第六章 外延技术
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第六章外延生长
3、超饱和度（supersaturation）模型 超饱和度（supersaturation）
(1) 超饱和度的定义： 超饱和度的定义：
当超饱和度为正 当超饱和度为正时，系统为超饱和，—— 外延生长； 外延生长； 系统为超饱和， 当超饱和度为负 当超饱和度为负时，系统不饱和， 系统不饱和， —— 刻蚀过程。 刻蚀过程。
d. 其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延等等 其他：RTCVD外延 UHVCVD外延 外延、 外延、
3、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构（组分）、厚度、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构 组分）、厚度、 晶体结构（ ）、厚度
杂质种类及掺杂分布
(1) 双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾 双极工艺：器件隔离、 (2) CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应 CMOS工艺 减小闩锁（Latch-up） 工艺： (3) GaAs工艺：形成特定的器件结构层 GaAs工艺 形成特定的器件结构层 工艺： (4) 其他：制作发光二极管、量子效应器件等 其他：制作发光二极管 量子效应器件等 发光二极管、
超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气 超饱和度模型未能预测， 相质量输运限制的。 质量输运限制的
c. 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（
有关）。 有关）。
4、薄膜生长的三种模式： 薄膜生长的三种模式：
(1) 逐层生长（ 逐层生长（Layer Growth） 理想的外延生长模式 Growth）
该临界尺寸可写为： 该临界尺寸可写为：
其中，U 是表面的界面自由能，V 是原子体 其中， 是表面的界面自由能， 积， σ0 是反应剂的分气压与平衡气压的比 值（称为饱和度）。 称为饱和度 饱和度）。
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
外延技术
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
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
第六章 外延技术
合肥工业大学 理学院 张彦
外延中的晶格匹配和形变层外延
合肥工业大Leabharlann 理学院 张彦外延的分类1、按工艺： →气相外延工艺（VPE）——易于控制掺杂浓度，并 获得完美的晶体结构。 →液相外延工艺（LPE）——衬底在液相中，液相中析 出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面上的过程。 一般用于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体异质结的生长。 →固相外延工艺（SPE）——通过熔融薄硅层的再结 晶获得单晶硅（激光再结晶、电子束再结晶和区熔 再结晶） →分子束外延（Molecular Beam Epitaxy） →其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延。
合肥工业大学 理学院 张彦
按电阻率高低：正外延——在低阻衬底材料上生 长高阻外延层（器件作在外延层上）；反外延 （高阻衬底上外延低阻层（器件作在衬底上） 按导电类型：N型外延；P型外延 按厚度：薄层外延（外延层厚0.5~3um) 中厚层外延（3~10um) 厚层外延（10~20um）及甚厚层外延（厚度>20um） 按外延层结构： ——普通外延：在衬底整个表面生长外延层 ——选择外延：在衬底的选择区上外延 ——多层外延：p/n/n+，n/p/p+等，交替生长不 同的外延层可制作超晶格结构。
本章内容
第六章 外延技术
绪论 硅气相外延原理与系统 外延层的掺杂 分子束外延和SOS外延 外延层中的缺陷和检测 小结
合肥工业大学 理学院 张彦
1. 概述
共度生长
赝晶生长
不共度生长
外延工艺定义：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向 延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底 称为外延片。 外延技术具有生长的晶体结构良好、掺入的杂质 浓度易控制、可形成突变P-N结等特点。 两种外延行为： ※同质外延——外延层沉积原子的排列结构及组 分与衬底完全相同（同材料）。如：Si-Si， GaAs-GaAs ※异质外延：在一种材料上生长另一种晶体。如 Si-GeSi，Sapphire(蓝宝石)-Si等。
外延中的晶格匹配和形变层外延
合肥工业大Leabharlann 理学院 张彦外延的分类1、按工艺： →气相外延工艺（VPE）——易于控制掺杂浓度，并 获得完美的晶体结构。 →液相外延工艺（LPE）——衬底在液相中，液相中析 出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面上的过程。 一般用于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体异质结的生长。 →固相外延工艺（SPE）——通过熔融薄硅层的再结 晶获得单晶硅（激光再结晶、电子束再结晶和区熔 再结晶） →分子束外延（Molecular Beam Epitaxy） →其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延。
