH4:为气体，用于较低温度（950～1000℃）下薄层硅外延。
（3）换气
04微电子工艺基础外延工艺
1 微电子工艺基础
第4章 外延工艺 本章（ 学时）目标： 本章 （ 3 学时 ） 目标 ：
1、了解相图和固溶度的概念 、 2、了解外延技术的特点和应用 、 3、 3、掌握外延的分类 4、掌握气相外延的原理、步骤 、掌握气相外延的原理、 5、了解分子束外延的实现方式和优点 、
2 微电子工艺基础
硅重量百分比
1414
液相
Ge-Si相图 固相
938.3
硅原子百分比
6 微电子工艺基础
6
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 3、固溶度
固溶度 在平衡态下， 在平衡态下，一种杂质可以溶在另一种材料的 最高浓度,或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱 最高浓度 或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱 和固溶体内溶质的浓度。 和固溶体内溶质的浓度。 杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。 杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。 例如硅中砷原子浓度3.5%相当于 相当于1.75X1021cm-3 例如硅中砷原子浓度 相当于
11 微电子工艺基础
11
第4章 外延工艺 二、外延工艺 1、概述
（2）外延特点： ）外延特点： 生成的晶体结构良好 掺入的杂质浓度易控制 可形成接近突变pn结的特点 可形成接近突变pn结的特点 pn
12 微电子工艺基础
12
第4章 外延工艺 二、外延工艺 1、概述
（3）外延分类： ）外延分类： ① 按工艺分类
2
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 二、外延工艺
1、概述 2、硅的气相外延 3、掺杂 4、缺陷与检测 5、外延的应用
三、其它外延
3 微电子工艺基础
3
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 1、定义
外延工艺技术
外延工艺技术外延工艺技术是一种常用于半导体材料生长技术的方法，被广泛应用于集成电路、光电子器件等领域。
它的主要特点是在基片表面逐渐生长出所需薄膜或晶体材料，并能控制其结构和性能。
外延工艺技术的核心是在基片表面生成一层与自身晶体结构相同或相似的材料，即外延层。
通过调节生长条件，可以控制外延层的厚度、晶格常数以及晶体质量，从而实现对薄膜或晶体材料的精确控制。
外延工艺技术主要包括气相外延、分子束外延和金属有机化学气相沉积等方法。
其中，气相外延是最常见的一种方法。
它利用气相反应原料，在高温下将气体中的原子或分子沉积到基片表面，形成薄膜或晶体结构。
这种方法具有生长速度快、控制能力强、适用性广等优点。
分子束外延是一种高真空条件下生长膜的方法。
它利用电子束或离子束将原子或分子瞄准到基片表面，实现晶体生长。
这种方法生长的薄膜结构更加均匀，晶格常数更精确，因此在一些特殊应用中得到广泛应用。
金属有机化学气相沉积是一种利用有机金属气体化合物的热分解沉积薄膜或晶体的方法。
它具有较高的生长速率、较低的生长温度以及较好的材料纯度等优点，特别适用于一些高温不稳定的材料。
外延工艺技术在半导体行业中的应用非常广泛。
例如，现代集成电路中的材料生长、退火、离子注入等过程，都离不开外延工艺技术的支持。
通过外延工艺技术，可以实现对材料杂质掺入浓度、电学特性、光学特性等方面的精确调控，从而提高器件的性能和可靠性。
此外，外延工艺技术还被广泛应用于光电子领域，如光通信、太阳能电池等。
通过外延生长技术，可以制备出高质量的半导体材料，提高光电转换效率。
同时，外延工艺技术还可以用于制备纳米材料、二维材料等新型材料，具有很大的研究和应用前景。
总之，外延工艺技术是一种重要的半导体材料生长方法，具有精确控制材料结构和性能的优势。
随着半导体技术的不断发展，外延工艺技术将在电子、光电子等领域中发挥越来越重要的作用。
3外延工艺
工艺
作用是将硅基片表面残存的氧化物（SiOx） 以及晶格不完整的硅腐蚀去掉，露出新鲜
• 外和而有且延完使整生晶衬底格长的硅工硅和表艺面外延，流利层程于硅硅之：外间延键合成良好核，，
避N免2衬预底冲硅洗表面→缺H陷2向预外冲延层洗中→延升伸。温至850℃→ 升温至1170℃→HCl排空→HCl抛光 →H2冲洗附面层→外延生长（通入反应 剂及掺杂剂）→H2冲洗1170℃→降温 →N2冲洗
