外延技术a
外延技术介绍
20台
10台 15台 30台 10台 6台
100
50 73 145 50 30
2013年中国大陆外延分布
西三角 MOCVD 产能
西安中为
华新丽华
2台
20台
100
100
2013年中国大陆外延分布
闽赣 MOCVD 厦门三安 厦门乾照 晶能 长城开发 22台 9台 50台 30台 产能 107 44 240 145
源供给 系统
金属有机化学汽相沉积（MOCVD）
1.以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族 元素的氢化物等作为晶体生长源材料
MOCVD原理
2.以热分解反应方式和高温还原反应的方式在 衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、ⅡⅥ族化合物的薄层单晶材料。
金属有机化学气相沉积（MOCVD）
单晶制作： 以Si/SiC为衬底
NH3:(500ml/min) TGM: 15μmol/min
标准的GaN外延生长
1.炉温1150℃
三：退火
2.切断Ga和N源 3.时间7min
GaN缓冲层30nm
Al2O3 (430±5μm)
标准的GaN外延生长
1.炉温1160℃
四：长单晶GaN
2.时间3min 3.TMGaN ,H2 HN3
1.炉温750℃和1160 ℃
六：长多量子阱 MQW
2.时间80min 3.长8个MQW
MQW层120nm N型GaN层2.5 μm GaN层0.5 μm GaN缓冲层30nm
Al2O3 (430±5μm)
一层长InGaN（2nm），再 长一层GaN（14nm），连续 长8个InGaN和GaN(16nm)
2013年中国大陆外延分布
第八章 外延
根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
真空外延、气相外延、液相外延
液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里， 降低温度析出硅膜。
根据相变过程
气相外延、液相外延、固相外延、
对于硅外延，应用最广泛的是气相外延
以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体, 在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在 加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等
气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反 应式、生长温度及所属反应类型
以SiCL4为例说明其生长机理
氢(H2)气携带四氯化硅(SiCl4) 进入置有硅衬底的反应室，在 反应室进行高温化学反应，使含硅反应气体还原或热分解， 所产生的硅原子在衬底硅表面上外延生长。
硅片上外延生长硅
Si Cl Cl
§8.6 分子束外延
分子束外延(MBE)，是在高真空(优于1.33×10-8Pa)环境中利用分子/原子 束流在加热的衬底上形成外延层，它属于蒸发工艺。在MBE过程中，分 子或原子的自由程足够大，以至嫁接上的原子或分子运动本质上具有弹 道的特性而没有气相反应。BME为二维生长，受表面动力学和扩散机制 控制。
Ce x Ce0 1 e
x
(7.6)
其中Ceo为稳态时外延层中的杂质浓度，即对应于无限厚处 的杂质浓度。如果在掺杂衬底上生长掺杂外延层，那么， 杂质的最终分布应是上述两种情况的叠加：
Ce x Cs e
x
Ce0 1 e
x
(7.7)
其中 “+”和“-”分别对应n/n+(p/p+)和p/n+(n/p+)型外延片。
外延技术
小组成员：秦奋，王昌赢，杨飒，张德清
主要内容
外延技术简介 外延技术分类 气相外延技术 分子束外延 外延技术应用前景
外延技术简介 概念：在微电子工艺中，外延是指在单
晶衬底上，用物理的或化学的方法，按 衬底晶向排列（生长）单晶膜的工艺过 程。
应用：
外延生长的新单晶层可在 导电类型、电阻率等方面 与衬底不同，还可以生长 不同厚度和不同要求的多 层单晶 应用于高频大功率器件，提高器 件设计的灵活性和性能
外延技术应用前景
近几年来，器件性能要求不断提高，器件设计正向尺寸微 型化、结构新颖化、空间低维化、能量量子化方向发展。MBE 作为不可缺少的工艺和手段，正在二维电子气（2DEG）、多量 子阱（QW）和量子线、量子点等到新型结构研究中建立奇功。 分子束外延，金属有机化合物汽相淀积等先进的超薄层材 料生长技术是许多光电器件与微电子、微波毫米波器件的关键 技术，主要包括激光器，光电探测器，光纤传感器，电荷，耦 合器件(CCD)摄像系统和平板显示系统等。它们被广泛地应用 于雷达、定向武器、制导寻的器、红外夜视探测、通信、机载 舰载车载的显示系统以及导弹火控、雷达声纳系统等。
应用于大规模集成电路，实现PN 结的隔离，并且改善材料质量
外延技术分类
气相外延 气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚度，杂质 浓度和晶格的完整性，在硅工艺中一直占主导地位