合肥工业大学 理学院 张彦
按电阻率高低：正外延——在低阻衬底材料上生 长高阻外延层（器件作在外延层上）；反外延 （高阻衬底上外延低阻层（器件作在衬底上） 按导电类型：N型外延；P型外延 按厚度：薄层外延（外延层厚0.5~3um) 中厚层外延（3~10um) 厚层外延（10~20um）及甚厚层外延（厚度>20um） 按外延层结构： ——普通外延：在衬底整个表面生长外延层 ——选择外延：在衬底的选择区上外延 ——多层外延：p/n/n+，n/p/p+等，交替生长不 同的外延层可制作超晶格结构。
本章内容
第六章 外延技术
绪论 硅气相外延原理与系统 外延层的掺杂 分子束外延和SOS外延 外延层中的缺陷和检测 小结
合肥工业大学 理学院 张彦
1. 概述
共度生长
赝晶生长
不共度生长
外延工艺定义：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向 延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底 称为外延片。 外延技术具有生长的晶体结构良好、掺入的杂质 浓度易控制、可形成突变P-N结等特点。 两种外延行为： ※同质外延——外延层沉积原子的排列结构及组 分与衬底完全相同（同材料）。如：Si-Si， GaAs-GaAs ※异质外延：在一种材料上生长另一种晶体。如 Si-GeSi，Sapphire(蓝宝石)-Si等。
工学第六章薄膜工艺课件
约为10-3Torr，铝的密度2.7g/cm3，半径40cm，代入上式得：源自R d＝17.4埃 /min
作业
• 希望用一台单源蒸发台淀积Ga和Al的混合 物，如果淀积温度是1000℃，坩埚内的初 始混合物是1：1，两种成分黏滞系数都为1， 则蒸发初期膜的组成将是怎样？膜的组成 如何随时间变化？
1.4 物理淀积－溅射
简单平行板溅射系统腔体 晶片上形成薄膜。
离子入射到到晶片表面时，可能产生的结果
反射：入射离子能量很 低；
吸附：入射离子能量小 于10eV； 离子注入：入射离子能 量大于10KeV； 溅射：入射离子能量为 10 － 10KeV 。 一 部 分 离 子能量以热的形式释放； 一部分离子造成靶原子 溅射。
高真空
10-8 － 10-4 Torr 10-6 －10-2 Pa
超高真空 <10-8 Torr
<10-6 Pa
真空泵
1. 真空的产生要依靠真空泵。而在低真空和高真 空情形下，要分别使用不同的泵。
2. 低真空下一般使用机械泵，其抽真空过程可以 分为三个步骤：捕捉气体，压缩气体，排除气 体。比如：活塞泵，旋转叶片真空泵，罗茨泵 等。
• 溅射的物理机制：是利用等离子体中的离 子对靶材料进行轰击，靶材料原子或原子 团被发射出来，堆集在晶片衬底上形成薄 膜。
• 与蒸发工艺相比：台阶覆盖性好，容易制 备合金或复合材料薄膜。
靶－接负极
晶片－置于正极
进气－氩气（用于产生等离 子）
工作原理：高压产生等离子 体之后，正离子在电场作用 下向负极运动，轰击靶电极， 激发出来的二次电子向正极 运动，维持等离子体。而被 轰击出来的靶原子则堆集在
• 温度：实际上确定了蒸气压。温度越高，蒸气压 越大，淀积速率越快，但需要控制淀积速率不能 太大，否则会造成薄膜表面形貌变差。
外延技术知识
interface structure growth,
• Accurate control of flow rate, pressure and temperature can ensure
stability and repeatability.
Carrier gas
• “Inert” carrier gas constitutes about 90 % of the gas phase ⇒
Schematics of a MOCVD system
Carrier gas Material sources Gas handling system
In-situ diagnostics
NO electron beam probes!
•Reflectance •Ellipsometry •RAS
Hidrides and dopants
• Form: gases from high pressure cylinders • Mixed into the carrier gas line • Flow control: valve + mass flow controller (MFC)
Metalorganics
MOCVD, since it determines the concentration of source material in the reactor and the deposition rate. Too low a vapor pressure makes it difficult to transport the source into the deposition zone and to achieve reasonable growth rates. Too high a vapor pressure may raise safety concerns if the compound is toxic.
• Accurate control of flow rate, pressure and temperature can ensure
stability and repeatability.
Carrier gas
• “Inert” carrier gas constitutes about 90 % of the gas phase ⇒
Schematics of a MOCVD system
Carrier gas Material sources Gas handling system
In-situ diagnostics
NO electron beam probes!