SOI技术
1. 20世纪80年代，SOS集成电路价格昂贵，并不适合普及民用，所以研究人员利用在衬底和表面硅薄层 之间嵌入一层绝缘层材料，研发出新的绝缘体上硅（SOI）材料，SOI材料的结构是表面硅薄层–二氧 化硅绝缘层材料–硅衬底，集成电路制造在表面硅薄层。
2. 无论是一般的硅衬底晶圆还是SOS晶圆，都是在底部单晶上生长出来的，但是在氧化物上是没有办法 生长出单晶的，业界制造SOI晶圆的方法都是利用嵌入或者键和的方法形成埋层氧化物隔离顶层硅薄膜 层和硅衬底。
PMOS
n+
PW
n+
p+
NW
p+
P-sub
• SOI和体硅在电路结构上的主要差别在于：
硅基器件或电路制作在外延层上，器件和衬底直 接产生电连接，高低压单元之间、有源层和衬底 层之间的隔离通过反偏PN结完成，而SOI电路的 有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完 全隔开，各部分的电气连接被完全消除。
• 与先前描述的单晶生长不同在于外延生长温度 低于熔点许多
• 外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的晶 向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率可不同。 n/n+，n/p，GaAs/Si。
1.2 外延工艺种类
气相外延工艺成熟，可很好
工艺技术6外延
上片漂移小纠偏过头
下片纠偏较正确
2.图形畸变Distortion
• 外延后图形增大或缩小,变模糊,甚之消失。 • 图形边缘不再锐利。 • 畸变原因：
主要是HCL腐蚀硅片表面，在台阶处，由于取 向不同使各方向腐蚀速率不同结果产生畸变。
SHIFT 非对称畸变 图形消失
对称变大 对称变小
外延后图形严重畸变
外延技术讲座提要
• 外延工艺简述 • 外延的某些关键工艺 • 几种常见外延炉性能比较 • 外延工艺及设备的展望
一、外延工艺简述
1.外延的含意 • Epi—taxy是由希腊词来的表示在上面排列
upon to arrange。
• 外延的含意是在衬底上长上一层有一定厚 度一定电阻率及一定型号的单晶。
• 外延是一种单晶生长技术但又不同于拉晶、 也不同于一般的CVD 。
2)电阻率测试
• 三探针: n/n+ p/p+ 探针接触电阻大
• 四探针: p/n n/p
当在界面有低阻过渡区时测试不准
• SRP: n/n+ p/p+ n/p p/n 要求知道衬底型号与取向，否则测试不准
• C-V:n/n+ p/p+ n/p p/n 要求严格的表面清洁处理
四探针
srp
Srp还可测浓度(或电阻率)与结深的关系，可 看过渡区宽度，是一个很好的分析测试手段
对于(111)晶片,取向对畸变影响很大
畸变小
畸变严重
轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难
轻微畸变
水平方向变宽，光刻机不能识别
硅源中氯原子的含量上对shift的影响
shift
0.4
0.3
(111)
0.2
外延工艺在集成电路制造产业中的应用
外延工艺在集成电路制造产业中的应用外延工艺是一种在集成电路制造过程中广泛应用的工艺技术。
它通过在硅基材料上形成一个或多个较厚的外延层，使晶体管等器件得以制造和集成。
这种工艺的应用不仅提升了晶体管的性能和质量，还促进了集成电路的封装密度和可靠性。
首先，外延工艺在集成电路制造中的应用体现在提高晶体管性能方面。
通过外延工艺，可以在晶片表面上形成高质量的薄膜材料，这些薄膜可以用于制造不同类型的器件。
例如，外延层可以用于制造MOS晶体管的栅极、源极和漏极等关键部件，从而提高晶体管的导电性和开关速度。
其次，外延工艺在集成电路制造中的应用还体现在提高集成度方面。
外延工艺可以实现不同材料之间的垂直和水平集成。
在垂直集成方面，通过在原有晶片上叠加外延层，可以制造多层晶体管结构，从而提高芯片的功能集成度。
在水平集成方面，外延工艺可以实现在同一晶片上集成不同材料的器件，如光电二极管和磁电传感器等，从而拓宽了集成电路的应用领域。
此外，外延工艺的应用还能提升集成电路的可靠性。
外延层具有较高的晶体质量和良好的晶体匹配性，因此可以有效减少晶体管的漏电流和热噪声等问题，提高电路的稳定性和可靠性。
同时，由于外延层具有良好的电学和机械性能，可以减少封装过程中的应力和热膨胀问题，降低退化和失效的风险。
综上所述，外延工艺在集成电路制造产业中具有广泛的应用。
它可以提高晶体管的性能和质量，拓宽集成度，提升电路可靠性，为集成电路制造业带来更多的发展机遇。
随着科技的不断进步和需求的不断变化，相信外延工艺在集成电路制造领域的应用前景将更加广阔。