液相外延
有较高的生长速率，晶体完整性好纯度高，操作安 全、简便，但是当外延层与衬底晶格常数差大于1% 时，不能进行很好的生长。而且外延层表面一般不 如气相外延好。
气相外延设备示意图
外延生长工艺流程：
N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850℃→通入 HCL→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
工艺晶体外延生长技术
工艺晶体外延生长技术工艺晶体外延生长技术是一种关于在晶体中维持一个晶体的生长界面，使得它能够以相同的晶体结构在另一个晶体表面上增长的方法。
这种技术在许多领域中都有广泛的应用，例如半导体材料生长、太阳能电池、发光二极管（LED）等。
工艺晶体外延生长技术的基本原理是利用外延原理，通过在已有的晶体表面上沉积新的晶体材料来实现晶体的生长。
在这个过程中，需要先选择一个基底晶体材料，然后在基底上通过一系列的加热和化学反应来使新的晶体材料生长。
这种技术的主要步骤包括：首先，选择一个合适的基底晶体材料，通常是具有与待生长晶体材料相同或相近晶格结构的材料。
然后，在基底的表面上制备一个“种子层”，这个层往往通过物理气相沉积或化学气相沉积等方法制备。
接下来，在种子层上进行外延生长，一般采用化学气相沉积、分子束外延或金属有机气相外延等方法。
在晶体的生长过程中，需要控制和调节温度、压力、气氛等参数，以实现所需的晶体质量和生长速度。
工艺晶体外延生长技术的优点之一是能够控制晶体的尺寸和形状，可以生长出具有高度均匀性和大面积的晶体。
另外，这种技术还可以在晶体中引入掺杂物，使得晶体具有特殊的电学、光学、磁学性质，进而应用于各种领域。
然而，工艺晶体外延生长技术也存在一些挑战和问题。
例如，晶体生长过程中的杂质和缺陷会对晶体的质量和性能产生不利影响，需要通过优化生长条件和材料选择来解决。
此外，这种技术还需要高精度的仪器和设备来控制生长过程中的各种参数，因此对实验条件和实验操作人员的要求较高。
总之，工艺晶体外延生长技术以其精确控制晶体生长和材料性能的能力，在半导体材料生长、光电子器件等领域具有重要的应用前景。
随着技术的进步和发展，相信这种技术将在更多领域中发挥作用，为科学研究和工业应用提供更多可能性。
工艺晶体外延生长技术在半导体材料生长领域有着重要的应用。
半导体材料是制造集成电路和光电子器件的基础材料，而工艺晶体外延生长技术可以实现高质量、大面积的半导体晶体生长。
半导体工艺生长和外延
半导体工艺生长和外延半导体工艺生长和外延是制造高性能芯片和器件的关键步骤。
在半导体行业中，这两个工艺技术是不可或缺的，它们通过精确控制材料的生长和组织结构来实现半导体晶体的制备。
生长技术是指在特定条件下，通过化学反应或物理沉积的方式，在晶体结构上添加新的材料，从而形成所需的半导体结构。
这种技术主要应用于半导体材料的生长和薄膜的制备。
工艺生长技术的优点是可以控制材料的成分、形貌和尺寸，并且可以实现高纯度的材料生长。
通过不同的生长方法，如化学气相沉积、物理气相沉积和分子束外延等，可以得到所需的晶体结构和性能。
而外延技术是在晶体基底上生长一层新的晶体结构。
这种技术可以通过在晶体表面摆放原子层，逐渐增加晶体结构的大小和复杂度，形成高质量的外延层。
外延可以用于制备半导体器件中的最薄组件，如栅压敏感器和光电二极管等。
半导体工艺生长和外延在半导体行业中具有重要的应用，对于高性能芯片和器件的制造至关重要。
通过生长技术，可以控制材料的成分和尺寸，从而实现特定的电学和物理性能。
而外延技术则可以使晶体结构更加完美，提高材料的品质和器件的性能。
这两种技术的结合，可以实现对半导体材料和器件的精细调控，为现代科技的发展提供了有力的支持。
在实际应用中，半导体工艺生长和外延需要严格控制各种参数和条件，确保材料的均匀性和一致性。
同时，对于不同的材料体系和器件结构，需要选择合适的生长和外延方法，从而实现最佳的性能和效果。
因此，在半导体工艺生长和外延的研究中，需要结合理论模拟和实验验证，不断优化和改进技术，为半导体行业的发展提供新的突破和支持。
总而言之，半导体工艺生长和外延是制造高性能芯片和器件的核心技术。
通过精确控制材料的生长和组织结构，可以实现半导体晶体的制备和性能调控。
这两种技术的发展和应用，将推动半导体行业的创新和进步，为人类社会的科技发展带来更多的机遇和挑战。
第六章 外延技术
以上反应均在气相完成，硅的析出源于如下反应：
SiCl ( g ) + 2 H 2 → Si (s ) + 4 HCl ( g )
实际的反应 SiCl 4 + H 2 ↔ SiHCl 3 + HCl
2 SiCl 2 ↔ Si + SiCl 4
SiCl 2 + H 2 ↔ Si + 2 HCl
所有的反应都是可逆的，上述反应的综合结果依反 应剂浓度可以是外延的生长或衬底的腐蚀
——（1） ——（2）
SiCl 4 + Si ↔ 2 SiCl 2
