微电子工艺(3)----第三章外延
微电子工艺(3)外延
而外延生长速率正相反。
外延速率的影响因素（三）
反应剂浓度对生长 速率的影响
SiCl4摩尔浓度 大于0.27出现 腐蚀现象
SiCl4浓度与生长速率的关系
速率、温度对结晶类型的影响
-1
3.2.4 外延层中的杂质分布
掺杂采用原位气相掺杂。 杂质掺入效率依赖于：生长 温度、生长速率、气流中掺 杂剂相对于硅源的摩尔数、 反应室几何形状，掺杂剂自 身特性。 有杂质再分布现象
3.2.5 设备
立式和桶式外延装置示意图
气相外延设备
3.2.6 外延方法
低压外延 选择外延 SOI技术
低压外延low-pressure epitaxy
目的：减小自掺杂效应 压力：1*103—2*104Pa 原因： 低压气体扩散速率快，衬底逸出杂质可快速穿过边界层 （滞留层），被排除反应室,重新进入外延层机会减小； 停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡区， 温度影响 压力降低，生长外延层温度下限也降低； 问题：易泄漏；基座与衬底间温差大；基座、反应室在减压 时放出吸附气体；外延生长温度低等-----外延层晶体完整性 受到一定影响
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
外延抑制自掺杂技术简介
毕业论文简介外延抑制自掺杂技术研究应用物理2班 08510233 伏瑜指导老师：王青 ( 教授) 杜金生 (工程师)摘要外延层杂质浓度是影响电学性能的重要参数，外延掺杂存在有意识掺杂和无意识掺杂（即自掺杂），自掺杂影响外延生长。
自掺杂降低了衬底/外延界面过渡区的陡峭程度，同时也增加了外延淀积过程中的本底浓度。
不但对外延层的电阻率控制带来相当大的困难，使外延层界面处杂质分布梯度变缓，外延层有效厚度减薄，PN结击穿电压的显著降低，晶体管的大电流特性变坏，特别不利于要求薄而界面处杂质分布陡的外延层的微波器件的制造。
而且一些有害杂质的存在，还会使噪声增加等。
本文对外延淀积过程中自掺杂的产生进行了分析，提出了在外延淀积过程中可以通过改变压力、温度、及采用HCl腐蚀抛光技术、背封技术、H2烘烤赶气技术、二步外延技术等方法来解决外延自掺杂，从而改善器件的特性参数。
关键词：外延淀积自掺杂AbstractThe impurity concentration is a key parameter which has an effect on the electrical performance of the device in the epitaxy, the doping of epitaxy exists conscious and unconscious doping (i.e, self-doping), the growth of epitaxy is influenced by self-doping. Since the self-doping reduced the steep degree of substrate and the epitaxy interface of transition region, also increased background concentration in the process of the extension. It makes the control of the epitaxy,s resistivity difficult, the epitaxy of the interface between layer impurities distribution gradient slow, the epitaxy of effective thickness thin, the breakdown voltage of PN junction significantly reduce, and the current characteristics of transistor change bad, especially to the disadvantage of manufacturing microwave devices ,which were required thin and the distribution of the impurities were steep in the interface. And the existence of some harmful impurities, still can make noise up, etc.This paper analised the generation of self-doping during the epitaxial deposition , some techniques such as altering press, temperature，HCl rot, back-seal, H2expel，and two-step epitaxy, are proposed to improve the electrical charateristics of the device by reducing self-doping effect during epitaxial deposition.Key words:Epitaxy; Deposition;Self-doping;第一章外延技术概述1、概念所谓外延就是在一定的条件下，在单晶衬底上，沿原来的结晶方向生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构、完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程。
微电子工艺概论1-5
1.硅作为电子材料的优点·原料充分，占地壳25%，沙子是硅在自然界中存在的主要形式；·硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要； ·密度只有2.33g/cm3，是锗/砷化镓的43.8%，用于航空、航天；·热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃ ，热导率高，1.50W/cm ·℃，芯片散热； ·单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好，目前16英寸；·机械性能良好，MEMS 。
2.硅晶体缺陷——点缺陷·本征缺陷（晶体中原子由于热运动） 空位 A ：晶格硅原子位置上出现空缺；自填隙原子B ：硅原子不在晶格位置上，而处在晶格位置之间。
·杂质（非本征缺陷：硅以外的其它原子进入硅晶体） 替位杂质C 填隙杂质D 注：·肖特基缺陷：空位缺陷； ·弗伦克尔（Frenkel ）缺陷：原子热运动脱离晶格位置进入晶格之间，形成的空穴和自填隙的组合；·填隙杂质在微电子工艺中是应尽量避免的，这些杂质破坏了晶格的完整性，引起点阵的 变，但对半导体晶体的电学性质影响不大； ·替位杂质通常是在微电子工艺中有意掺入的杂质。
例如，硅晶体中掺入Ⅲ、Ⅴ族替位杂质， 目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au 等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心， 缩短载流子寿命。