•Reflectance •Ellipsometry •RAS
Hidrides and dopants
• Form: gases from high pressure cylinders • Mixed into the carrier gas line • Flow control: valve + mass flow controller (MFC)
Metalorganics
MOCVD, since it determines the concentration of source material in the reactor and the deposition rate. Too low a vapor pressure makes it difficult to transport the source into the deposition zone and to achieve reasonable growth rates. Too high a vapor pressure may raise safety concerns if the compound is toxic.
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
半导体外延技术基本原理
半导体外延技术：突破新时代的先驱半导体外延技术是指在一种晶体基底上通过生长的方法，制备出具有其他晶体结构和组分的薄膜。
它作为现代电子技术中的一个重要分支，极大地拓展了半导体材料的种类和应用领域，成为推动信息产业快速发展的关键支撑技术之一。
本文将从外延生长的基本原理、外延材料的种类及其特点、外延膜的表征方法等方面进行介绍。
一、外延生长的基本原理外延生长的基本原理是将原材料在晶体生长介质表面上沉积并由此形成新晶体的生长过程。
晶体生长方式有三种，即气相、液相及固相生长。
气相生长是将气体混合物通过催化剂作用，沉积在晶体基底上，形成一层新晶体。
液相生长是将置于基底上的生长介质在高温或压力下熔融，然后逐渐冷却，从而得到一片新的晶体。
固相生长是将硫酸铜等物质溶解在水溶液中，通过浸没样品逐渐形成靠近基底的新片晶体。
其中，气相生长被广泛应用在半导体外延技术中。
二、外延材料的种类及其特点不同外延材料的选用对外延生长膜的性质、品质及功效有着直接的影响。
外延材料可以分为硅、砷化镓、氮化镓等几类。
其中，硅的单晶在电子学器件中应用较广泛，它具有良好的稳定性、结构简单、制备工艺成熟等特点。
砷化镓和氮化镓则因其大的能隙、高速度、较小的噪声系数和较好的高电子迁移率而被广泛应用于微波等高频电子器件。
此外，氮化镓还因具有优越的光电特性，被广泛应用于LED、LD 等光电领域。
三、外延膜的表征方法外延生长的薄膜在应用过程中需要对其各种性能进行表征。
常用的表征方法有XRD衍射技术、AFM原子力显微成像技术、SEM扫描电镜技术、SIMS静电质谱技术等。
其中，XRD衍射技术可以清晰地表征薄膜的颗粒尺寸、结晶度、拓扑结构等信息；AFM原子力显微成像技术则可以清晰地观察薄膜表面形貌，确定其光学和机械性能；SEM扫描电镜技术则可以对薄膜的表面形貌、粗糙度、微观孔洞、表面缺陷等进行表征。
总之，半导体外延技术具有重要的发展意义和应用价值，通过对其基本原理、外延材料的种类及其特点、外延膜的表征方法等方面进行深入了解，有助于更好地推动半导体外延技术的发展。
第六章CVD技术介绍
第三节 化学气相沉积的装置
气源控制部分 沉积反应室 沉积温控部件 真空系统 压力控制系统 其他（增强或激活设备）
半导体超纯多晶硅的沉积生产装置
常压单晶外延和多晶薄膜沉积装置
等离子体增强CVD装置
控制面板
O2
MFC
O2
Cooling Water
Microwav e
微波
发生 器
ECR
第六章 CVD技术简介
第一节 化学气相沉积技术的发展历史
化学气相沉积是利用气态或蒸汽态的物质在气相或气 固界面上反应生成固态沉积物的技术．
化学气相沉积原意为化学蒸汽沉积(Chemical Vapor Deposition, For Short CVD)
２０世纪６０年代该项技术的另一名称为蒸汽镀 根据沉积过程分为PVD和CVD PVD包括：真空蒸发、溅射、离子镀 直接依靠气体反应或等离子体放电增强气体反应的称
为CVD或PCVD or PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)
20世纪50年代注重于刀具涂层的应用。
20世纪60~70年代注重于半导体和集成 电路技术发展和生产需求，CVD技术成 为超纯硅原料的唯一生产方法和Ⅲ~Ⅴ族 半导体、Ⅱ~Ⅵ族半导体单晶外延的基本 生产方法。
CVD技术的要求
反应原料是气态或易于挥发成蒸汽的液 态或固态物质
反应易于生成所需要的沉积物而其它副 产物保留在气相中排出或易分离
整个操作较易于控制
化学气相沉淀的反应类型
简单热分解和热分解反应沉积 氧化还原反应沉积 合成反应沉积 化学输运反应沉积 等离子体增强的反应沉积 其他能源（激光）增强的反应沉积
20世纪80年代低压CVD金刚石薄膜
半导体材料第讲外延
CVD具有生长速度快、成膜均匀 、适用范围广等优点，是半导体 外延生长中常用的方法之一。
物理气相沉积（PVD）原理
物理气相沉积是一种利用物理过程将气态物质转化为固态薄膜的过程。 在半导体外延生长中，PVD通过控制物理过程，如真空蒸发、溅射等， 使所需的半导体材料在已有的衬底上生长。
PVD生长过程中，通常将衬底置于真空腔室内，通过加热或使用高能粒 子束将源材料蒸发或溅射成原子或分子状态，然后在衬底表面沉积形成
绿色化
发展环保型外延生长技术和低能耗设 备，降低外延材料制备过程中的环境 污染和能源消耗。
THANKS