受两个过程限制：氢还原吸出硅的过程；释放出硅 原子形成单晶的过程；最慢的一个决定生长速率 当SiCl4浓度较低时，反应1起主导作用，外延层不 断增厚；随着Y增加，反应2作用逐渐加强； 当SiCl4的浓度增加到一定程度时，化学反应释放硅 的速度大于硅原子在表面排列的速度 当SiCl4的浓度增加到0.27时逆向反应发生，硅被腐 蚀，增加到0.28时，只有腐蚀 硅烷和氯硅烷的根本不同在于反应不可逆
合肥工业大学 理学院 张彦
二号液：HCl:H2O2:H2O=1:1:6 SC-2的主要作用是去除金属离子，利用HCl与金 属离子的化合作用来有效去除金属离子的沾污 三号液：H2SO4:H2O2=4:1 SC-3的主要作用是去除有机物（主要是残留的 光刻胶），利用的强氧化性来破坏有机物中碳氢 键 稀释的HF(DHF)：HF:H2O=1:50或1:100 DHF的主要作用是去除自然氧化层
生长速率还与反应腔横截面形状和衬底晶 向有关
不同晶面的键密度不同，键合能力存在差别； ——（111）晶面的双层原子面之间的共价键密度 最小，键合能力差，故外延速率最慢； ——（110）晶面之间的原子键密度大，键合强， 外延生长速率就快。
外延生长技术概述
外延生长技术概述由 LED 工作原理可知,外延材料是LED的核心部分,事实上,LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。
发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：①禁带宽度适合。
②可获得电导率高的P型和N型材料。
③可获得完整性好的优质晶体。
④发光复合几率大。
外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在,金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical VaporDeposition,简称MOCVD)技术生长III-V族,II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。
II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物,如：Ga(CH3)3,In(CH3)3,Al(CH3)3,Ga(C2H5)3,Zn(C2H5)3等,它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。
用氢气或氮气作为载气,通入液体中携带出蒸汽,与V族的氢化物(如NH3,PH3,AsH3)混合,再通入反应室,在加热的衬底表面发生反应,外延生长化合物晶体薄膜。
MOCVD具有以下优点：用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中,可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分,导电类型,载流子浓度,厚度等特性。
因有抽气装置,反应室中气体流速快,对于异质外延时,反应气体切换很快,可以得到陡峭的界面。
外延发生在加热的衬底的表面上,通过监控衬底的温度可以控制反应过程。
在一定条件下,外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。
MOCVD及相关设备技术发展现状：MOCVD技术自二十世纪六十年代首先提出以来,经过七十至八十年代的发展,九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。
目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。
日本科学家Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备,利用他自己研制的MOCVD设备(一种非常特殊的反应室结构),于1994年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管 ,1998年实现了室温下连续激射10,000小时,取得了划时代的进展。
碳化硅外延目前达到的技术水平
碳化硅外延目前达到的技术水平碳化硅（SiC）外延是制备高性能碳化硅器件的关键技术之一，其技术水平直接关系到器件的性能和可靠性。
目前，碳化硅外延技术已经达到了相当高的水平，以下是其中的一些重要进展和特点：1. 高质量外延层：通过先进的生长技术和优化的生长条件，研究人员已经成功地制备出了高质量的碳化硅外延层。
这些外延层具有低缺陷密度、高掺杂均匀性和良好的表面形貌，能够显著提高器件的性能和可靠性。
2. 大尺寸外延片：随着碳化硅器件市场的不断扩大，对大尺寸外延片的需求也日益增加。
目前，国内外的研究机构和企业已经成功地制备出了8英寸（200mm）以上的碳化硅外延片，并逐渐向商业化生产迈进。
3. 厚膜外延技术：为了满足电力电子器件和高功率应用的需求，研究人员开发出了厚膜外延技术。
这种技术可以在碳化硅衬底上制备出较厚的外延层，从而提高器件的耐压和电流容量。