3.硅晶体缺陷——线缺陷·线缺陷最常见的就是位错。
位错附近，原子排列偏离了严格的周期性，相对位置发生了错 乱。
位错可看成由滑移形成，滑移后两部分晶体重新吻合。
在交界处形成位错。
用滑移矢量表征滑移量大小和方向。
·位错主要有刃位错和螺位错刃（形）位错：晶体中插入了一列原子或一个原子面，位错线AB与滑移矢量垂直； 螺（旋）位错：一族平行晶面变成单个晶面所组成的螺旋阶梯，位错线AD 与滑移矢量平kT E v v e N n /0-=νkTE i i i e N n /0-=1 23 BA 缺陷附近共价键被压缩1、拉长2、悬挂3，存在应力·刃形位错的两种运动方式：滑移和攀移。
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。
【2024版】微电子工艺之薄膜技术
二、外延掺杂及杂质再分布
3.杂质再分布
再分布：外延层中的杂质向衬底扩散；
衬底中的杂质向外延层扩散。
总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。
①衬底杂质的再分布（图3－21）
初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即
当vt» D1t 时，有
N1x,t
Nf 2
erfc
2
x D1t
二、外延掺杂及杂质再分布
当vt»2 D1t 时，有
N1(x,t)≈Nf
③总的杂质分布（图3－24）
N(x,t)=N1(x,t)± N2(x,t) “+”: 同一导电类型；
“－”:相反导电类型；
三、自掺杂（非故意掺杂）
1.定义
N 2 x
x 0
二、外延掺杂及杂质再分布
边Jd界条D件2 二Nx：2 在xx外f 延J层b 表J s面 （h2x=vxfN）2 ,扩x f 散,t 流密度Jd为
解得：
N2x,t
N sub 2
erfc
2
x D2 t
v h2 2h2
v
ex
p
D2
vt
x erfc
2vt x 2 D2t
①当hG» ks，则 NGS≈NG0，V= ks(NT/ NSi) Y，是表面反 应控制。
②当ks» hG，则 NGS ≈0， V= hG(NT/ NSi) Y，是质量转 移控制。
二、外延掺杂及杂质再分布
1. 掺杂原理－以SiH4-H2-PH3为例
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。
微电子器件(3-3)
均匀基区相关知识点I pEI pCI prI nEI nr相关公式β∗W B2 τb =1− =1− 2 2 LB τBD EW B N B WBρE γ = 1− D W N = 1− W ρ B E E E B⎛ W B2 α =⎜ ⎜1 − 2 L2 B ⎝2 B 2 BR口E = 1− R口B1⎞⎛ R口E ⎞ W B2 R口E ⎟ ⎟⎜ ⎟ ≈ 1 − 2 L2 − R ⎜1 − R ⎟ 口 B1 ⎠ B 口 B1 ⎠⎝⎛W R口E ⎜ β ≈⎜ + R口B1 ⎝ 2L⎞ ⎟ ⎟ ⎠−1§3-3 缓变基区晶体管的放大系数以NPN 管为例，结电压为 VBE 与 VBC 。
现代晶体管，如双扩散外延平面管 属缓变基区晶体管，由于载流子在 基区主要是以漂移运动在传输，故 它又称为 漂移晶体管。
N+0PN杂质浓度分布图：x jE x jCWB = x jC − x jEN E ( x) N B ( x)NC0x jE x jCx1、基区内建电场的形成与求解 形成的物理机理(以P型基区的Xmb-Xjc段为例)xjE 和xjC为发射结 和集电结结深， xmB为杂质补偿后 基区净杂质浓度 的极值位置杂质浓度高的地方留下不 可移动的电离杂质电荷 （NA-)，杂质浓度低的地 方积累多子（空穴）杂质（NA) 浓度梯度杂质电离多子（空 穴） 浓度梯度多子（空 穴） 扩散正负电荷 分离内建电场内建电场的作用 漂移晶体管电场方向：指向发射结 加速场 电场作用： 基区的少子（电子） 向集电结方向漂移运 动，对少子有加速作用 向发射结方向漂移运动， 抵消多子扩散运动 多子电流等于零基区的多子（空穴）xjE到xmB段，将产生一个与EB方向相反的自建电场EB’，它将阻止 基区中少子（电子）流向集电结，称阻滞电场，该部分基区称阻 滞区。
一般情况下，相对与整个基区而言，阻滞区很窄，一般可以忽略。
请从以下几方面总结半导体器件中的内建电场① 掺杂不均匀产生的内建电场 ~ 产生机理？ 对多数载流子运动的影响？ 对少数载流子运动的影响？ ② 大注入产生的内建电场 ~ 产生机理？ 对多数载流子运动的影响？ 对少数载流子运动的影响 ？ ③ p-n结中的内建电场 ~ 产生机理？ 势垒区（阻挡层）→阻挡多数载流子还是阻挡少数载流子？ 耗尽层近似？→ 耗尽什么种类的载流子？三个内建电场形成机理的比较内建电场种类形成原因 P区与N区刚接触 时冶金结两边存 在自由载流子浓 度差 大注入时中性区 多子具有浓度梯 度分布电荷分离的表现形式 冶金结两边自由载流子扩散，留下不 可移动的电离施主和受主杂质电荷在 空间上分离 多子与少子同时扩散，但由于多子扩 散得不到补充，最终使得靠近耗尽区 少子浓度高于多子浓度，远离耗尽区 边界少子浓度低于多子浓度，最终多 子与少子电荷在空间上分离 多子浓度扩散，使得靠近发射结耗尽 区的电离杂质电荷高于多子，靠近集 电结耗尽区的电离杂质电荷低于多 子，造成电离杂质电荷与多子电荷在 空间上分离作用 载流子的扩散运 动等于漂移运动PN结空间电 荷区内建电 场 大注入PN结 中性区中的 内建电场 （自建场） 缓变基区BJT 中基区内建 电场多子的扩散运动 与漂移运动抵 消，加强少子扩 散运动 多子的扩散运动与 漂移运动抵消，少 子在基区以漂移运 动为主掺杂原子具有浓 度梯度，多子具 有相同的浓度梯 度分布基区内建电场表达式的推导 设基区杂质浓度分布为：NB (0)NB (x)⎛ ηx ⎞ N B ( x ) = N B ( 0 ) exp ⎜ ⎜− W ⎟ ⎟ B ⎠ ⎝ 式中 η 是表征基区内杂质变化程度的一个参数：NB (WB )0WBxN B (W B ) = N B ( 0 ) exp (− η )N B (0) η = ln N B (W B )当 η = 0 时为均匀基区。
集成电路工艺__热氧化薄膜技术
3.2 热生长二氧化硅薄膜
一般湿氧氧化是由携带气体通过水浴后，含有水 汽的氧气进入石英管对硅片进行氧化，而水汽 的多少由水浴的温度控制，同时水浴的质量也 将影响氧化层质量的好坏。 一种新的湿氧氧化方法，它是依靠高纯的氢气和 氧气在石英管中按比例混合燃烧成水，氢和氧 的比例为2:1 时为水汽氧化，小于这比例为湿 氧氧化，当氢气为零时，为干氧氧化。
7-9
5-6
3.2 热生长二氧化硅薄膜
二氧化硅层的主要用途 二氧化硅对杂质有掩蔽扩散作用，能实现选择性 定域扩散掺杂 器件表面的保护和电路的钝化膜 器件的电隔离（绝缘）作用 电容的介电材料 作MOS 管的绝缘栅材料 多层互连的层间绝缘介质 缓冲层/热氧化层
3.2 热生长二氧化硅薄膜
1.扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、 Si3N4层一起使用)阻挡层
a.最小击穿电场（非本征）－－针孔、裂缝、杂质。
b. 最大击穿电场（本征）－－厚度、导热、界面态电荷等；氧 化层越薄、氧化温度越高， 击穿电场越低。 c.介电常数3～4（3.9）
3.2 热生长二氧化硅薄膜
