外延及CVD工艺培训资料
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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。
2020/10/20
14
同型杂质
异型杂质
2020/10/20
15
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;
低温1000℃以下 CVD（低温）
2020/10/20
3
二.硅气相外延工艺
1. 外延原理
氢还原反应
Si4 C 2 H 2 l 1 0 C 0 0S i4 H Cl
Si4 C Sl(固 i) 2 Si2 Cl 硅烷热分解
Si4 H 6 0 C 0 S i2 H 2
2020/10/20
(9)H2冲 洗 (10)降 温
1170ºC 1min 6min
(11)N2冲 洗
4min
2020/10/20
12
三. 外延中的掺杂
掺杂剂有: 1. 氢化物 : PH3，AsH3，BBr3，B2H6 2. 氯化物: POCl3，AsCl3
2020/10/20
13
在外延层的电阻率还会受到下 列三种因素的干扰
2020/10/20
23
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。
2020/10/20
24
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。
卢瑟福背散射
缺陷密度
光学显微镜观测
2020/10/20
自动激光扫描仪
22
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。
2020/10/20
10
HCl腐蚀 H2冲洗 降温
N2冲洗
10L/min 260L/min
10min 1min 6min
2020/10/20
11
外延生长程序
(1)N2预 冲 洗 (2)H2预 冲 洗 (3)升 温1
260L/min 260L/min 850ºC
4min 5min 5min
(4)升 温2
第二章 外延及CVD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。
2020/10/20
1
CVD:Chemical Vapor Deposition
晶体结构良好
掺入的杂质浓度易控制
等气压线
2020/10/20
8
3.系统与工艺流程
系统示意图
2020/10/20
9
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
可形成接近突变p—n结
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
2020/10/20
化学气相淀积(CVD)----低温,非晶 2
材料异同
同质结 Si-Si 异质结GaAs--AlxGa(1-x) As 温度：高温1000℃以上
4
2. 生长速率
影响外延生长速率的主要因素：
反应剂浓度
2020/10/20
5
温度：B区高温区（常选用），A区低温区
2020/10/20
6
气体流速 :气体流速大生长加快
2020/10/20
7
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。
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
2020/10/20
25
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。
2020/10/20
26
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-up
2020/10/20
27
器件微型化：
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。
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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21
3.参数测量
参数内容
常用测量方法
外延层厚度
磨角染色法 层错法
红外椭圆偏振仪法
红外反射干涉法
电阻率
四探针法 三探针法
C-V法 扩展电阻法
少子寿命 杂质分布
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
2020/10/20
16
2020/10/20
17
2020/10/20
18
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2.埋层图形的漂移与畸变2.
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20
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Fra Baidu bibliotek小
SiCl4
SiH2Cl2 SiH4
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。
2020/10/20
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同型杂质
异型杂质
2020/10/20
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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;
低温1000℃以下 CVD（低温）
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二.硅气相外延工艺
1. 外延原理
氢还原反应
Si4 C 2 H 2 l 1 0 C 0 0S i4 H Cl
Si4 C Sl(固 i) 2 Si2 Cl 硅烷热分解
Si4 H 6 0 C 0 S i2 H 2
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(9)H2冲 洗 (10)降 温
1170ºC 1min 6min
(11)N2冲 洗
4min
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三. 外延中的掺杂
掺杂剂有: 1. 氢化物 : PH3，AsH3，BBr3，B2H6 2. 氯化物: POCl3，AsCl3
2020/10/20
13
在外延层的电阻率还会受到下 列三种因素的干扰
2020/10/20
23
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。
2020/10/20
24
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。
卢瑟福背散射
缺陷密度
光学显微镜观测
2020/10/20
自动激光扫描仪
22
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。
2020/10/20
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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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11
外延生长程序
(1)N2预 冲 洗 (2)H2预 冲 洗 (3)升 温1
260L/min 260L/min 850ºC
4min 5min 5min
(4)升 温2
第二章 外延及CVD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。
2020/10/20
1
CVD:Chemical Vapor Deposition
晶体结构良好
掺入的杂质浓度易控制
等气压线
2020/10/20
8
3.系统与工艺流程
系统示意图
2020/10/20
9
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
可形成接近突变p—n结
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
2020/10/20
化学气相淀积(CVD)----低温,非晶 2
材料异同
同质结 Si-Si 异质结GaAs--AlxGa(1-x) As 温度：高温1000℃以上
4
2. 生长速率
影响外延生长速率的主要因素：
反应剂浓度
2020/10/20
5
温度：B区高温区（常选用），A区低温区
2020/10/20
6
气体流速 :气体流速大生长加快
2020/10/20
7
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。
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
2020/10/20
25
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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26
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-up
2020/10/20
27
器件微型化：
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。
硅生长---腐蚀速率的各向异型是发生漂移
的根本原因.
2020/10/20
21
3.参数测量
参数内容
常用测量方法
外延层厚度
磨角染色法 层错法
红外椭圆偏振仪法
红外反射干涉法
电阻率
四探针法 三探针法
C-V法 扩展电阻法
少子寿命 杂质分布
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
2020/10/20
16
2020/10/20
17
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18
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2.埋层图形的漂移与畸变2.
2020/10/20
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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Fra Baidu bibliotek小
SiCl4
SiH2Cl2 SiH4