同时，厚膜外延技术还可以降低器件的导通电阻和开关损耗，提高其工作频率和效率。
4. 异质外延技术：在碳化硅材料体系中，由于存在同质外延和非同质外延两种生长模式，研究人员开发出了异质外延技术。
这种技术可以在碳化硅衬底上制备出与衬底晶格匹配的外延层，从而降低缺陷密度和应力，提高外延层的完整性和均匀性。
5. 化学气相沉积技术：化学气相沉积技术是制备碳化硅外延层的主要方法之一。
研究人员不断优化生长条件和化学气相沉积技术，以提高外延层的生长速度、均匀性和掺杂浓度等方面。
同时，还探索了新型的化学气相沉积技术和反应机理，以进一步降低缺陷和杂质的影响。
总之，碳化硅外延技术已经取得了显著的进展，为高性能碳化硅器件的制备提供了有力支持。
未来，随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，碳化硅外延技术还将继续发展和优化。
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。
分子束外延技术名词解释
分子束外延技术名词解释
分子束外延技术是一项先进的材料制备技术，它将分子束外延过程作为基础，能够d制备复杂、具有特殊性质的材料。
根据不同的过程和材料类型，分子束外延技术也有多种名称，以下是其中常见的几种名词：
1、外延：外延是分子束外延技术的核心过程，是一种利用高能量的原子或分子束经由固体源向薄膜表面沉积原子或分子的过程。
2、表面外延：表面外延是一种利用原子或分子束经由表面孔洞或晶体缺陷沉积原子或分子的过程。
3、溶胶流外延：溶胶流外延是一种以溶胶流形式将原子或分子束沉积在表面上的过程。
4、热外延：热外延是一种将高温原子或分子束沉积在表面上的过程。
5、多层外延：多层外延是一种依次按层次将原子或分子束沉积在表面上的过程。
6、化学外延：化学外延是一种将原子或分子束以化学反应的方式沉积在表面上的过程。
7、多维外延：多维外延是一种能够使材料在多个方向上生长的外延过程。
- 1 -。
集成电路工艺之外延
c．在沟槽上进行外延生长（太阳能电池， 光电探测器。调节Si/Cl比例，使表面生长 速率为0，但槽内温度高，可生长）
• 横向超速外延 （ELO，Extended Lateral Overgrowth）
• 使寄生电容很小
指选择外延膜超过二氧化硅台阶高度时， 外延还沿着台面横向生长）
原理：晶粒成核速度：
SiO2 < Si3N4 < Si 异质外延 同质外延
其中含氯越多选择性越好（选择合适的 Si/Cl比例可实现选择外延）
• 最好的选择外延：SiH2Cl2和HCl混合气 体生长，可以去除SiO2表面的成核硅。
选择外延类型：
a．以硅为衬底，氧化硅、氮化硅做掩蔽， 在露出硅的窗口进行外延生长
竞争反应：SiCl4＋Si2SiCl2 • 0<Y<0.1 速率, 0<Y<0.28速率,
Y>0.28 速率<0
8.1.4 生长速率与气体流速的关系
气体流速越大，边界层厚度越小，质量转 移越快，因而生长速率越快。当流量达到 一定数值时，外延速率倾向于饱和，反应 转向化学反应速率控制。
边界层厚度: (x/v)1/2 • v越大， 越小 , 生长速率增加
1选择扩散系数较小的杂质作衬底掺杂埋层用sb或as而不用p2降低外延温度可采用激活能小的硅烷823自掺杂效应由于热蒸发或者化学发应的副产物对衬底的腐蚀使衬底中的硅和杂质进入气相改变了气相中的掺杂成分和浓度从而导致了外延层中的杂质实际分布偏离理想情况这种现象称为自掺杂效应
第八章 外 延
• 外延工艺是在60年代初发展起来的一种 极其重要的技术，目前得到十分广泛的 应用。
外延 集成电路制造中一道工艺
外延集成电路制造中一道工艺1、什么是外延？外延(Epitaxy)是集成电路制造中的一项工艺，是在厚膜晶体片上，利用高温气氛和半导体材料的吸附性质，在经过表面准备的厚膜晶体片上以有一定方式和形态生长一层材料层的技术。
2、外延的应用外延在微电子制造技术当中广泛应用，在高集成度集成电路中有着重要的作用，可用来做晶片分割，加多层桥接，制造封装结构等。
外延制备的材料具有单晶性，电子特性好，制备的层厚可见光波段可控，材料属性稳定性较好，可用来制作电路上各种量子阱器件，而且表现出的电子特性也很优良，能够得到很好的发挥。
3、外延的工艺步骤①清洗：对晶片进行清洗，清除表面的污染物，以保证表面的清洁度；②物理气体氧化：在采用液氧，还有将晶体片浸入到硅酸、石英酸中经过恒温煮沸或是使用光致氧化；③原料加热：使晶体片温度不断升高，逐渐到达凝固温度；④凝固：将原料进行精细投料，采用熔体混合的方法，使外延材料的浓度均衡，形成较厚的晶体层；⑤冷却：当层厚达到要求，熔料开始冷却，同时也随着温度不断下降，以确定好材料晶体结构；⑥终检：最后进行量测，完成外延工序。
4、外延的优势外延制备的材料差异性很小，具有良好的半导体功能，特别是半导体器件制备所需要的精细结构，可以在比较低的层厚下实现；外延可以使半导体器件的制备技术更加容易，克服裸片的尺寸缩小的问题；此外，外延制备的材料具有单晶性，电子特性非常好，不需要大量的熔点投料，故而也大量地可以减少投料时间，而且外延可以控制的分子的方向很好的方向，可以有效的改善半导体器件的性质。