当谈及外延工艺在集成电路制造产业中的应用时，有几个关键方面需要考虑。
首先，外延工艺可以实现材料的选择和调控。
在集成电路制造中，选择合适的材料对电路性能至关重要。
通过外延工艺，可以在晶片表面沉积不同材料的薄膜层，例如氮化镓、氮化铝和氮化硅等。
这种材料的选择可以根据电路应用的需求来进行调控，从而实现对电路性能和功耗的优化。
第一课外延工艺简介
诚信 忍耐
探索
热情
Faith Endurance Exploration Enthusiasm
• 什么叫外延生长？ • 硅外延的基本原理 • 外延设备及所用的气体 • 在外延中应注意的问题 • 外延层中的晶体缺陷 • 外延的质量表征因子 • 外延层测试设备 • 目前国内外延的动态 • 从事外延工作人员应具备的基本素质：敬业精神、
低流速可以产生较差的均匀性。
1000 1100 1200
图2
Company Confidential
7
Do Not Copy
HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO., LTD
诚信 忍耐
探索
热情
Faith Endurance Exploration Enthusiasm
热情
Faith Endurance Exploration Enthusiasm
Xj Xat
Cf(x)
Cat(x) 气相自掺杂 系统自掺杂
外延
无自掺杂
距表面深度
(图3) 掺杂浓度与距外延表面深度之间 的关系曲线示意图.这种阶梯式的 分布是自掺杂和外扩散不发生的 理想情况.该弯曲分布是由于不均 匀掺杂杂质所导致的实际情况
硅外延生长方法，目前国际上广泛的采用化学气相沉积生长方法满足 晶体的完整性、器件结构的多样化，装置可控简便，批量生产、纯度的保 证、均匀性要求。
Company Confidential
2
Do Not Copy
HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO., LTD
外延工艺在集成电路制造产业中的应用
05
外延工艺的技术发展
外延工艺的技术创新
设备升级：不断更新外延设备，提高生产效率和产品质量
材料研发：研究新型材料，提高外延层的性能和稳定性
工艺优化：改进外延工艺流程，降低成本和提高生产效率 技术合作：加强与国际先进企业的技术交流与合作，推动外延工艺 技术的不断创新
03
集成电路制造产业现状
集成电路制造产业概述
集成电路制造产业定义 集成电路制造产业分类 集成电路制造产业应用领域 集成电路制造产业市场规模
集成电路制造产业的发展趋势
技术创新：不断推动产业技术升级，提高芯片性能和降低成本。 产业协同：加强产业链上下游合作，实现资源共享和优化配置。 绿色环保：注重环保和可持续发展，推广绿色制造技术和环保材料。 全球化发展：加强国际合作和交流，推动集成电路制造产业全球化发展。
设备准备
衬底准备
外延生长
参数检测
外延工艺在集成电路制造中的应用领域
微电子领域：外延工艺在制造集成电路芯片中起到至关重要的作用。 半导体领域：外延工艺是制造半导体器件的关键技术之一。 光电领域：外延工艺在制造光电器件、光电传感器等方面也有广泛应用。 新能源领域：外延工艺在制造太阳能电池、燃料电池等方面也具有重要应用。
外延工艺的技术难题及解决方案
• 外延工艺的技术难题： (1) 薄膜均匀性控制 (2) 掺杂浓度控制 (3) 表面粗糙度控制
• (1) 薄膜均匀性控制 • (2) 掺杂浓度控制 • (3) 表面粗糙度控制
• 解决方案： (1) 采用先进的薄膜生长技术，如分子束外延、金属有机物化学气相沉积等，提高薄膜均匀 性 (2) 通过精确控制掺杂源的流量和温度，实现掺杂浓度的精确控制 (3) 采用表面处理技术，如化学抛 光、物理抛光等，降低表面粗糙度
简单的了解(外延工艺)
1.Bake :用大量的氢气生长，对衬底上不需要的东西去掉，使之干净2.Buffer :连接Al2O3与GaN的中间剂，粘合剂，使片子生长的更好。
Bufferratio反应Buffer的厚度，最好是在2.4—2.7之间，小于2或者大于3就显得太薄或太厚3.u—G aN:约0.89-1.5 um,在纯H2下生长，是本征不掺杂的GaN,,获得结晶质量好，表面平坦的外延层。
4.超晶格：在N—G aN之前的高低温之间：∮-dopping,其作用是隔断位错，降低缺陷，（现在的程序没有了）在u—G AN 与N—GaN有一层超晶格：SLS其作用与∮-dopping相同5.N—GaN:约3um(n*0。
135)左右，重掺Si，作为电极层，提供电子，（si代替Ga）其特点一般的生长时间在3000-5000S左右。