不同方法制备的SiO2薄膜的物理参数
氧化方法 密度（g/cm3） 折射率λ＝546nm 电阻率（Ωcm） 介电常数 介电强度 （108V/cm）
SiO2 +4HF SiF4 2H 2O SiF4 +2HF H 2SiF6
六氟化硅溶于水。利用这一性质作为掩蔽膜，微电子工艺中利用 HF光刻出IC 制造中的各种窗口。 SiO2的腐蚀速率与HF的浓度、温度、 SiO2的质量以及所含杂质 数量等因素有关。不同方法制备的SiO2 ，腐蚀速率可能相差很 大。
3.1 概述
二、用于制备薄膜的材料种类繁多，例如：
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
第三章 外延、内涵与意识形态
第三章外延、内涵与意识形态符号的本质在于意义，意义是符号的真谛。
符号学发展到今天尽管已经门类混杂，方法各异，但任何符号理论都少不了对符号意义的研究。
正如沙夫所言：“没有意义就没有符号”①。
任何符号，由于某些原有而不为人所理解的时候，都不过是一个诸如墨迹或者声音之类的物质对象而已。
艺术设计符号研究的就是研究使用、认知及社会语境下人为事物的象征品质，关注意义如何嵌入社会生活的网络。
Design的词源学意义de+sign即为制造“印记”来区分事物，给出意义，指定物与物、物与人、物与环境、物与社会的关系。
因此，设计在本质上与意义联结，深深植根于集体无意识下的神话原型，植根于文化的象征体系。
3.1 功能：艺术设计符号的外延意义3.1.1 符号系统与意义序列1946年罗兰·巴特发表了题为《物的语义学》的演讲，首次将物作为“能指”看待，它的“所指”除了功能性的“本义”外，还有它的“引申意义”。
罗兰·巴特将其称为不同序列的表意：第一序列是由能指和所指结合在一起的第一层意指系统（真实符码）构成第二层意指系统（术语系统）的所指，称之为外延系统，所表达的是外延意义（denotation）或“物”的本义（图3-4）；第二序列是有能指和所指结合在一起的第二层意指系统（真实符码）构成第三层意指系统（修辞系统）的能指，称之为内涵系统，所表达的是内涵意义（connotation）（图3-5）。
符号的意义(signification)则是外延的有机统一。
比如一台白色电话机的外延意义就是通信工具，但其外延还传达了女性或豪华的内涵意义，巴特称之为“意义剩余”。
物品的意义剩余存在于两个维度上:一是象征的坐标，属于物隐喻的深度，比如汽车象征速度、力量、自由、运动的家等神话学意涵；另一方面则是分类的坐标，乃是社会赋予的等级系统，比如奔驰、帕萨特、捷达等意义差异。
在这种符号学视角下，物如同语言，成为一种人类表意的符号体系。
外延基础知识PPT课件
•
杂质：替位式杂质（有效掺杂）
•
间隙式杂质
•
缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子
•
线缺陷：如位错
•
面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错
• 外延技术
•
LPE：液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常
用此生长方法）
•
MOCVD（也称MOVPE）：Metal Organic Chemical Vapour Deposition
MQW（多量子阱）中的Al(铝)的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层
的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度），可明显提高发光效率。
•
生长一层P型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，此层因Al组分很高，对载流子起
到限制的作用，可明显提高发光效率。
•
生长一层P型GaP层，此层为电流扩展层，扩展层越厚，电流扩展得越好，亮
子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能
量状态可用能带描述）
•
导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观
电流，这样的能带称为导带。
•
价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是
电子未填满的能带）
•
直接带隙：导带底和价带顶位于K空间同一位置。
•
间接带隙：导带底和价带顶位于K空间不同位置。
•
同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生
长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN）
•
异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长
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
微电子工艺(3)外延教材
3.1.3 外延工艺用途
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
n+埋层 n-Si外延层 SiO2 p+隔离墙
P-Si衬底
利用外延技术的 pn结隔离是早期 双极型集成电路 常采用的电隔离 方法。
pn结隔离示意图
P阱
n阱
将CMOS电路制作在外 延层上比制作在体硅抛 光片上有以下优点： ①避免了闩锁效应； ②避免了硅层中SiOx的 沉积； ③硅表面更光滑，损伤 最小。
外延层杂质浓度分布计算
假设1：外延层生长时外延剂中无杂质， 杂质来源于自掺杂效应
N E ( x) N S e x
假设2：衬底杂质无逸出（或认为衬底未 掺杂）
N E ( x) N E 0 (1 ex )
界面杂质叠加的数学表达式为
N E ( x) N S ex N E 0 (1 ex )
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， 得到广泛应用。 新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
x x 1 erf N E 0 1 erf 2 2 DS t 2 DE t
综合效果
杂质再分布综合效果示意图
减小杂质再分布效应措施
降低外延温度，p-Si采用SiH2Cl2, SiHCl3；或 SiH4，但这对As的自掺杂是无效。 重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面和 侧面，减少杂质外逸。 低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显 著，对硼的作用不明显。 用离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。 可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜来避免 衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。
微电子工艺考题
一、名词解释1．水汽氧氧化：氧化（氧气）中携带一定量的水气，氧化特性介于干氧与湿氧之间。