5、外延的缺点外延这种方法耗时较多，且测量精度也较低，而且在投料过程中，熔体叠加就会造成重交叠，使晶体片表面出现瑕疵，漏晶面会影响半导体器件的性能。
外延技术
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 和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核， 而且使衬底硅和外延层硅之间键合良好， 避免衬底硅表面缺陷向外延层中延伸。
工艺
反应剂有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4，气态反 应剂可稀释后直接通入，而液态反应剂是装在源瓶中， 用稀释气体携带进入反应器。 掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、 B2H6、AsH3 SiH4为反应剂， PH3为掺杂剂： SiH4（H2） Si+2H2↑ 2PH3（H2） P+6H2↑ SiH4在主流气体中只百分之几；PH3也用氢气稀释至 十~五十倍。
选择外延（Selective epitaxial growth，SEG）
•如何实现？ 根据硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特 定区域生长外延层而其它区域不生长的技术。 外延生长晶粒成核速度 SiO2〈Si3N4〈Si •Cl或HCl作用： 利用氧化物表面的高清洁性和源中存在足够的Cl或HCl提高 原子的活动性，以抑制气相中和掩蔽层表面处成核；Cl↑，选 择性↑，因为HCl可将在氧化物表面形成的小团的硅刻蚀掉； •三种类型： 1.以Si为衬底，以SiO2或Si3N4为掩膜，在暴露的硅窗口内 生长外延；或在暴露的硅窗口内生长外延，在掩膜生长PolySi； 2.同样以Si为衬底，以SiO2或Si3N4为掩膜，在暴露的硅衬 底上刻图形，再生长外延； 3.沟槽处外延生长
气相质量传递过程
边界层指基座 表面垂直于气 流方向上，气 流速度、反应 剂浓度、温度 受到扰动的薄 气体层。 基座表面做成 斜坡状，和气 流方向呈一定 角度，α角一般 在3~10°。
外延技术知识
• In-situ diagnostics less common than in MBE.
Description of the MOCVD equipment
• R. L. Moon and Y.-M. Houng, in Chemical vapor deposition Principles and applications, edited by M. L. Hitchman and K. F. Jensen (Academic Press, London, 1993).
growing semiconductor films.
• Wide application for devices such Lasers, LEDs, solar cells,
photodetectors, HBTs, FETs.
• Principle of operation: transport of precursor molecules (group-III
• One of the premier techniques for epitaxial growth of thin layer
structures (semiconductors, oxides, superconductors)
• Introduced around 25 years ago as the most versatile technique for
• Leak-tight of the gas panel is essential, because the oxygen
contamination will degrade the growing films’ properties.
外延生长技术在半导体材料制备中的应用
外延生长技术在半导体材料制备中的应用近年来，随着信息技术的飞速发展，人们对电子产品的需求越来越大。
而作为电子产品的核心材料之一，半导体材料的制备技术也越来越重要。
外延生长技术就是一种在半导体材料制备过程中被广泛运用的技术。
它可以通过在晶体表面上形成一层材料晶层来扩大晶体的尺寸和改变其性能。
本文将从外延生长技术的原理、应用领域和挑战等方面进行论述。
首先，让我们来了解一下外延生长技术的原理。
外延生长技术是一种从基底晶体表面开始形成半导体材料晶层的方法。
它基于熔融或气相的物质沉积机制，通过在基底晶体上沉积材料原子和分子来形成薄膜。
这种技术可以控制晶层的厚度和成分，并且能够在晶体的表面上生长出无限大的晶体。
通过控制生长条件和材料选择，可以实现对晶体的尺寸和性能的精确控制。
外延生长技术在半导体材料制备中具有广泛的应用领域。
首先，它在光电器件领域中有重要作用。
外延生长技术可以用于制备高质量的半导体薄膜，如LED（发光二极管）和激光二极管。
这些薄膜可以用于制造高效能的照明设备和高速通信设备。