①在N—GaN的上面有掺杂较轻的一层，时间约270S，作用是增加电子的横向导电性，让电流在N电极横向扩展，称之为：current spreading layer （电流扩展层）现改为AL-GaN,使之更亮，与CART相同，使电子减速②还有时间约135S，其作用和上述一样，增加纵向扩展6.CART ：（charge asymmetric resonance tunnel）电荷不对称谐振隧道，约575S。
降低电子速度运行。
7.MQW：多量子阱：包括WELL 和 Barrier ，提高电子和空穴的复合效率厚度范围：Well：约30埃=3nm,barrier :150-160埃=15-16nmWell:外延片的核心部分，电子聚集的地方，在N2中生长，掺InCapping layer: 紧随WELL后面长的一层GaN,其目的是盖入WELL，防止生长Barrier升温时，掺入的In跑掉。
Barrier:使的质量变好，界面平坦。
Barrier 温度越高，结晶质量会越好，但温度过高会影响WELL的结构，well中的In会扰动（In→In+N）7. P- ALGaN: ALN作为栅栏防止电子跑掉，如果P层发光，IV降低，光衰很大HT-P-ALGaN在全H2高温环境中，AL很容易掺入接触8．电子阻挡层（blocking layer）：9. LT-P-GaN是HT-P-GaN的barrier ????10. contact layer（接触层）: 掺Mg 多，使欧姆接触好，1350S后的（约120S）,Mg太少，电极无法接触，所以做一层P-contact layer ,使之更好的欧姆11. 退火（anneal），将Mg激活，打断Mg-H键，使之起P型掺杂的功能。
芯片工艺与外延工艺的关系
芯片工艺与外延工艺的关系
芯片工艺和外延工艺是密切相关的两个概念，它们都是在半导体行业中使用的术语。
芯片工艺（Chip Process）是指制造芯片的过程，包括制备晶圆、薄膜沉积、光刻、离子注入、退火、金属沉积、刻蚀等一系列工艺步骤。
芯片工艺的目标是将电子元器件（如晶体管、电容器、电阻器等）制造在芯片表面上，并通过多层金属线路将这些电子元器件连接起来，形成集成电路。
而外延工艺（Epitaxial Growth）是制备外延层的一种方法，外延层是一种在单晶硅衬底上生长的薄层材料。
外延工艺是通过在衬底表面引入材料的气体（如氛围中的气体或有机金属气体），实现晶体的生长。
通过外延工艺可以获得与衬底具有相同晶格结构的晶体层，可以增加或改变芯片材料的特性，提高芯片的性能和可靠性。
在芯片制造中，外延工艺通常是芯片工艺的一部分，主要用于生长晶体层，形成芯片的活性区域。
外延层可以增加芯片的功能，例如用于形成高频器件、光电器件、功率器件等。
芯片工艺继续在外延层上进行，包括刻蚀、光刻、电镀等步骤，最终形成完整的芯片产品。
因此，芯片工艺和外延工艺是相互关联和依赖的，外延工艺为芯片工艺提供了材料基础，而芯片工艺则对外延层进行加工和构建，最终实现芯片的功能和性能。
外延工艺
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软误差
从封装材料中辐射出的α粒子进入衬 底产生大量(约106量级)电子-空穴对， 在低掺杂MOS衬底中，电子-空穴对 可以扩散50μm，易受电场作用进入 有源区，引起器件误动作，这就是 软误差。 采用低阻衬底上外延高阻层的外延片， 则电子-空穴对先进入衬底低阻层，其扩 散长度仅1μm，易被复合，它使软误差 率减少到原来的1/10。
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三. 外延中的掺杂
掺杂剂有: 1.氢化物: PH3，AsH3，BBr3，B2H6 POCl3，AsCl3 2. 氯化物:
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在外延层的电阻率还会受到下 列三种因素的干扰
重掺杂衬底中的大量杂质通过热扩散方 式进入外延层，称为杂质外扩散。 衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然 后重新返回外延层，称为气相自掺杂。 气源或外延系统中的污染杂质进入外延， 称为系统污染。
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外延层和衬底中不同类型的掺杂形成的 p--n结，它不是通过杂质补偿作用形成的， 其杂质分布可接近理想的突变结。
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外延改善NMOS存储器电路特性