2．恒定源扩散：在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度N s始终保持不变。
例如，基区、发射区的预淀积，箱法扩散。
3．扩散系数：描述粒子扩散快慢的物理量，是微观扩散的宏观描述。
4．外延：一种在单晶或多晶衬底上生长一层单晶或多晶薄膜的技术。
5．分辨率：光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸，用来表征光刻的精度。
二、简述问答题2.微电子器件对接触和互连有什么要求？获得良好欧姆接触的方法有哪几种？答：对接触和互连有的基本要求有：1）能形成良好的欧姆接触；2）互连材料具有低的电阻率和良好的稳定性；3）可被精细刻蚀；4）易淀积成膜；5）粘附性好；6）强的抗电迁移能力；7)便于键合。
获得良好欧姆接触的方法有：1）高掺杂欧姆接触；2）低势垒欧姆接触；3）高复合欧姆接触。
4.简述电子束曝光的特点答：1）优点：分辨率比光学曝光高；无需光刻板；曝光自动化，加工精度高；在真空中进行；可直接观察曝光的质量。
2)缺点：设备复杂，成本高；产量低；存在邻近效应。
5.X光衍射晶体定向的基本原理是什么？答：1）入射角λ应满足：nλ=2dsinθ；2）晶面密勒指数（hkl）应满足：h2+k2+l2=4n-1(n为奇数)，以与h2+k2+l2=4n(n为偶数)。
一、名词解释1.Moore定律：集成电路的集成度每3年增长4倍；特征尺寸每3年减小平方根2倍。
2. 分辨率:表征光刻精度，即光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。
3.结深：pn结的几何位置与扩散层表面的距离。
5.欧姆接触:当金属与半导体的接触电阻小到可忽略不计时，称为欧姆接触。
二、选择与填空题1．在温度相同的情况下，制备相同厚度的氧化层，分别用干氧，湿氧和水汽氧化，哪个需要的时间最长？（A）A.干氧B.湿氧C.水汽氧化2．二氧化硅膜能有效的对扩散杂质起掩蔽作用的基本条件有（B）①杂质在硅中的扩散系数大于在二氧化硅中的扩散系数②杂质在硅中的扩散系数小于在二氧化硅中的扩散系数③二氧化硅的厚度大于杂质在二氧化硅中的扩散深度④二氧化硅的厚度小于杂质在二氧化硅中的扩散深度A．②④ B. ①③C①④ D. ②③3．离子注入与热扩散相比，哪个横向效应小（A ）A. 离子注入B. 热扩散4．在LPCVD中由于hG>>kS,质量转移系数远大于表面反应速率常杂质。
第三章--外延、内涵与意识形态
第三章外延、内涵与意识形态符号的本质在于意义，意义是符号的真谛。
符号学发展到今天尽管已经门类混杂，方法各异，但任何符号理论都少不了对符号意义的研究。
正如沙夫所言：“没有意义就没有符号”①。
任何符号，由于某些原有而不为人所理解的时候，都不过是一个诸如墨迹或者声音之类的物质对象而已。
艺术设计符号研究的就是研究使用、认知及社会语境下人为事物的象征品质，关注意义如何嵌入社会生活的网络。
Design的词源学意义de+sign即为制造“印记”来区分事物，给出意义，指定物与物、物与人、物与环境、物与社会的关系。
因此，设计在本质上与意义联结，深深植根于集体无意识下的神话原型，植根于文化的象征体系。
3.1 功能：艺术设计符号的外延意义3.1.1 符号系统与意义序列1946年罗兰·巴特发表了题为《物的语义学》的演讲，首次将物作为“能指”看待，它的“所指”除了功能性的“本义”外，还有它的“引申意义”。
罗兰·巴特将其称为不同序列的表意：第一序列是由能指和所指结合在一起的第一层意指系统（真实符码）构成第二层意指系统（术语系统）的所指，称之为外延系统，所表达的是外延意义（denotation）或“物”的本义（图3-4）；第二序列是有能指和所指结合在一起的第二层意指系统（真实符码）构成第三层意指系统（修辞系统）的能指，称之为内涵系统，所表达的是内涵意义（connotation）（图3-5）。
符号的意义(signification)则是外延的有机统一。
比如一台白色电话机的外延意义就是通信工具，但其外延还传达了女性或豪华的内涵意义，巴特称之为“意义剩余”。
物品的意义剩余存在于两个维度上:一是象征的坐标，属于物隐喻的深度，比如汽车象征速度、力量、自由、运动的家等神话学意涵；另一方面则是分类的坐标，乃是社会赋予的等级系统，比如奔驰、帕萨特、捷达等意义差异。
在这种符号学视角下，物如同语言，成为一种人类表意的符号体系。
微电子加工工艺总结
1、分立器件和集成电路的区别分立元件：每个芯片只含有一个器件；集成电路：每个芯片含有多个元件..2、平面工艺的特点平面工艺是由Hoerni于1960年提出的..在这项技术中;整个半导体表面先形成一层氧化层;再借助平板印刷技术;通过刻蚀去除部分氧化层;从而形成一个窗口..P-N结形成的方法：①合金结方法A、接触加热：将一个p型小球放在一个n型半导体上;加热到小球熔融..B、冷却：p型小球以合金的形式掺入半导体底片;冷却后;小球下面形成一个再分布结晶区;这样就得到了一个pn结..合金结的缺点：不能准确控制pn结的位置..②生长结方法半导体单晶是由掺有某种杂质例如P型的半导体熔液中生长出来的..生长结的缺点：不适宜大批量生产..扩散结的形成方式与合金结相似点：表面表露在高浓度相反类型的杂质源之中与合金结区别点：不发生相变;杂质靠固态扩散进入半导体晶体内部扩散结的优点扩散结结深能够精确控制..平面工艺制作二极管的基本流程：衬底制备——氧化——一次光刻刻扩散窗口——硼预沉积——硼再沉积——二次光刻刻引线孔——蒸铝——三次光刻反刻铝电极——P-N结特性测试3、微电子工艺的特点高技术含量设备先进、技术先进..高精度光刻图形的最小线条尺寸在亚微米量级;制备的介质薄膜厚度也在纳米量级;而精度更在上述尺度之上..超纯指工艺材料方面;如衬底材料Si、Ge单晶纯度达11个9..超净环境、操作者、工艺三个方面的超净;如 VLSI在100级超净室10级超净台中制作..大批量、低成本图形转移技术使之得以实现..高温多数关键工艺是在高温下实现; 如：热氧化、扩散、退火 ..4、芯片制造的四个阶段固态器件的制造分为4个大的阶段粗线条：①材料制备②晶体生长/晶圆准备③晶圆制造、芯片生成④封装晶圆制备：1获取多晶2晶体生长----制备出单晶;包含可以掺杂元素掺杂和母金掺杂3硅片制备----制备出空白硅片硅片制备工艺流程从晶棒到空白硅片：晶体准备直径滚磨、晶体定向、导电类型检查和电阻率检查→切片→研磨→化学机械抛光CMP→背处理→双面抛光→边缘倒角→抛光→检验→氧化或外延工艺→打包封装芯片制造的基础工艺增层——光刻——掺杂——热处理5、high-k技术High—K技术是在集成电路上使用高介电常数材料的技术;主要用于降低金属化物半导体MOS晶体管栅极泄漏电流的问题..集成电路技术的发展是伴随着电路的元器件如MOS晶体管结构尺寸持续缩小实现的..随着MOS晶体管结构尺寸的缩小;为了保持棚极对MOS晶体管沟道电流的调控能力;需要在尺寸缩小的同时维持栅极电容的容量;这通常需要通过减小棚极和沟道之间的绝缘介质层厚度来实现;但由此引起的棚极和沟道之间的漏电流问题越来越突出..High—K技术便是解决这一问题的优选技术方案..因为;MOS器件栅极电容类似于一个平板电容;由于MOS器件面积、绝缘介质层厚度和介电常数共同决定;因此MOS器件栅极电容在器件面积减小的前提下;采用了High—K材料后;可以在不减小介质层厚度因此栅极泄漏电流而不增加的前提下;实现维护栅极电容容量不减小的目标.. High—K材料技术已被英特尔和IBM应用到其新开发的45mm 量产技术中..