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。
【2024版】外延工艺培训课件
（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
外延工艺
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
2017/4/9
600 C
4
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。
2017/4/9 1
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。
2017/4/9
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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、
半导体外延工艺注意事项
半导体外延工艺注意事项半导体外延工艺是制造半导体器件的关键步骤之一，它是在晶圆上沉积材料，使其形成单晶膜层的过程。
在进行半导体外延工艺时，需要注意以下几个方面。
首先，选择合适的外延材料。
外延材料的选择应根据半导体材料以及器件的需求进行。
所选外延材料应具备良好的晶体质量、平整度以及可控的电学、光学性能。
其次，控制外延温度。
外延温度是影响外延膜层质量的重要因素之一。
过高的温度可能导致材料的熔化或气化，而过低的温度则会影响材料的结晶度。
因此，在外延过程中，需要准确控制外延温度，确保薄膜的质量。
第三，注意外延厚度的控制。
外延膜层的厚度直接影响器件的性能。
因此，在外延过程中需要严格控制外延膜层的厚度。
可以通过调节材料源的流量以及外延时间来实现对外延厚度的控制。
第四，注意外延界面的质量。
外延界面的质量直接影响材料的结晶度以及晶格匹配程度。
在外延过程中，应确保外延材料与衬底材料的晶格匹配性，并避免外延膜层与衬底之间产生剥离现象。
第五，保持外延室的干净。
外延过程需要进行在高真空环境下进行，因此需要确保外延室的干净度。
杂质的存在可能会导致薄膜质量下降，甚至在极端情况下导致器件失效。
第六，严格控制外延气氛。
外延过程中的气氛对薄膜的质量以及器件性能起到重要作用。
因此，在外延过程中需要控制气氛的成分以及流速，以保证薄膜的质量。
第七，注意外延速率的控制。
外延速率是指在单位时间内沉积到晶圆上的材料的厚度。
外延速率的增加可能会导致薄膜的晶格失去完整性，从而影响器件性能。
因此，在外延过程中需要控制外延速率，确保材料的结晶度。
第八，提高外延工艺的重复性。
外延工艺的重复性是指多次进行外延过程时，所得到的薄膜性能之间的一致性。
提高外延工艺的重复性可以确保器件之间的一致性。
综上所述，半导体外延工艺在半导体器件的制造过程中起到非常重要的作用。
根据不同的半导体材料以及器件需求，需要选择合适的外延材料，并注意控制外延温度、外延厚度、外延界面的质量等工艺参数，以保证薄膜的质量和器件性能。
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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。
外延工艺简介
4-5
4″35片 5″24片 6″18片 8″ 8片 4″27片 5″19片 6″10片 4″30片 5″24片 6″14片 8″ 5片 4″35片 5″24片 6″15片 4″32片 5″18片 6″15片
双反应室，升温快，中低 频加热
双反应室，升温快，中频 加热；容易产生滑移线
双反应室，升降温慢，中 频加热；容易产生滑移线
在常规的硅外延工艺过程中，为了保证外延层晶格的完整性
得到良好的均匀性，通常在层流状态质量转移控制范围内生长。
在这种情况下，一般滞留层有几个微米厚。在外延生长前预热，尤其气相抛光。将源自量的衬底杂质存在相对静止的滞留层中，
在外延生长时，重新进入外延层，这是造成自掺杂的主要原因。
（见图３）
Company Confidential
d
外延
衬底
图形漂移不改变外延尺寸
Company Confidential
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如果当两条平行台阶沿相反的方向位移时，则外形尺寸将改 变，这叫做图形畸变．
外延生长过程中有时还会发生一个或全部边缘台阶消失的问 题，这种现象叫图形消失．
图形漂移、图形畸变和图形消失强烈地取决于衬底的晶向和 生长参数。这些生长参数包括生长压力、温度、硅源气体和生 长速率。
Company Confidential
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外延设备及所用的气体：
化学气相外延生长使用的设备装置通常称谓外延生长反应炉。一般主 要由气相控制系统、电子控制系统、反应炉主体、排气系统四部分组成。