其次，外延生长技术还可以用于制备光学和光伏器件。
通过控制生长条件和材料选择，可以制备出各种不同波段的半导体材料，实现宽波段的光吸收和发射，从而应用于光通信和太阳能电池等领域。
然而，外延生长技术在应用中也面临着一些挑战。
首先，材料选择是一个重要的问题。
不同的半导体材料具有不同的生长模式和参数要求，因此在选择合适的材料时需要综合考虑生长条件和应用要求。
其次，生长过程中的缺陷和杂质也是一个难题。
由于生长过程中外界环境的影响，晶体内部往往会出现各种缺陷，如晶格畸变、位错和杂质。
这些缺陷会降低材料的电学和光学性能，因此需要通过表面改性和后处理等方法进行修复。
最后，技术的标准化和规模化生产也是一个挑战。
外延生长技术通常需要高温和高真空环境，因此设备的设计和运作非常复杂。
此外，大规模生产需要对工艺进行标准化，以保证产品的一致性和稳定性。
分子束外延生长技术
分子束外延生长技术嘿，朋友们！今天咱来聊聊这个听起来很厉害的分子束外延生长技术。
你说这分子束外延生长技术啊，就像是一位神奇的建筑师，在微观世界里搭建着奇妙的结构。
它能在一个特别特别小的尺度上，精确地控制材料的生长。
想象一下啊，我们就好像是在指挥着一群小小的原子士兵，让它们排好队，按照我们想要的方式一层一层地堆积起来，形成我们需要的材料结构。
这可真是太神奇了！它的厉害之处在于它的高精度和高可控性。
就好比我们做蛋糕，要把每一层都抹得平平整整，不能有一点瑕疵。
分子束外延生长技术就能做到这样的精细活儿。
而且啊，这技术的应用那可广泛了去了。
在电子学领域，它能制造出性能超棒的半导体器件，让我们的手机、电脑啥的运行得更快更流畅。
在光学领域呢，它又能打造出高质量的光学材料，让我们看到更清晰更美丽的画面。
你说这技术是不是特别牛？那它是怎么做到这么厉害的呢？这就涉及到一系列复杂的原理和工艺啦。
它需要在超高真空的环境下进行，这样才能保证原子们乖乖听话，不乱跑。
然后通过精确控制各种原子或分子的束流，让它们按照我们设计的图案生长。
这过程就像是一场精心编排的舞蹈，每个原子都是一个舞者，它们在这个微观的舞台上跳跃、旋转、组合，最终呈现出令人惊叹的表演。
咱再想想，如果没有分子束外延生长技术，那我们的科技发展得失去多少精彩啊！那些先进的电子产品、高效的能源设备，可能都没办法达到现在这样的水平。
所以说啊，分子束外延生长技术可真是我们科技进步的大功臣呢！它就像是一把神奇的钥匙，打开了微观世界的大门，让我们能在那里创造出无数的奇迹。
咱可不能小瞧了这技术，它虽然看不见摸不着，但却在默默地为我们的生活带来巨大的改变。
也许你正在用的手机，里面就有通过分子束外延生长技术制造出来的关键部件呢！总之，分子束外延生长技术是个超级厉害的家伙，它让我们对材料的控制达到了一个前所未有的高度。
它就像是一个隐藏在幕后的英雄，为我们的科技发展默默地贡献着力量。
外延片工艺技术
外延片工艺技术在电子产业中，外延片技术被广泛应用于半导体器件的制造过程中。
外延片是指在晶体生长过程中，将一个晶体的结构复制到另外一个晶体上的薄膜。
这种制造方法可以使得半导体模块具有更好的性能和更高的可靠性。
外延片技术主要包括三个方面的工艺过程：晶体生长、材料处理和器件制造。
首先是晶体生长过程。
在晶体生长过程中，需要选择合适的基底材料作为种子。
常见的基底材料包括硅、砷化镓和硅碳化镓等。
然后，在基底上生长一层外延片材料。
外延片材料通常为半导体材料，如砷化镓、磷化铟和砷化镉等。
晶体生长过程可以通过化学气相沉积（CVD）或分子束外延（MBE）等方法来完成。
其次是材料处理过程。
在材料处理过程中，先对外延片进行表面处理，去除表面的杂质和缺陷。
然后进行光刻和蚀刻等工艺步骤，制作出像素、通道和栅极等器件结构。
最后进行清洗和退火等步骤，提高外延片的电学性能和结晶质量。
最后是器件制造过程。
在器件制造过程中，通过光刻、蚀刻和沉积等工艺步骤，将外延片上的器件结构转移到晶圆上。
然后进行接触和封装等步骤，将器件与其他元器件连接起来，形成最终的半导体模块。
外延片技术在半导体器件制造中具有重要的意义。
首先，外延片技术可以实现大规模的集成电路制造。
通过在外延片上制造堆栈式的器件结构，可以将更多的功能集成到一个芯片中，提高了芯片的性能和功能。
其次，外延片技术可以实现高质量的器件制造。
通过外延片技术，可以在晶体生长过程中控制材料的成分和晶格结构，从而减少晶体缺陷和杂质的影响，提高器件的电学性能和可靠性。
再次，外延片技术可以实现非常小尺寸的器件制造。
由于外延片材料的原子排列比晶圆材料更加紧密，因此可以实现更高的分辨率和更小的尺寸。
这对于今后高密度和高性能的芯片制造将起到重要作用。
总的来说，外延片技术是一项非常重要的半导体工艺技术。
通过掌握外延片技术，可以实现更高性能、更可靠和更小尺寸的半导体器件制造。
随着科技的不断进步，外延片技术将不断发展和创新，为电子产业的发展带来更多的机遇和挑战。
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本讲重点
•基本概念 • 外延生长，同质外延，共度 •重点理解 • 硅外延的制作工艺
