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。
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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。
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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。
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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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第12页/共33页
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）