反应炉炉体它是在高纯石英钟罩中悬挂着一个多边锥状桶式经过特殊 处理的高纯石墨基座。基座上放置硅片，利用红外灯快速均匀加热。九段 温控、中心轴可以旋转，进行严格双密封的耐热防爆结构。 电源系统：独立电源线、3相4线、50Hz、350A 气体控制系统：高精度的质量流量计、传动器气动阀控制，无泄露、耐腐 蚀的EP管、氢（H2）检漏、报警系统 冷却系统：足够的水冷循环系统和风冷循环系统 控制系统：微机程序控制、联锁方法，安全可靠 炉体：石英钟罩、石英环、石英吊杆、护套、双密封泵、高纯石墨基座 温度控制系统：独特的红外灯辐射加热、9段温控，均匀快速加热，可调
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。
sic外延工艺
SIC外延工艺是一种制备碳化硅（SiC）单晶材料的重要技术。
碳化硅作为一种宽禁带半导体材料，具有高热导率、高击穿场强、高电子饱和迁移速度等优异性能，在高温、高压、高频以及大功率电力电子器件和微波器件等领域具有广泛的应用前景。
SIC外延工艺的基本原理是在碳化硅衬底上通过化学气相沉积的方法生长碳化硅单晶薄膜。
碳化硅单晶薄膜的生长需要严格控制温度、气体流量、反应时间和压强等参数，以保证外延层与衬底之间晶格匹配和热膨胀系数相匹配，从而获得高质量的碳化硅外延层。
在SIC外延工艺中，常用的衬底材料包括碳化硅单晶片和蓝宝石单晶片。
碳化硅单晶片具有较高的导热性能和电子迁移率，适合制作高温、高频和大功率电力电子器件；而蓝宝石单晶片具有较高的机械强度和化学稳定性，适合制作耐高温和抗腐蚀的微波器件。
碳化硅外延层的生长需要选择合适的碳源和催化剂气体，常用的碳源包括甲烷、乙炔等烃类气体，催化剂气体包括氢气、氩气等惰性气体。
在生长过程中，通过控制温度和气体流量等参数，可以调节外延层的生长速率和组分，从而获得具有不同物理特性的碳化硅外延层。
总之，SIC外延工艺是制备高质量碳化硅单晶材料的关键技术之一，对于推动碳化硅在高温、高压、高频和大功率电力电子器件和微波器件等领域的应用具有重要意义。
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。
外延片工艺流程
外延片工艺流程
《外延片工艺流程》
外延片工艺是半导体制造过程中的关键环节，它是制备半导体器件的基础。
外延片工艺流程是指在衬底上沉积一层与衬底相同或不同的半导体晶体层，然后进行各种加工和制备工序，最终得到所需的器件。
外延片工艺流程一般包括以下几个步骤：
1. 衬底准备：首先需要准备一块高质量的衬底材料，通常采用单晶硅片或其他半导体材料作为衬底。
衬底的表面需要经过精细的清洁和处理，以确保外延片的生长质量和性能。
2. 生长外延片：在衬底上进行外延片的生长，一般采用化学气相沉积或分子束外延等技术。
通过不断加热和控制气体的流动，使外延片沉积在衬底表面并形成所需的厚度和结构。
3. 掺杂和制备：在外延片上进行掺杂和各种加工工序，如扩散、离子注入、光刻、腐蚀等，以形成所需的器件结构和特性。
4. 测试和分选：对制备好的外延片进行各种测试和分选，包括电性能、光学性能、结构特性等，以确保产品符合规定的标准。
5. 制备器件：根据外延片的特性和要求，进行器件的制备和封装，最终得到可用于各种电子产品的半导体器件。
外延片工艺流程的精细度和复杂性决定了半导体器件的性能和稳定性，因此在半导体制造中具有非常重要的地位。
随着半导体技术的不断发展和进步，外延片工艺流程也在不断改进和创新，以适应新型器件的制备需求和性能要求。
双层外延工艺流程
双层外延工艺流程双层外延工艺流程通常分为以下几个步骤：准备衬底、表面处理、第一层外延、表面清洁、第二层外延、退火和后处理。
下面将逐一介绍这些步骤的具体内容。
第一步是准备衬底。
在双层外延工艺中，通常使用硅衬底。
硅衬底需要进行表面处理，以确保外延层的质量和稳定性。
表面处理包括去除氧化层、清洗和抛光等步骤。
第二步是表面处理。
在表面处理过程中，需要对硅衬底进行化学清洗，以去除表面的杂质和氧化物。
化学清洗的目的是提高外延层和衬底的附着性和稳定性，从而确保器件的性能和稳定性。
第三步是第一层外延。
在第一层外延过程中，外延层的材料被沉积在准备好的衬底上。
外延层的材料可以是硒化镉等半导体材料，用于制造LED等器件。
外延层的厚度和结构可以根据需要进行调整。
第四步是表面清洁。
在第一层外延完成后，需要对外延层进行表面清洁，以去除可能存在的污染物和杂质。
表面清洁可以采用化学溶液浸泡或超声波清洗等方法。
第五步是第二层外延。
在第一层外延完成后，可以进行第二层外延。
第二层外延的材料和结构可以与第一层外延不同，以实现双层结构或功能。
第二层外延也需要保证外延层的质量和稳定性。
第六步是退火。
在双层外延工艺中，通常需要进行退火处理，以提高外延层的结晶度和电学性能。
退火可以通过加热和保温等方法进行，具体参数和时间需要根据外延层的材料和厚度来确定。
第七步是后处理。
在双层外延完成后，需要进行后处理工艺，以确保器件的性能和稳定性。
后处理包括切割、封装和测试等步骤，以实现器件的最终性能要求。
总的来说，双层外延工艺是一项复杂而重要的工艺，可以实现更复杂的器件结构和功能。
通过以上步骤的处理，可以获得高质量和稳定性的双层外延器件，为半导体器件制造提供了强有力的支持。