物，刻蚀产生的聚合物，一些金属颗粒，
氧化层等
衬底清洁方法：
湿法化学清洗（RCA清洗）：在一系列的溶液中浸泡。
（1）去除有机残留物：在氧化/缓冲溶液中去除，典型
的溶液是氨水、双氧水、水按5:1:1的体积比混合，在 清洗槽中70-80℃下进行。 （ 2 ）去除重碱离子和阳离子：在含卤素溶液中去除， 通常将水、盐酸、双氧水按 6:1:1混合加热到 75-80℃
(2) 硅氯化物在加热的硅衬底表面与氢气反应还原出
硅原子淀积在硅表面上。其反应为： SiCl4十2H2＝Si十4HCl 气体分子中氯原子的数目越少，所需的反应温度 越低，现在 SiH2Cl2 （ DCS ）成为普遍使用的反应源。
硅氯化物外延生长的可能机理： （1）氢控制机理：淀积速率受限于氢从圆片表面 释放的过程。在此模型中，大部分硅表面被 H 附着， 这些H必须在硅原子彼此结合之前从表面释放出来。 （2）HCl控制机理：低温下是HCl，而不是H的 解吸附是限制生长速度的过程。 （3）SiCl2物理吸附机理
2）电学方法：四探针测量法，C-V分析法， 扩展电阻法，染色法等
选择性生长 不问类型的衬底，外延生长晶粒的成核速 度遵循这样的次序，SiO2<Si3N4<Si
低压，SiH2Cl2与HCl的混合气体生长
GaAs外延生长：
条件：衬底温度650～800℃ 固体As＋H2需要800～850℃
异质外延：
生长过程：利用化学气体反应后产生硅原子吸附于基体表
面，并移动到适当的晶格位置生长而成。 常用的反应气体：SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH4等。
具体方法有以下两种： (1) 硅烷热分解 SiH4＝Si十2H2 优点：温度较低，可以在低达600℃下进行 缺点：均匀性差，无法避免均相成核形成的颗粒
本讲内容
• • • • • • • •
外延生长前处理——衬底清洗 硅外延（Epitaxial Si）生长 掺杂引入 外延生长缺陷 GaAs外延生长 金属有机物CVD 分子束外延生长 小结
衬底清洁：
目的：去除自然氧化物，残留杂质，颗粒等，产 生洁净的衬底表面 衬底表面可能的杂质：光刻胶残留物中的有机
•生长外延层有多种方法，但采用最多的是气相 外延工艺，常使用高频感应炉加热，衬底置于包 有碳化硅、玻璃态石墨或热分解石墨的高纯石墨 加热体上，然后放进石英反应器中，也可采用红 外辐照加热。 •为了克服外延工艺中的某些缺点，外延生长工 艺已有很多新的进展：减压外延、低温外延、选 择外延、抑制外延和分子束外延等。
通常用于高质量的 GaAs 外延生长，能够生成薄 的，原子级成分突变的极佳外延层
国内的外延片生长技术主要来源于美国，基本上
是进口美国的有机金属化学气相沉积（ MOCVD）设
备，这些设备在美国就不是一流的设备。
分子束外延技术(MBE)：
分子束外延生长技术实际上是一种超高真空 “蒸发”方法。即在 10 -10 ～ 10 -11 Torr 的超高真空 环境下，加热外延层组分元素使之形成定向分子 流，即分子束(这时真空度降至10-9Torr)，该分子 束射向具有一定温度的衬底 (一般为400一 800℃ ) ， 就淀积于衬底表面形成单晶外延层。生长速度一 般在0.01～0.3m／min之间。 分子束外延的优点是：外延层质量好，杂质 分布及外延层厚度均受控；但其生长速度慢，且 设备相当昂贵。
3）缺陷将引起额外的杂质扩散，改变晶体管的特性。
缺陷种类 堆垛层错：最常见的外延硅生长缺陷，可以 通过清洗的改善而降低。 尖峰(Spike)：是外延层表面的突起 缺陷的数目和密度受生长过程个的各种条件影 响，如衬底温度，反应腔气压，反应生长物及圆片 表面清洗过程。
外延层厚度的测量
1）博里叶变换红外光谱法：常用方法
原子层外延技术 采用分子束外延技术，虽然可以根据生长速度， 通过控制生长时间实现原子层膜厚的控制。但在这种 方法中，由于温度、气流、分子束强度等因素不可避 免地存在随机起伏，生长速度也随之变化，很难通过 控制时间来实现原子层级的膜厚控制。近几年出现的 原子层外延则比较好地解决了这一问题。该方法的核 心是实现了以原子层为单位的自限制生长机构。具体 做法是：在生长过程中，交替向外延反应室中提供Ⅲ 族和Ⅴ族气体源，使外延层只能以单层原子层的速率 生长，通过控制这种交替提供Ⅲ族和Ⅴ族气体源的次 数也就控制了生长的外延层中原子层的层数。
外延生长分类
同质外延：外延层和衬底为同一材料。 异质外延：外延层和衬底是不同的材料。
外延层质量要求
外延生长与掺杂技术的目的类似，都是形成具 有一定导电类型和杂质浓度的半导体层，其质量 要求主要有下面几条： 1、具有一定的厚度，且厚度均匀。 2、掺杂浓度 ( 表现为电阻率 )均匀并符合设计 要求。 3 、位错、层错、麻坑、雾状缺陷、伤痕等缺 陷尽量少 4、杂质分布满足要求。
• 外延生长【epitaxial growth】 在单晶衬 底（基片）上生长一层有一定要求的、与 衬底晶向相同的一薄层单晶层的方法。 • 外延生长技术发展于20世纪50年代末60年 代初，为了制造高频大功率器件，需要减 小集电极串联电阻。