(1)提高器件的抗软误差能力 (2)采用低阻上外延高阻层，可降低源、 漏n+ 区耗尽层寄生电容，并提高器件对 衬底中杂散电荷噪声的抗扰度 (3)硅外延片可提供比体硅高的载流子寿 命，使半导体存储器的电荷保持性能提 高。
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二.硅气相外延工艺
1. 外延原理
氢还原反应
SiCl4 2H2 Si 4HCl
1000 C
SiCl4 Si(固) 2SiCl2
硅烷热分解
SiH4 Si 2H 2
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600 C
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2. 生长速率
影响外延生长速率的主要因素：
外延工艺
§1 外延工艺
一.外延工艺概述
定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上生长
一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底 晶相延伸生长，并称此为外延层。长了 外延层的衬底称为外延片。
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CVD:Chemical Vapor Deposition
晶体结构良好
掺入的杂质浓度易控制 可形成接近突变p—n结
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同型杂质
异型杂质
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四. 外延层中的缺陷与检测
1. 缺陷种类:
a.存在于衬底中并连续延伸到外延层中的位错; b .衬底表面的析出杂质或残留的氧化物，吸附 的碳氧化物导致的层错； c . 外延工艺引起的外延层中析出杂质； d .与工艺或与表面加工(抛光面划痕、损伤), 碳沾污等有关，形成的表面锥体缺陷(如角锥 体、圆锥体、三棱锥体、小丘)； e . 衬底堆垛层错的延伸;
外延层和衬底中不同类型的掺杂形成的
p--n结，它不是通过杂质补偿作用形成的， 其杂质分布可接近理想的突变结。
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外延改善NMOS存储器电路特性
(1)提高器件的抗软误差能力
(2) 采用低阻上外延高阻层，可降低源、
漏 n+ 区耗尽层寄生电容，并提高器件对 衬底中杂散电荷噪声的抗扰度 (3) 硅外延片可提供比体硅高的载流子寿 命，使半导体存储器的电荷保持性能提 高。
系统示意图
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工艺流程
. 基座的 HCl 腐蚀去硅程序 ( 去除前次外
延后基座上的硅)
N2预冲洗
260L/min 4min H2预冲洗 260L/min 5min 升温1 850ºC 5min 升温2 1170ºC 5min HCl排空 1.3L/min 1min
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少子寿命
杂质分布
缺陷密度
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五.外延的用途
双极电路：
利用n/n+硅外延，将双极型高频功率晶体
管制作在n型外延层内，n+硅用作机械支 撑层和导电层，降低了集电极的串联电 阻。 采用n/p外延片，通过简单的p型杂质隔离 扩散，便能实现双极集成电路元器件间 的隔离。
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工艺多样化：
具有相反导电类型的外延层，在器件工
艺中可形成结和隔离区； 薄层外延供器件发展等平面隔离和高速 电路； 选择外延可取代等平面隔离工艺来发展 平面隔离； 绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三 维空间电路
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HCl腐蚀
H2冲洗 降温 N2冲洗
10L/min 260L/min
10min 1min 6min