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通信领域
外延生长技术在通信领域中主要 用于制造高速光电子器件、激光 器、探测器等，如光纤通信中的
光放大器、光调制器等。
电力电子领域
外延生长技术在电力电子领域中主 要用于制造高效能功率器件，如电 力电子系统中的开关管、整流器等 。
传感器领域
外延生长技术在传感器领域中主要 用于制造高灵敏度、高精度传感器 ，如气体传感器、湿度传感器等。
02
外延生长的基本原理
化学气相沉积（CVD）原理
化学气相沉积是一种利用化学反 应将气态物质转化为固态薄膜的 过程。在半导体外延生长中， CVD通过控制化学反应的条件， 如温度、压力、气体流量等，使 所需的半导体材料在已有的衬底 上生长。
CVD生长过程中，通常将含有构 成薄膜元素的反应气体引入反应 腔室，在高温和低压条件下，反 应气体在衬底表面发生化学反应 ，形成固态薄膜。
纳米结构外延
利用纳米结构作为模板或种子， 在外延生长过程中控制晶体取向 和形貌，以提高外延材料的特殊
性能和应用价值。
外延生长技术的发展趋势
《外延及CVD工艺》课件
结构设计和功能化改性，进一步拓展染料敏化太阳能电池的应用领域。
01
外延及CVD工艺 在LED中的应用
外延及CVD工艺在GaN基LED中的应用
总结词
广泛使用、技术成熟
详细描述
GaN基LED是当前应用最广泛的LED类型之一，外延及CVD工艺在GaN基LED中 得到了广泛的应用。通过精确控制外延层的生长条件，可以获得高质量的GaN基 材料，进而提高LED的光效和可靠性。
总结词
高温工作、高频率
详细描述
SiC基LED具有高温工作、高频率等优点，被应用于高温、高频和高功率电子器件领域。外延及CVD工艺在SiC基 LED中同样占据重要地位，通过优化生长条件可以获得高质量的SiC材料，提高LED的稳定性和可靠性。
01
外延及CVD工艺 的发展前景与挑战
外延及CVD工艺的发展前景
光学镀膜
用于制造光学镜头、眼 镜片、太阳能集热管等
。
陶瓷材料
用于制造陶瓷轴承、密 封件、热敏电阻等。
金属表面处理
用于提高金属表面的耐 磨性、耐腐蚀性和抗疲
劳性能等。
01
外延及CVD工艺 在太阳能电池中的
应用
外延及CVD工艺在硅基太阳能电池中的应用
总结词
硅基太阳能电池是当前光伏市场的主流产品，外延及CVD工艺在硅基太阳能电池制造中起到关键作用 。
详细描述
外延及CVD工艺在硅基太阳能电池制造中主要用于形成高质量的硅薄膜，控制薄膜的晶体结构和缺陷 密度，提高电池的光电转换效率。通过精确控制反应气体流量、温度、压力等参数，可以获得具有优 良性能的硅薄膜，进一步优化太阳能电池的性能。
外延及CVD工艺在薄膜太阳能电池中的应用
总结词
薄膜太阳能电池是下一代太阳能电池的 重要发展方向，外延及CVD工艺在薄膜 太阳能电池制备中具有广阔的应用前景 。
01
外延及CVD工艺 在LED中的应用
外延及CVD工艺在GaN基LED中的应用
总结词
广泛使用、技术成熟
详细描述
GaN基LED是当前应用最广泛的LED类型之一，外延及CVD工艺在GaN基LED中 得到了广泛的应用。通过精确控制外延层的生长条件，可以获得高质量的GaN基 材料，进而提高LED的光效和可靠性。
总结词
高温工作、高频率
详细描述
SiC基LED具有高温工作、高频率等优点，被应用于高温、高频和高功率电子器件领域。外延及CVD工艺在SiC基 LED中同样占据重要地位，通过优化生长条件可以获得高质量的SiC材料，提高LED的稳定性和可靠性。
01
外延及CVD工艺 的发展前景与挑战
外延及CVD工艺的发展前景
光学镀膜
用于制造光学镜头、眼 镜片、太阳能集热管等
。
陶瓷材料
用于制造陶瓷轴承、密 封件、热敏电阻等。
金属表面处理
用于提高金属表面的耐 磨性、耐腐蚀性和抗疲
劳性能等。
01
外延及CVD工艺 在太阳能电池中的
应用
外延及CVD工艺在硅基太阳能电池中的应用
总结词
硅基太阳能电池是当前光伏市场的主流产品，外延及CVD工艺在硅基太阳能电池制造中起到关键作用 。
详细描述
外延及CVD工艺在硅基太阳能电池制造中主要用于形成高质量的硅薄膜，控制薄膜的晶体结构和缺陷 密度，提高电池的光电转换效率。通过精确控制反应气体流量、温度、压力等参数，可以获得具有优 良性能的硅薄膜，进一步优化太阳能电池的性能。
外延及CVD工艺在薄膜太阳能电池中的应用
总结词
薄膜太阳能电池是下一代太阳能电池的 重要发展方向，外延及CVD工艺在薄膜 太阳能电池制备中具有广阔的应用前景 。
集成电路制造技术--外延 ppt课件
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。
ppt课件
7
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3.1.3 外延工艺用途
在外延层上制造晶体管可以解决集电 结的耐压和集电极串连电阻对衬底掺杂浓 度的相互矛盾。
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。
ppt课件
2
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3.1.2 外延工艺种类
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)。
得到广泛应用。
新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
ppt课件
13
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3.2.1 硅的气相外延工艺
卧式气相外延设备示意图
ppt课件