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1.外延片指的是在衬底上生长出的半导体薄膜,薄膜主要由P型，量子阱，N型三个部分构成。
现在主流的外延材料是氮化镓(GaN),衬底材料主要有蓝宝石，硅，碳化硅三种，量子阱一般为5个，通常用的生产工艺为金属有机物气相外延(MOCVD)。
这是LED产业的核心部分，需要较高的技术以及较大的资金投入(一台MOCVD一般要好几千万)。
2.外延片的检测一般分为两大类:一是光学性能检测，主要参数包括工作电压，光强，波长范围，半峰宽，色温，显色指数等等，这些数据可以用积分球测试。
二是可靠性检测，主要参数包括光衰，漏电，反压，抗静电，I-V曲线等等，这些数据一般通过老化进行测试。
3.需要指出的是，并没有白光LED芯片，只有白光LED灯珠/管，即需要进行封装才能获得白光小LED灯，也叫灯珠，管子。
白光LED一般通过两种途径获得：一是通过配光，将红绿蓝三色芯片进行配比封装获得白光LED.二是通过荧光粉转换蓝光LED，从而获得白光LED.芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序（Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（Wafer Probe）、构装工序（Packaging）、测试工序（Initial Test and Final Test）等几个步骤。
其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段（Front End）工序，而构装工序、测试工序为后段（Back End）工序。
1、晶圆处理工序：本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及电子元件（如晶体管、电容、逻辑开关等），其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。
2、晶圆针测工序：经过上道工序后，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒，一般情况下，为便于测试，提高效率，同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品；但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。
在用针测（Probe）仪对每个晶粒检测其电气特性，并将不合格的晶粒标上记号后，将晶圆切开，分割成一颗颗单独的晶粒，再按其电气特性分类，装入不同的托盘中，不合格的晶粒则舍弃。
3、构装工序：就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部伸出的插脚连接，以作为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死。
其目的是用以保护晶粒避免受到机械刮伤或高温破坏。
到此才算制成了一块集成电路芯片（即我们在电脑里可以看到的那些黑色或褐色，两边或四边带有许多插脚或引线的矩形小块）。
4、测试工序：芯片制造的最后一道工序为测试，其又可分为一般测试和特殊测试，前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。
经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。
而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。
经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。
而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定作降级品或废品。
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 Vapor Deposition，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：1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
到目前为止，MOCVD是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比。
国际上MOCVD设备制造商主要有三家：德国的AIXTRON公司、美国的EMCORE公司（Veeco）、英国的Thomas Swan 公司（目前Thomas Swan公司被AIXTRON公司收购），这三家公司产品的主要区别在于反应室。
这些公司生产MOCVD设备都有较长的历史，但对氮化镓基材料而言，由于材料本身研究时间不长，对材料生长的一些物理化学过程还有待认识，因此目前对适合氮化镓基材料的MOCVD设备还在完善和发展之中。