目前业界常用的High—K材料主要是包括HfO在内的Hf基介质材料..26、拉单晶的过程装料——融化——种晶——引晶——放肩——等径——收尾——完成7、外延技术的特点和应用外延特点：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结的特点外延分类：按工艺分类A 气相外延VPE利用硅的气态化合物或者液态化合物的蒸汽;在加热的硅衬底表面和氢发生反应或自身发生分解还原出硅..B 液相外延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的过程..此法广泛应用于III-V族化合半导体的生长..原因是化合物在高温下易分解;液相外延可以在较低的温度下完成..C 固相外延SPED 分子束外延MBE在超高真空条件下;利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束;以很高的速度直接射到衬底表面;并在其上形成外延层的技术..特点：生长时衬底温度低;外延膜的组分、掺杂浓度以及分布可以实现原子级的精确控制..按导电类型分类n型外延：n/n; n/p外延 p型外延：p/n; p/p外延按材料异同分类同质外延：外延层和衬底为同种材料;例如硅上外延硅..异质外延：外延层和衬底为不同种材料;例如SOI绝缘体上硅是一种特殊的硅片;其结构的主要特点是在有源层和衬底层之间插入绝缘层———埋氧层来隔断有源层和衬底之间的电气连接按电阻率高低分类正外延：低阻衬底上外延高阻层n/n+反外延：高阻衬底上外延低阻层硅的气相外延的原理：在气相外延生长过程中;有两步：质量输运过程－－反应剂输运到衬底表面表面反应过程－－在衬底表面发生化学反应释放出硅原子掺杂有意掺杂：按器件对外延导电性和电阻率的要求;在外延的同时掺入适量的杂质;这称为有意掺杂..自掺杂：衬底中的杂质因挥发等而进入气流;然后重新返回外延层..杂质外扩散:重掺杂衬底中的杂质通过热扩散进入外延层..外延的应用1、双极型电路：n/n+外延;在n型外延层上制作高频功率晶体管..n/p外延：双极型传统工艺在p衬底上进行n型外延通过简单的p型杂质隔离扩散;实现双极型集成电路元器件的隔离..2、MOS电路:外延膜的主要应用是作为双极型晶体管的集电极..外延膜在MOS集成电路中的较新应用是利用重掺杂外延减小闩锁效应寄生闸流管效应..8、分子束外延MBE的原理及其应用在超高真空下;热分子束由喷射炉喷出;射到衬底表面;外延生长出外延层..9、二氧化硅膜的用途表面钝化：保护器件的表面及内部;禁锢污染物..掺杂阻挡层：作为杂质扩散的掩蔽膜;杂质在二氧化硅中的运行速度低于在硅中的运行速度..绝缘介质：IC器件的隔离和多层布线的电隔离;MOSFET的栅电极;MOS电容的绝缘介质..10、二氧化硅膜的获得方法A：热氧化工艺B：化学气相淀积工艺C：溅射工艺D：阳极氧化工艺11、热氧化机制①线性阶段;②抛物线阶段生长逐渐变慢;直至不可忍受影响氧化速率的因素有：氧化剂、晶向、掺杂类型和浓度、氧化剂的分压..热氧化生长方法：1干氧氧化：干燥氧气;不能有水分；随着氧化层的增厚;氧气扩散时间延长;生长速率减慢；适合/Si界面与硅反应..较薄的氧化层的生长..氧化剂扩散到SiO22水汽氧化:气泡发生器或氢氧合成气源；原理：3湿氧氧化：湿氧氧化的各种性能都是介于干氧氧化和水汽氧化之间;其掩蔽能力和氧化质量都能够满足一般器件的要求..4掺氯氧化：薄的MOS栅极氧化要求非常洁净的膜层;如果在氧化中加入氯;器件的性能和洁净度都会得到改善..减弱二氧化硅中的移动离子主要是钠离子的沾污影响;固定Na+离子；减少硅表面及氧化层的结构缺陷/Si界面特性：12、SiO2/Si界面杂质发生再分热氧化薄膜是由硅表面生长得到的二氧化硅薄膜..高温生长工艺将使SiO2布;与二氧化硅接触的硅界面的电学特性也将发生变化..杂质再分布：有三个因素：①分凝效应② 扩散速率③ 界面移动/Si界面杂质的再分布就远小于干氧氧化；湿氧水汽氧化速率远大于干氧氧化速率;水汽氧化SiO2氧化速率介于水汽、干氧之间;SiO/Si界面杂质的再分布也介于水汽、干氧之间..2/Si界面P-Si的反型层;以二氧化硅层中存在着与制备工艺有关的正电荷;这种正电荷将引起SiO2及MOS器件阈值电压不稳定等现象..可动离子或可动电荷主要是Na+、K+、H+ 等;这些离子在二氧化硅中都是网络修正杂质;为快扩散杂质..其中主要是Na+..在人体与环境中大量存在Na+;热氧化时容易发生Na+沾污..加强工艺卫生方可以避免Na+沾污；也可采用掺氯氧化;固定Na+离子..固定离子或固定电荷主要是氧空位..一般认为：固定电荷与界面一个很薄的约30 过渡区有关;过渡区有过剩的硅离子;过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开;但未与氧完全反应..干氧氧化空位最少;水汽氧化氧空位最多..热氧化时;首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象..氧化后;高温惰性气体中退火也能降低固定电荷..13、氧化膜厚度的检测劈尖干涉和双光干涉：利用干涉条纹进行测量;因为要制造台阶;所以为破坏性测量..比色法：以一定角度观察SiO2膜;SiO2膜呈现干涉色彩;颜色与厚度存在相应关系..比色法方便迅速;但只是粗略估计..椭圆仪法：入射的椭圆偏振光经氧化膜的多次反射和折射以后;得到了改变椭圆率的反射椭圆偏振光;其改变量和膜厚与折射率相关..高频MOS结构C-V法：测量金属栅极的电容;利用公式测量氧化膜层的厚度..14、化学气相沉积定义化学气相淀积Chemical Vapor Deposition是通过气态物质的化学反应在衬底上淀积薄膜的工艺方法..与之对应的是：PVD蒸发和溅射;它主要应用于导体薄膜..15、淀积技术包括哪两种CVD和PVD16、LPCVD和APCVD的主要区别 LPCVD有何优势APCVD：原料以气相方式被输送到反应器内;原料气体向衬底基片表面扩散;被基片吸附;由于基片的温度高或其它能量提供给原料气体;使其发生表面化学反应;生成物在基片表面形成薄膜;而生成物中的其它物质是气相物质;扩散到气相中被带走..LPCVD：低压情况下;分子自由程较长;薄膜电极的均匀性较高..LPCVD相对APCVD的特点：增加了真空系统;气压在1-10-2Torr之间；压下分子自由程长;可以竖放基片；热系统一般是电阻热壁式..17、PECVD的机理 PECVD有何优势优势：采用等离子体把电能耦合到气体中;促进化学反应进行;由此淀积薄膜；因此该法可以在较低温度下淀积薄膜..PECVD常常是低温和低压的结合..机理：反应器的射频功率使低压气体真空度1-10Torr产生非平衡辉光放电;雪崩电离激发出的高能电子通过碰撞激活气体形成等离子体..衬底基片具有一定温度;约300℃吸附活泼的中性原子团与游离基即高能的等离子体发生化学反应;生成的薄膜物质被衬底吸附、重排进而形成淀积薄膜;衬底温度越高形成的薄膜质量越好..18、多晶硅淀积和外延淀积的主要区别..淀积多晶硅薄膜的方法：主要采用LPCVD的方法..掺杂则采用：离子注入；化学气相淀积；扩散..多晶硅的淀积和外延淀积的主要区别：硅烷的使用19、金属薄膜的用途金属化的作用1在微电子器件与电路中金属薄膜最重要的用途是作为内电极MOS栅极和电容器极板和各元件之间的电连接..2在某些存储电路中作为熔断丝..3 用于晶圆的背面通常是金;提高芯片和封装材料的黏合力..