14
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工艺步骤及流程
两个步骤： 准备阶段：准备硅基片和进行基座去硅处理； 硅的外延生长
基座去硅的工艺流程： N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850℃→升温至 1170℃→HCl排空→HCl腐蚀→H2冲洗→降温 →N2冲洗
ppt课件
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外延工艺常用的硅源
四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研 究最多的硅源--------主要应用于传统外延工艺
三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度有 所降低------常规外延生长
二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ----更低温度，选择外延 硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，
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。
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3.1.3 外延工艺用途
在外延层上制造晶体管可以解决集电 结的耐压和集电极串连电阻对衬底掺杂浓 度的相互矛盾。
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。
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3.1.2 外延工艺种类
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)。
得到广泛应用。
新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
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3.2.1 硅的气相外延工艺
卧式气相外延设备示意图
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工艺步骤及流程
两个步骤： 准备阶段：准备硅基片和进行基座去硅处理； 硅的外延生长
基座去硅的工艺流程： N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850℃→升温至 1170℃→HCl排空→HCl腐蚀→H2冲洗→降温 →N2冲洗
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外延工艺常用的硅源
四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研 究最多的硅源--------主要应用于传统外延工艺
三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度有 所降低------常规外延生长
二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ----更低温度，选择外延 硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，
半导体材料第6讲-外延
外延层应满足的要求
• (4)对于异质外延，外延层与衬底的组分间应突变(要求组 分缓变的例外)并尽量降低外延层和衬底间组分互扩散。 • (5)掺杂浓度控制严格，分布均匀，使得外延层有符合要 求而均匀的电阻率。不仅要求一片外延片内，而且要求同 一炉内，不同炉次生长的外延片的电阻率的一致性好。 • (6) 外延层的厚度应符合要求，均匀性和重复性好。
• (7)有埋层的衬底上外延生长后，埋层图形畸变很小。
• (8)外延片直径尽可能大，利于器件批量生产，降低成本。 • (9)对于化合物半导体外延层和异质结外延热稳定性要好。
5—2 硅的气相外延生长
• 气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源 与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在 硅衬底上长成外延层。 • 通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3 和SiCL4。 • SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高， 但生长速度快，易提纯，使用安全，所以它们 是较通用的硅源。早期多使用SiCl4，近来使用 SiHCl3和SiH2Cl2逐渐增多。
• 利用外延片制作半导体器件，特别是化合物半导体器 件绝大多数是制作在外延层上，因此外延层的质量直 接影响器件的成品率和性能。一般来说外延层应满足 下列要求： • (1)表面应平整，光亮，没有亮点，麻坑，雾渍和 滑移线等表面缺陷。 • (2)晶体完整性好，位错和层错密度低。对于硅外 延来说，位错密度应低于1000个／cm2，层错密度应 低于10个／cm2，同时经铬酸腐蚀液腐蚀后表面仍然 光亮。 • (3)外延层的本底杂质浓度要低，补偿少。要求原 料纯度高，系统密封性好，环境清洁，操作严格，避 免外来杂质掺入外延层。