外延生长的最终目的是：沉积一层缺陷少， 且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜
硅氯化物生长外延的技术难点： （1）外延生长与蚀刻的竞争
Si(s) 2HCl( g ) SiCl2 ( g ) H 2 ( g )
（2）均匀性问题：二维生长和三维生长
掺杂的引入：
有意识掺杂：可通过 在反应气体中增加氢 化物杂质掺杂源得到 掺杂外延层。
外延掺杂
无意识掺杂：衬底表 面的固态扩散和气相 中的自掺杂
对工艺的成功非常关键。氯硅烷是硅外延的主要反应
物，它可以在圆片表面均匀生长，亦可在介质的刻蚀 开窗中选择性地生长。由于缺少合适的无机镓气态源，
GaAs气体生长较为复杂。
可控的薄外延层生长技术，常常是以异质结构的 形式进行，其中的一些工艺可把生长厚度控制在原子
级的水平。这些方法可分为物理性的分子束外延以及
法。一种比较粗糙的方法是把熔融的半导体物质注 入底层上，经过一段时间后结晶，然后把多于的液
体去除。 wafer 的表面可以重新研磨抛光形成外延
层。很明显这个liquid-phase epitaxy的缺点是重新 研磨的高成本和外延层厚度精确控制的难度。
分子束外延（MBE：molecular beam epitaxy ）：这是一
共度 不共度
膺晶
当吸附原子与吸附原了之间的互作用能小于吸附 原子与衬底材料的互作用能时，发生共度生长，在反 过来的情形下发生不共度生长。当两种能量相当，发 生膺晶生长。
典型例子： 不共度外延生长 1）蓝宝石上的硅生长 2）硅上的GaAs生长
膺晶外延生长 硅上外延生长GexSi1－x层，
金属有机物CVD：
化学气相沉积 （CVD）技术
外延生长
非CVD技术
分子束外延 成簇离子束外延
离子束外延
液相外延
外延生长的类型：
气相外延（VPE，也叫热CVD）：利用硅的气态化
合物或液态化合物的蒸汽在衬底表面进行化学反应
生成单晶硅。是一种在IC制造中最普遍采用的硅外 延工艺。
液相外延：由液相直接在衬底表面生长外延层的方
种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真
空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气， 经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度
的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或
原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术 的优点是：使用的衬底温度低 (400-800℃) ，膜层生长速率 慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的 变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的 单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成 的超薄层量子阱微结构材料。
每一步操作以在去离子水中的清洗结束。
b ：在高于 850℃以上的温度，在超高真空中用 Ar 溅射
或 Ar/H2 蚀刻使原生二氧化硅脱附，再高温退火以消 除产生的缺陷。
c：在稀释或缓冲的HF溶液中漂洗，时间小于10秒。
硅表面氧化物的去除检验：
脱水性检验法：裸硅表面水会很快流掉， 如果硅表面有氧化层，水流走得较慢，会有几分
浸泡10-15min，再经去离子水漂洗，最后用压缩氮气
干燥。其结果是在硅表面留下一层薄的不含金属离子 和有机物杂质的氧化层。
（3）自然氧化层的去除： a：于1000℃以上的高温，在氢气中预热，使原生二氧
化硅形成可挥发性的一氧化硅和水气，再同氯化氢气
体反应去除一层薄的硅以清除可能残留的杂质。 SiO2（s）+H2（g）＝SiO（g）+H2O（g） Si（s）+2HCl（g）＝SiCl2（g）+H2（g）
外延生长可分ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ多种
① 按照衬底和外延层的化学成分不同，可分为同质 外延和异质外延； ② 按照反应机理可分为利用化学反应的外延生长和 利用物理反应的外延生长； ③ 按生长过程中的相变方式可分为气相外延、液相 外延和固相外延等。
等离子增强CVD （PECVD) 快速热处理CVD （RTCVD) 金属有机物CVD （MOCVD) 超高真空CVD （UHVCVD) 激光、可见光、X射线 辅助CVD
钟的含水状态。对于有图形的圆片，若裸硅的面
积足够大，也可以用此法检验
• 硅外延（Epitaxial Si）生长
特点：缺陷少，性质佳，但制备温度最高，难度最高， 因此在工业应用上受限。 应用：生长较厚的膜（ 1-10μ m ）以在膜中制造二极 元件和CMOS元件，一般用在IC的最前段 。
反应器：依反应气体流通方向相对于硅片方向可以分 为水平式、垂直式、柱形。