金属化的作用：集成电路中金属化的作用是将有源器件按设计的要求连接起来;形成一个完整的电路与系统..20、说明为什么铝作为通常使用的金属薄膜; 说明铜作为新一代金属薄膜的原因..铝膜：用途: 大多数微电子器件或集成电路是采用铝膜做金属化材料优点：导电性较好；与p-Si;n+-Si>51019 能形成良好的欧姆接触；光刻性好；与二氧化硅黏合性好；易键合..缺点：抗电迁移性差；耐腐蚀性、稳定性差；台阶覆盖性较差..工艺：蒸发;溅射铜膜：用途：新一代的金属化材料;超大规模集成电路的内连线；缺点：与硅的接触电阻高;不能直接使用；铜在硅中是快扩散杂质;能使硅中毒;铜进入硅内改变器件性能；与硅、二氧化硅粘附性差..优点：电阻率低只有铝的40-45% ;导电性较好；抗电迁移性好于铝两个数量级；工艺：溅射21、VLSI对金属化的要求是什么①对n+硅和p+硅或多晶硅形成低阻欧姆接触;即金属/硅接触电阻小②能提供低电阻的互连引线;从而提高电路速度③抗电迁移性能要好④与绝缘体如二氧化硅有良好的附着性⑤耐腐蚀⑥易于淀积和刻蚀⑦易键合;且键合点能经受长期工作⑧层与层之间绝缘要好;不互相渗透和扩散;即要求有一个扩散阻挡层22、Al-Si接触的常见问题及解决办法Al和Si之间不能合成硅化物;但是可以形成合金..Al在Si中溶解度很小;但是相反Si在Al中溶解度很大;这样就形成尖楔现象;从而使P-N结失效..解决尖楔问题：（1）一般采用Al-Si合金代替Al作为Al/Si的接触和互连材料..但是又引入了硅的分凝问题..（2）由于铜的抗电迁移性好;铝-铜0.5-4%或铝-钛0.1-0.5%合金结构防止电迁移;结合Al-Si 合金;在实际应用中人们经常使用既含有铜又含有硅的Al-Si-Cu合金以防止合金化即共熔问题和电迁移问题..（3）Al-掺杂多晶硅双层金属化结构：在多晶硅中掺杂重磷或重砷;构成掺杂多晶的结构..（4）铝-隔离层结构：在Al-Si之间沉积一层薄的金属层;替代磷掺杂多晶硅;成为阻挡层..23、说明难熔金属在金属连线中的作用难熔金属及其硅化物有较低的电阻率和接触电阻..难熔金属的一个广泛应用是在多层金属结构中填充连接孔;这个工序叫作过孔填充;填补好的过孔叫做接线柱..24、金属化的实现方法有几种请论述真空溅射方法金属化的实现主要通过两种方式来实现：①物理淀积A：真空蒸发淀积较早;金属铝线B：真空溅射淀积Al-Si合金或Al-Si-Cu合金错误!LPCVD难熔金属真空蒸发淀积：被蒸物质从凝聚相转化为气相；气相物质在真空系统中的输运；气相分子在衬底上淀积和生长..分为电阻、电子束等蒸发沉积..真空溅射沉积：溅射淀积是用核能离子轰击靶材;使靶材原子从靶表面逸出;淀积在衬底材料上的过程..25、说明金属CVD的优势和主要用途..金属CVD ：LPCVD可以应用于制作金属薄膜..优势：不需要昂贵的高真空泵；台阶覆盖性好；生产效率较高..用途：难控制金属；难熔金属;主要是钨..26、什么叫做光刻;光刻有何目的光刻是图形复印与腐蚀作用相结合;在晶片表面薄膜上制备图形的精密表面工艺技术..光刻的目的就是：在介质薄膜、金属薄膜或金属合金薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形;从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的..27、光刻技术的图形转移分为哪两个阶段图形转移到光刻胶层；图形从光刻胶层转移到晶圆层28、列出光刻工艺的十个步骤;并简述每一步的目的..表面准备：微粒清除;保持衬底的憎水性..涂光刻胶：与衬底薄膜粘附性好;胶膜均匀;是光刻工艺的核心材料..前烘：使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥；增加胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性对准和曝光：把所需图形在晶圆表面上定位或对准；通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上后烘：减少效应;激发化学增强的PAG产生的酸与光刻胶上的保护发生反应并移除基团使之能溶解于显影液..显影：将掩膜板上的图形显示在光刻胶上..坚膜：除去光刻胶中剩余的溶剂;增强光刻胶对衬底的附着力..刻蚀：把显影后的光刻胶微图形下层材料的裸露部分去掉;将光刻胶图形转移到下层材料上去的工艺叫作刻蚀..去胶：刻蚀完成以后将光刻胶去除掉..29、光刻胶的分类;谈谈正胶和负胶的区别..正胶：胶的曝光区在显影中除去..正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的..使用这种光刻胶时;能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形;故称之为正胶..负胶：胶的曝光区在显影中保留;用的较多..具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂是可溶的;而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的..使用这种光刻胶时;能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形;故称之为负胶..30、刻蚀的方法分类;刻蚀常见有哪些问题分类：刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀..湿法刻蚀：化学腐蚀;在腐蚀液中通过化学反应去除窗口薄膜;得到薄膜图形..优点：工艺简单;无需复杂设备;选择比高；均匀性好..缺点：各向同性腐蚀；分辨率低;自动化难..干法刻蚀：使用气体和等离子体能量来进行化学反应的化学工艺..常见问题：不完全刻蚀、刻蚀和底切、各向同性刻蚀..优点：刻蚀非常有方向性各向异性;导致良好的小开口区域的精密度..缺点：选择性差..31、掺杂技术实现的两种方式以及掺杂的目的方式：扩散和离子注入目的：在晶圆表面下的特定位置处形成PN结；在晶圆表面下得到所需的掺杂浓度..32、扩散的基本原理、离子注入的基本原理及其比较微电子工艺中的扩散是杂质在晶体内的扩散;因此是一种固相扩散..晶体内扩散有多种形式：填隙式扩散、替位式扩散、填隙-替位式扩散..离子注入技术：离子注入是将含所需杂质的化合物分子如BCl3、BF3电离为杂质离子后;聚集成束用强电场加速;使其成为高能离子束;直接轰击半导体材料;当离子进入其中时;受半导体材料原子阻挡;而停留在其中;成为半导体内的杂质..离子注入时可采用热退火工艺;修复晶格损伤;注入杂质电激活..离子注入技术的优势：①离子注入克服热扩散的几个问题：A 横向扩散;没有侧向扩散B 浅结C 粗略的掺杂控制D 表面污染的阻碍②离子注入引入的额外的优势：A 在接近常温下进行B 使宽范围浓度的掺杂成为可能33、集成电路的形成集成电路的制造工艺与分立器件的制造工艺一样都是在硅平面工艺基础上发展起来的;有很多相同之处;同时又有所不同..相同点：单项工艺相同的方法外延;氧化;光刻;扩散;离子注入;淀积等..不同点：主要有电隔离;电连接;局部氧化;平整化以及吸杂等..