ห้องสมุดไป่ตู้ Epsilon Series Single-Wafer Epitaxial Reactors
外延技术a
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。
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。
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：
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
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。
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。
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：
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
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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
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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。
矩形腔的均匀 性较圆形腔好。
合肥工业大学 理学院 张彦
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外延工艺与设备
硅外延加工工艺过程
预清洗：H2H2/HCl混合气氛或真空中去除自然氧 化层 外延生长：SiH2Cl2+H2
气体入口
硅气相外延炉 最普通的外延反应是高温CVD系统。 淀积温度为：1050～1250℃
气体入口
冷却取片：惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度
RF 加热
RF加热
排气 排气 卧式反应炉 立式反应炉 排气 桶式反应炉
SiCl 4 + H 2 ↔ SiCl 2 + 2 HCl
SiHCl 3 ↔ SiCl 2 + HCl
SiHCl3 + H 2 ↔ SiH 2 Cl 2 + HCl
硅烷热分解：SiH4 →Si+2H2（>600℃） 不存在对衬底的反向腐蚀，对反应室也无腐 蚀作用。界面两边杂质浓度更接近突变型分布。
SiH 2 Cl 2 ↔ SiCl 2 + H 2
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外延生长速率及影响因素
生产中，外延生长速率与诸多因素有关。主要影 响因素有：温度、反应剂浓度、气体流速以及反 应腔界面形状和衬底取向。 生长速率过快可能造成多晶生长、外延表面出现 星点锥体、外延层中有过多的堆垛层错等问题。 1.温度 →在B区（高温区）：生长速率和温度的关系不 敏感，由气相质量输运机制控制，和反应剂分压 成正比 →在A区（低温区）：表面反应较慢，生长速率 由表面化学反应控制，生长速率强烈依赖于生长 温度。
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表.外延工艺顺序 步骤时间 (分钟) 1. 把干净的硅片装入反应室 2－4 2. 吹入惰性气体并充入氢气(如使用低压外延工艺也需要抽真空） 3－5 3. 加热到氢气烘烤温度(1200°C)以去除氧化层 (注意：该步骤能去除50－100Å的SiO2层) 10－12 4. a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6)以刻蚀表面 的硅层；c)吹气以去除系统中的掺杂剂和HCl 5－7 5. a)冷却到淀积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以淀积所要的 薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂剂 10－12 6. 冷却到室温 10－12 7. 吹走氢气并重新充入氮气 3－5 8. 取出硅片 2－4 总工艺时间 总加热时间 45 25
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几种不同硅源 的生长速率和 温度的关系图
实际外延生产 温度：高温区 原因：此时，温度的微小波动不会引起生长速率的显著变 化，对温度控制要求不高，并且较高温度使淀积在衬底表 面上的硅原子具有足够的能量和迁移能力
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反应剂浓度对生长速率的影响
>1000° c SiCl 4 + 2 H 2 ← → Si + 4 HCl
扭转位置
上平台
硅气相外延生长过程示意
合肥工业大学 理学院 张彦
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薄膜生长时常见 的三种主要模式
硅气相外延反应气体源
反应气体源：四氯化硅（SiCl4）、三氯硅烷 （SiHCl3）、二氯硅烷(SiH2Cl2)、硅烷（SiH4）
（1）逐层生长
（2）晶岛式生长
SiCl4：用于传统外延工艺，需要很高的温度(>1150℃)； SiHCl3 ：称为TCS，和SiCl4有些相似，可以在较低温度 下进行外延，生长速率可达1微米/分钟，用于厚的外延层 SiH2Cl2 ：称为DCS，用于更低温度下生长高质量薄外延 层，目前外延常用的材料，缺陷密度低于SiCl4和SiH4 SiH4用于低于900的生长很薄的外延层。