国际上这些设备商也只是1994年以后才开始生产适合氮化镓的MOCVD设备。
目前生产氮化镓中最大MOCVD设备一次生长24片（AIXTRON 公司产品）。
国际上对氮化镓研究得最成功的单位是日本日亚公司和丰田合成，恰恰这些公司不出售氮化镓生产的MOCVD设备。
日本酸素公司生产的氮化镓-MOCVD设备性能优良，但该公司的设备只在日本出售。
MOCVD设备的发展趋势：1.研制大型化的MOCVD设备。
为了满足大规模生产的要求，MOCVD设备更大型化。
目前一次生产24片2英寸外延片的设备已经有商品出售，以后将会生产更大规模的设备，不过这些设备一般只能生产中低档产品；2.研制有自己特色的专用MOCVD设备。
这些设备一般只能一次生产1片2英寸外延片，但其外延片质量很高。
目前高档产品主要由这些设备生产，不过这些设备一般不出售。
1）InGaAlP四元系InGaAlP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料，InGaAlP外延片制造的LED发光波段处在550～650nm之间，这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要前提。
AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，波长625nm 附近其外延片的内量子效率可达到100%，已接近极限。
目前MOCVD生长InGaAlP 外延片技术已相当成熟。
InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。
III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3与AsH3。
通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。
对于InGaAlP薄膜材料生长，所选用的III族元素流量通常为(1-5)×10-5克分子，V族元素的流量为（1-2）×10-3克分子。
为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和长晶温度的优化与匹配至关重要。
细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。
2）lGaInN氮化物半导体是制备白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技术，是白光LED 的核心技术，被称之为半导体照明的发动机。
因此，为了获得高质量的LED，降低位错等缺陷密度，提高晶体质量，是半导体照明技术开发的核心。
GaN外延片的主要生长方法：GaN外延片产业化方面广泛使用的两步生长法，工艺简述如下：由于GaN和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得晶体质量较好的GaN外延层，一般采用两步生长工艺。
首先在较低的温度下(500～600℃)生长一层很薄的GaN和AIN作为缓冲层，再将温度调整到较高值生长GaN外延层。
Akasaki首先以AIN作为缓冲层生长得到了高质量的GaN晶体。
AlN能与GaN较好匹配，而和蓝宝石衬底匹配不好，但由于它很薄，低温沉积的无定型性质，会在高温生长GaN外延层时成为结晶体。
随后Nakamura发现以GaN为缓冲层可以得到更高质量的GaN晶体。
LED外延片技术发展趋势及LED外延片工艺从LED工作原理可知，外延片材料是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片材料。
外延片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 Vapor Deposition，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。
下面是关于LED 未来外延片技术的一些发展趋势。
1.改进两步法生长工艺目前商业化生产采用的是两步生长工艺，但一次可装入衬底数有限，6片机比较成熟，20片左右的机台还在成熟中，片数较多后导致外延片均匀性不够。
发展趋势是两个方向：一是开发可一次在反应室中装入更多个衬底外延片生长，更加适合于规模化生产的技术，以降低成本；另外一个方向是高度自动化的可重复性的单片设备。
2.氢化物汽相外延片(HVPE)技术采用这种技术可以快速生长出低位元错密度的厚膜，可以用做采用其他方法进行同质外延片生长的衬底。
并且和衬底分离的GaN薄膜有可能成为体单晶GaN芯片的替代品。
HVPE的缺点是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，影响GaN材料纯度的进一步提高。
3.选择性外延片生长或侧向外延片生长技术采用这种技术可以进一步减少位元错密度，改善GaN外延片层的晶体品质。
首先在合适的衬底上(蓝宝石或碳化硅)沉积一层GaN，再在其上沉积一层多晶态的SiO掩膜层，然后利用光刻和刻蚀技术，形成GaN视窗和掩膜层条。