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。
外延工艺-SYGJPIE
外延的分类：
固相外延（SPE， Solid Phase Epitaxy）：半导体单晶上的非晶
生成固态物质和气体副产物，固态物淀积。
(d) 气态副产物和未反应的反应剂扩散通过界
面边界层。 (e) 进入主气流里，并离开系统
边界层：又称滞留层，主气流区与硅片表面之 间气流速度受扰动 的气体薄层
化学气相沉积的优点： ①好的台阶覆盖能力 ②填充高的深宽比间隙的能力 ③好的厚度均匀性 ④高纯度、高密度 ⑤可控制的化学组分 ⑥高度的结构完整性和低的膜应力。 ⑦好的电学特性 ⑧对衬底材料或下层膜有好的粘附性
雾状表面缺陷 ①雾圈 ②白雾
①雾圈 ②白雾
③残迹
④花雾
③残迹
④花雾
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角锥体：又称三角锥或乳突
减少外延层缺陷的方法：
1、仔细地抛光、清洗硅衬底，做到表面光洁度好、清洁、
无划痕和损伤、无沾污。 ； 2、采用超纯石墨基座，最好采用CVD涂覆碳化硅的石墨基 座，以减少来源于基座的金属杂质影响。 ； 3、对外延用衬底C和O含量进行控制； 4、对外延衬底进行外吸除； 5、要减少金属杂质对外延片的沾污,首先要对各种沾污源 进行控制和防护。例如选用低金属含量的衬底;加强衬底硅片 的清洗,经常对外延基座和反应室进行ＨＣｌ高温腐蚀处理等。
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。
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。
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。
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。
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
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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
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
外延工艺
晶格失配 （lattice mismatch） 失配率
其中：a外延层晶格参数； a′衬底晶格参数。有热膨
胀失配系数和晶格常数失配率。 晶格失配导 致外延膜中 缺陷密度非 常高
热失配影响单 晶薄膜物理和 电学性质
外延的工艺用途
优势： •1.高的集电结击 穿电压 •2.低的集电极串 联电阻
双极型晶体管
MBE的特点
•超高真空度达10-9~10-11Torr ，外延过程污染少， 外延层洁净。 •温度低，(100)Si 最低外延温度470K，所以无杂质 的再分布现象。 •外延分子由喷射炉喷出，速率可调，易于控制， 可瞬间开/停，能生长极薄外延层，厚度可薄至Å 量级。
MBE的优点
• 分子束外延的优点是：能精确控制外延层的化学 配比，杂质分布和外延层厚度。但其设备复杂， 成本昂贵。
气相外延原理
SiH4热分解外延
SiH4 → Si（s）+2H2（g）
• 优势： 1.反应是不可逆的，没卤化物产生，不存在反向 腐蚀效应，对反应室也无腐蚀； 2.外延温度低，一般是650-900 ℃，最低可在 600℃完成，减弱了自掺杂和扩散效应。 • 问题： SiH4在气相中可自行分解，造成过早核 化，对外延层的晶体结构产生重要影响，甚至 生成多晶；SiH4易氧化形成硅粉，要尽量避免 氧化物质和水汽的存在，否则会影响外延层的 质量；缺陷密度高于SiCl4 氢还原法制作外延 层；对反应系统要求高
外延的种类：
•按材料划分：同质外延和异质外延 •按工艺方法划分：气相外延（VPE)，液相外延 (LVP)，固相外延 (SPE)，分子束外延（MBE) •按温度划分：高温外延(1000℃ 以上)；低温外延 (1000℃ 以下)；变温外延--先低温下成核，再高温 下生长外延层 气相外延工艺成熟 •按电阻率高低划分：正外延--低阻衬底上外延高阻 ，可很好的控制薄 层；反外延--高阻衬底上外延低阻层 膜厚度，杂质浓度 •按外延层结构分类: 普通外延，选择外延，多层外 和晶格的完整性， 延 在硅工艺中一直占 •其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分 主导地位 等
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。
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（1）N2预冲洗 （2）H2预冲洗
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（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
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3.7.3 介质材料CVD
1、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：
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CVD的安全问题
气体 SiH4
性质
气体 性质
有毒,易燃,自燃 NH3 毒、腐蚀
SiH2Cl2 有毒,易燃,腐蚀
PH3 B2H6 AsH3 HCl
剧毒、易燃 剧毒、易燃 剧毒、易燃 毒、腐蚀
H2 无毒、易燃
O2 N2O N2 Ar
无毒、助燃 有毒、不易燃 堕性 惰性
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3.7.5 CVD反应室
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
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低压LPCVD
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低压化学气相淀积 LPCVD反应器
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等离子体化学气相淀积
PECVD反应器
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
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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。
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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。
2WF6 7SiH4 2WSi 3SiF4 14 H 2
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。
2WF6 3Si 2W 3SiF4 WF6 3H2 W 6HF WF6 SiH4 W SiF4 2HF 3H2
SiH4 O2 400~450 SiO2 2H2 Si(OC2H5 )4 650~750 SiO2 4C2H4 2H2O
后者已TEOS为主的SiO2LPCVD，阶梯覆盖能力 甚佳，应用较广。
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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。
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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。
SiCl4 2H2 Si 4HCl SiH4 Si 2H2
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2外延生长设备
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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
材料 SiO2 PSG BPSG SiN4 Polysilicon WSix W
方式 AP,LP,PE AP,PE AP,PE PE LP LP LP
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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
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。
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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
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。
国内方大公司的MOCVD反应装置
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高密度等离子体化学气相沉积设备
主要技术指标： 极限真空：优于101Pa； 工作气压：10-1103Pa； 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
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多功能等离子体CVD设备 （Plasma Enhanced CVD）
SiH4 4PH3O2 SiO2 2P2O5 8H2 SiH4 7N2O2 2PH3 SiO2 2P2O5 7N2 5H2
前者用常压CVD，温度约为400°C，外观较 纯SiOSi2O得2的 低结 。果来得平滑。其玻态转变温度亦较 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。
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3、氮化硅
氮化硅的用处：场氧化掩蔽膜、钝化层
3SiH2Cl2 7NH 3 Si3N4 2NH4Cl 3HCl 6H2 SiH4 NH 3 SiNx : H 3H2
4、多晶硅CVD
SiH4 Si 2H 2
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3.7.4 金属材料CVD
硅化钨（Polycide结构）