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在VPE反应腔内生长1 微米厚度硅外延层的典 型温度/时间过程
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硅外延前的清洗工艺
目的：去处表面氧化层、杂质（有机物、无机物 金属离子等）和颗粒 化学清洗工艺：高纯度化学溶液清洗－高纯度去 离子水冲洗－高纯度N2甩干 一号液：NH4OH(28%):H2O2(30%):H2O=1:1:5 SC-1的主要作用是去除微颗粒，利用NH4OH的 弱碱性来活化硅的表面层，将附着其上的微颗粒 去除
气体流速越大，边界层越薄，则在相同时间内转移到单 位衬底表面上的反应剂数量越多； 气体流速越大，外延层生长速率越快（氢还原法的外延 温度在1200度左右，到达衬底表面的反应剂会立刻发生 反应生成外延层）； 当流速到一定程度时，生长速率不随气体流量增加而加 快（因为这时，边界层很薄，到达表面的反应剂超过该 外延温度下的表面反应 所需，这时生长速率由化 学反应速率决定）
本章内容
第六章 外延技术
绪论 硅气相外延原理与系统 外延层的掺杂 分子束外延和SOS外延 外延层中的缺陷和检测 小结
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1. 概述
共度生长
赝晶生长
不共度生长
外延工艺定义：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向 延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底 称为外延片。 外延技术具有生长的晶体结构良好、掺入的杂质 浓度易控制、可形成突变P-N结等特点。 两种外延行为： ※同质外延——外延层沉积原子的排列结构及组 分与衬底完全相同（同材料）。如：Si-Si， GaAs-GaAs ※异质外延：在一种材料上生长另一种晶体。如 Si-GeSi，Sapphire(蓝宝石)-Si等。
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外延中的晶格匹配和形变层外延
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外延的分类
1、按工艺： →气相外延工艺（VPE）——易于控制掺杂浓度，并 获得完美的晶体结构。 →液相外延工艺（LPE）——衬底在液相中，液相中析 出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面上的过程。 一般用于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体异质结的生长。 →固相外延工艺（SPE）——通过熔融薄硅层的再结 晶获得单晶硅（激光再结晶、电子束再结晶和区熔 再结晶） →分子束外延（Molecular Beam Epitaxy） →其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延。
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外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构（组分）、 厚度、杂质种类及掺杂分布。 ※双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压 与串联电阻的矛盾 ※CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应 ※GaAs工艺：形成特定的器件结构层 ※其他：制作发光二极管、量子效应器件等。
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按反应室形式： 卧式：产量大，设备结构简单；生成外延层的厚 度和电阻率的均匀性较差，外延生长时易出现滑 移位错及片子弯曲。 立式：维护容易，外延层厚度和电阻率的均匀性 及自掺杂效应得到较好的控制。但设备大型化， 制造难度大。 桶式：卧式的改进。 按外延温度：高温（1000℃以上）、低温 （1000℃以下）和变温外延（先在约950度低温 下成核，然后约1200度高温下生长） 按反应压力：常压外延（100KPa）和低压（减压） 外延（低于常压，5~20Kpa）
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③ ④ ⑤ ⑥
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晶面上生长过程：
Si Cl Cl
H H
Cl
H
H
副产物
化学反应 淀积的硅 Si Si 多晶硅衬底 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 外延层
Cl
反应剂被表面吸附， C A 吸附原子A 生成硅和副产物 生成的硅按照衬底晶向生长 B ¾ 如果A原子具有比较 高的能量，将沿表面迁移 下平台 如果A迁移到台阶的位置， 近晶面外延生长示意图 很容易保持在B位置 ¾ C位置为扭转位置，最稳定位置 薄膜生长靠晶体表面台阶的横向运动进行的 晶体表面杂质阻碍生长 晶面构造特征：平台、扭转、台阶
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