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外延生长程序 (1)N2 预冲洗 260L/min 4min (2)H2 预冲洗 260L/min 5min (3)升温 1 850ºC 5min (4)升温 2 1170ºC 6min (5)HCl 排空 1.3L/min 1min (6)HCl 抛光 1.3L/min 3min (7)H2 冲洗(附面层) 260L/min 1min (8)外延生长: H2: 260L/min SiCl4: 6.4~7g/min PH3: 100PPM; 0.15~0.18L/min T: 1160~1190ºC; 时间随品种而定 (9)H2 冲洗 1170ºC 1min (10)降温 6min (11)N2 冲洗 4min
外延分类:气相外延(VPE)－－常用
液相外延(LPE)－－ⅢⅤ 固相外延(SPE)－－熔融在结晶 分子束外延(MBE)－－超薄 化学气相淀积(CVD)----低温,非晶 2
. .
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材料异同
同质结
Si-Si 异质结GaAs--AlxGa(1-x) As 温度：高温1000℃以上 低温1000℃以下 CVD（低温）
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2.埋层图形的漂移与畸变2.
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漂移规律
{111}面上严重,偏离2~4度,漂移显著减小,
常用偏离3度. 外延层越厚,偏移越大 温度越高,偏移越小 生长速率越小,偏移越小 SiCl4 SiH2Cl2 SiH4 硅生长---腐蚀速率的各向异型是发生漂移 的根本原因.
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CMOS电路采用外延片可使
电路的寄生闸流管效应有数 量级的改善。
Latch-提高器件的性能和集成度要求按比例 缩小器件的横向和纵向尺寸。其中，外 延层厚和掺杂浓度的控制是纵向微细加 工的重要组成部分；薄层外延能使 p-n 结 隔离或氧化物隔离的横向扩展尺寸大为 减小。
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软误差
从封装材料中辐射出的α 粒子进入衬 底产生大量(约106量级)电子-空穴对， 在低掺杂MOS衬底中，电子-空穴对 可以扩散50μ m，易受电场作用进入 有源区，引起器件误动作，这就是 软误差。 采用低阻衬底上外延高阻层的外延片， 则电子 -空穴对先进入衬底低阻层，其扩 散长度仅 1 μ m，易被复合，它使软误差 率减少到原来的1/10。
反应剂浓度
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温度：B区高温区（常选用），A区低温区
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气体流速 :气体流速大生长加快
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生长速率还与反应腔横截面形状和衬底
取向有关
矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共 价键数目越多，生长速率越慢。
等气压线
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3.系统与工艺流程
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3.参数测量
参数内容
外延层厚度
常用测量方法
磨角染色法 层错法 红外椭圆偏振仪法 红外反射干涉法 四探针法 三探针法 C-V 法 扩展电阻法 脉冲 MOS 电容法 C-V 法 扩展电阻法 微分电导和霍尔效应 放射性元素示踪分析 卢瑟福背散射 光学显微镜观测 自动激光扫描仪
电阻率
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三. 外延中的掺杂
掺杂剂有: 1. 氢化物 : PH3，AsH3，BBr3，B2H6 POCl3，AsCl3 2. 氯化物:
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在外延层的电阻率还会受到下 列三种因素的干扰
重掺杂衬底中的大量杂质通过热扩散方
式进入外延层，称为杂质外扩散。 衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然 后重新返回外延层，称为气相自掺杂。 气源或外延系统中的污染杂质进入外延， 称为系统污染。