电隔离：1PN结隔离：双极型集成电路多采用PN结隔离;是在硅片衬底上通过扩散与外延等工艺制作出隔离岛;元件就做在隔离岛上..2介质隔离：SOS集成电路Silicon on Sapphire 是最早的介质隔离薄膜电路;新材料SOISilicon on Insulator有很大发展;SOI集成电路也是采用介质隔离工艺的电路..电连接：集成电路各元件之间构成电路必须进行电连接;这多是采用淀积金属薄膜;经光刻工艺形成电连接图形;电路复杂的集成电路一般是多层金属布线;构成电连接..局部氧化：分离器件的氧化工艺是在整个硅片表面制备二氧化硅薄膜;而集成电路工艺中的氧化有时是在局部进行;如MOS型电路中以氮化硅作为掩蔽膜的局部氧化技术..平整化：超大规模集成电路的制备经过多次光刻、氧化等工艺;使得硅片表面不平整;台阶高;这样在进行电连接时;台阶处的金属薄膜连线易断裂;因此;有时通过平面化技术来解决这一问题;如在金属布线进行电连接之前;采用在硅片表面涂附聚酰亚胺膜的方法达到平面化的工艺技术..吸杂：硅单晶本身的缺欠以及电路制备工艺中的诱生缺欠;对电路性能影响很大;有源元件附近的缺欠;通过吸杂技术可以消除或减少缺欠;如通过在硅片背面造成机械损伤;喷沙或研磨;这种背损伤可以吸收杂质与缺欠..34、封装的工艺流程底部准备：底部准备通常包括磨薄和镀金..划片：用划片法或锯片法将晶片分离成单个芯片取片和承载：在挑选机上选出良品芯片;放于承载托盘中..粘片：用金硅熔点技术或银浆粘贴材料粘贴在封装体的芯片安装区域..打线：A：芯片上的打线点与封装体引脚的内部端点之间用很细的线连接起来线压焊；B：在芯片的打线点上安装半球型的金属突起物反面球形压焊；C：TAB压焊技术；封装前检查有无污染物；芯片粘贴质量；金属连接点的好坏电镀、切割筋成和印字最终测试35、封装设计金属罐法；双列直插封装；双列直插封装；针形栅格阵列封装球形栅格阵列封装；薄形封装；四面引脚封装；板上芯片COB。
哈工大微电子工艺3掺杂工艺
间隙-替位式扩散 间隙 替位式扩散
A+I Ai
杂质原子被从晶 格位置“踢出” 格位置“踢出” (Kick-out)
AV
11
3.2 扩散系数与扩散方程
Fick第一扩散定律
晶体衬底中杂质扩散流密度与杂质浓度 梯度成正比。比例系数D定义为杂质在衬 梯度成正比。比例系数 定义为杂质在衬 底中的扩散系数。 底中的扩散系数。
微电子工艺（ 微电子工艺（3）
--定域掺杂工艺 --定域掺杂工艺
田丽
1
第3章 扩散 章
扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺， 扩散是微电子工艺中最基本的平面工艺， 在900-1200℃的高温，杂质（非杂质）气 ℃的高温，杂质（非杂质） 氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散， 氛中，杂质向衬底硅片的确定区域内扩散， 又称热扩散。 又称热扩散。 目的是通过定域、 目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导 体导电类型，电阻率，或形成PN结 体导电类型，电阻率，或形成 结。
18
根据杂质在晶体中的扩散系数分
快扩散杂质：H，Li, Na, Cu, Fe, K, Au, He, Ag, 慢扩散杂质：Al,P,B,Ga, Tl, Sb，As 在高温工艺中，如扩散、外延，掺杂元素的 扩散系数小些好
19
菲克第二定律
•当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改 变时，利用第一定律不容易求出。 通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便 于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第 二个微分方程式。
6
间隙式扩散
Wi=0.61.2eV
间隙原子扩散势场示意图
7
跳跃率
Pi
按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过 按照玻尔兹曼统计规律，获得大于能过Wi的几率正比 于exp(-Wi／kT)
《外延及CVD工艺》课件
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 。
微电子工艺基础总结课
3、清洗策略（1） 颗粒去除
（2）有机残余物
（3）无机残余物
（4）氧化层的去除
（5）化学清洗方案： ① 热硫酸 ② 氧化添加剂
（6）RCA清洗方案： ① SC-1去除有机残余物，金属
（7）水冲洗
② SC-2去除碱金属离子，氢氧根
4、其它清洗方式：① 喷洒清洗
② 干法清洗（刻蚀液蒸汽）
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一、半导体材料
1、*本征半导体：处于纯净的状态而不是掺杂了其他物质的半导体。
有两类本征半导体： 半导体元素 硅和锗 化合物材料 砷化镓和磷化镓
2、**掺杂半导体：（1）掺杂半导体的来源
（2）掺杂半导体和金属导电的区别 （3）载流子的迁移率
3、***半导体材料： （1）硅和锗（两种重要的半导体）
分立器件：每个芯片只含有一个器件。
集成电路：每个芯片含有多个元件。
按集成成度分：
水平
缩写 单位芯片内的器件数
小规模集成电路 SSI 中规模集成电路 MSI 大规模集成电路 LSI 超大规模集成电路
特大规模集成电路
2－50 50－5000 5000－100000 VLSI 100000－1000000 ULSI ＞1000000
大批量、低成本 图形转移技术使之得以实现
高温
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多数关键工艺是在高温下实现， 如：热氧化、扩散、退火
二、芯片制造/生产的几个阶段
固态器件的制造分为4个大的阶段（粗线 条）：
材料制备 晶体生长/晶圆准备 晶圆制造、芯片生成 （本课程侧重点） 封装
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第一章作业题
1、描述分立器件和集成电路的区别 2、列举出几种pn结的形成方法并说出平面工
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热氧化机制
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C Ce ( x) s 2
自掺杂效应
高温外延时，高掺杂衬底杂质 反扩散（蒸发）到气相粘滞层 （边界层），再进入外延层的 现象。 自掺杂效应是气相外延的本征 效应，不可能完全避免。
3.2.6 外延方法
低压外延 选择外延 SOI技术
低压外延
目的：减小自掺杂效应 压力：1*103—2*104Pa 原因： 低压气体扩散速率快，衬底逸出杂质可快速穿过边界层（滞留 层），被排除反应室,重新进入外延层机会减小； 停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡区，冷壁系统 和热基座间无涡流，改善ρ；减小外延层图形的漂移和畸变； 温度影响 压力降低，生长外延层温度下限也降低，T↑，G↑； 问题：易泄漏；基座与衬底间温差大；基座、反应室在减压时放 出吸附气体；外延生长温度低等-----外延层晶体完整性受到一定 影响
微电子工艺
第3章 外延
(Epitaxy)
田
丽
第3章 外延
3.1 概述 3.2 气相外延 3.3 分子束外延 3.4 其它外延 3.5 外延层缺陷及检测
3.1 概述
3.1.1外延概念
在微电子工艺中，外延(epitaxy)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。 新排列的晶体称为外延层，有外延层的硅片 称为（硅）外延片。 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。
扩散效应 自掺杂效应
扩散效应
扩散效应也叫互(或外) 扩散，指在 衬底中的杂质与外延层中的杂质在 外延生长时互相扩散，引起衬底与 外延层界面附近的杂质浓度缓慢变 化的现象。 若杂质扩散速率远小于外延生长速 率，衬底中的杂质向外延层中扩散， + +对应n/n （p/p+） 或外延层中杂质向衬底中的扩散， 都如同在半无限大的固体中的扩散。 +（n/p+） -对应p/n 当衬底和外延层都掺杂时，外延层 中最终杂质分布
晶格失配 lattice mismatch 失配率
aa f 100% ' a
'
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。
热失配影响 单晶薄膜物 理和电学性 质
晶格失配导致 外延膜中缺陷 密度非常高
特点
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。
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， 得到广泛应用。 新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
生长指（常）数Φ
Φ(cm-1)由实验确定。 与掺杂剂、化学反应、 反应系统，及生长过 程等因素有关:As比B 和P更易蒸发;氯硅烷 反应过程中的Φ要比 硅烷的小;边界层越厚， Φ就越大。
综合效果
减小自掺杂效应措施
降低外延温度，p-Si采用SiH2Cl2, SiHCl3；或SiH4， 但这对As的自掺杂是无效。 对于n-Si衬底，用蒸气压低、扩散速率也低的锑作为 埋层杂质，但锑难以达到很高的掺杂浓度。 重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面和侧面， 减少杂质外逸。 低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显著，对 硼的作用不明显。 用离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。 可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜来避免衬底中 的杂质外逸，再原位掺杂。 避免高温下用HCl对衬底进行腐蚀、或腐蚀后用低温 气流除去因腐蚀外逸的杂质。
3.1.3 外延工艺用途
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
n+埋层 n-Si外延层 SiO2 p+隔离墙
P-Si衬底
利用外延技术的 pn结隔离是早期 双极型集成电路 常采用的电隔离 方法。
pn结隔离示意图
P阱
n阱
将CMOS电路制作在外 延层上比制作在体硅抛 光片上有以下优点： ①避免了闩锁效应； ②避免了硅层中SiOx的 沉积； ③硅表面更光滑，损伤 最小。
3.2 气相外延
硅气相外延(vapor phase
epitaxy，VPE )，指
含Si外延层材料的物质以气相形式输运至衬底， 在高温下分解或发生化学反应，在单晶衬底上生 长出与衬底取向一致的单晶。
与CVD（Chenmical Vapor Deposition，化学汽相
淀积）类似，是广义上的CVD工艺。
3.2.1硅的气相外延工艺
卧式气相外延设备示意图
设备
立式和桶式外延装置示意图
气相外延设备
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
气相质量向上，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°。
基座表面边界层示意图
• 本质上是化学分
2 表面过程 解和规则排列两 个过程。 •SiH4表面外延过 SiH = Si+2H 4 2 程实质上包含了 吸附、分解、迁 移、解析这几个 环节。 •表面外延过程表 明外延生长是横 表面外延过程示意图 向进行。
而外延生长速率正相反。
外延速率的影响因素（三）
反应剂浓度对生长 速率的影响
SiCl4摩尔浓度 大于0.27出现 腐蚀现象
SiCl4浓度与生长速率的关系
速率、温度对结晶类型的影响
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3.2.4 外延层中的杂质分布
掺杂采用原位气相掺杂。 杂质掺入效率依赖于：生 长温度、生长速率、气流 中掺杂剂相对于硅源的摩 尔数、反应室几何形状， 掺杂剂自身特性。 有杂质再分布现象
制作在外延层上的双阱CMOS剖面图
微波器件的芯片制造，需要具有突变杂质分布的复杂 多层结构衬底材料。可以采用多层外延工艺来实现这 类衬底材料的制备。 采用异质外延的SOS／CMOS电路，外延衬底为绝缘的 蓝宝石，能够有效地防止元件之间的漏电流，抗辐照 闩锁；而且结构尺寸比体硅CMOS电路小，因SOS结构 不用隔离环，元件制作在硅外延层小岛上，岛与岛之 间的隔离距离只要满足光刻工艺精度，就能达到电隔 离要求，所以元件之间的间距很小，CMOS电路的集成 度也就提高了。
工艺
外延生长工艺流程： N2预冲洗→H2预冲洗→升温至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
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。
SOI技术的诞生背景
近年来， 以笔记本电脑、蜂窝电话、微型通信 设备等为代表的便携式系统发展迅猛。 它们一 般都由高度集成的电子器件组成，且多使用干 电池或太阳能电池作为电源。因此．对于制造 电子器件的材料和性能的要求也越来越高，不 仅要能够实现高度集成，而且要满足高速、低 压、低功耗的要求。体硅CMOS技术在这些方 面都明显不能满足要求。
3.2.1 Si-Cl-H系统反应过程
SiCl2+H2
2SiCl2
Sis+2HCl
Sis+SiCl4
3.2.2气相外延原理
δ x
α
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
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）
•外延选择性的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 •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 注意：窗口侧壁的生长速率不规则性导 为HCl可将在氧化物表面形成的小团的硅刻蚀掉； 致边缘和中心生长速率差别的问题； •三种类型：晶面取向不同导致的生长特性差别； 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Poly-Si； 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