外延及CVD工艺培训资料
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【2024版】外延工艺培训课件
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3、外延生长（1）N2预冲洗（2）H2预冲洗
（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
（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
外延及CVD工艺教材
2019/4/6 12
三. 外延中的掺杂
掺杂剂 氢化物 : PH3， AsH3，BBr3，B2H6 氯化物: POCl3，AsCl3
2019/4/6 13
在外延层的电阻率还会受到下 列三种因素的干扰
重掺杂衬底重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。
2019/4/6 21
3.参数测量
参数内容
外延层厚度
常用测量方法
磨角染色法 层错法 红外椭圆偏振仪法 红外反射干涉法 四探针法 三探针法 C-V 法 扩展电阻法 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 卢瑟福背散射 光学显微镜观测 自动激光扫描仪
电阻率
2019/4/6 3
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
2019/4/6
600 C
4
2. 生长速率
影响外延生长速率的主要因素：
少子寿命
杂质分布
缺陷密度
2019/4/6
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。
三. 外延中的掺杂
掺杂剂 氢化物 : PH3， AsH3，BBr3，B2H6 氯化物: POCl3，AsCl3
2019/4/6 13
在外延层的电阻率还会受到下 列三种因素的干扰
重掺杂衬底重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。
2019/4/6 21
3.参数测量
参数内容
外延层厚度
常用测量方法
磨角染色法 层错法 红外椭圆偏振仪法 红外反射干涉法 四探针法 三探针法 C-V 法 扩展电阻法 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 卢瑟福背散射 光学显微镜观测 自动激光扫描仪
电阻率
2019/4/6 3
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
2019/4/6
600 C
4
2. 生长速率
影响外延生长速率的主要因素：
少子寿命
杂质分布
缺陷密度
2019/4/6
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。
碳化硅外延cvd法-概述说明以及解释
碳化硅外延cvd法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述碳化硅外延化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种常用的制备高质量碳化硅薄膜的技术。
该方法通过在高温下将气态前驱体降解分解，使其原子重新组合并在基底表面形成固态薄膜。
碳化硅具有优异的热导性、尺寸稳定性和化学稳定性，在高温、高功率及特殊工况下具有广泛的应用前景。
本文将介绍碳化硅外延CVD法的原理、工艺和应用。
首先，将对CVD 法的基本原理进行阐述，包括分解反应机理、气相热化学反应和沉积动力学等方面。
其次，会详细介绍碳化硅外延CVD法在制备晶态碳化硅薄膜方面的应用，包括各种衬底材料的使用、反应温度和气氛的选择，以及前驱体选择等方面的优化。
最后，我们将对碳化硅外延CVD法的优势进行总结，并展望其在未来的发展前景。
通过本文的阐述，读者可以全面了解碳化硅外延CVD法的研究现状和应用前景，以及该技术在能源、光电子、半导体和化学等领域的潜在应用价值。
同时，本文还将提供一些可供参考的研究方向和问题，以促进碳化硅外延CVD法的进一步发展和应用。
1.2文章结构1.2 文章结构本文主要介绍了碳化硅外延CVD法的技术和应用。
具体内容包括以下几个方面：第二部分将详细介绍碳化硅外延技术。
首先会对碳化硅外延的基本概念进行解释，并介绍其在半导体工业中的重要性。
然后会介绍CVD法在碳化硅外延中的应用，包括其原理、工艺流程和实验设备等。
第三部分将对碳化硅外延CVD法的优势进行总结。
这一部分将重点探讨CVD法在碳化硅外延制备中的优点，如高晶体质量、可控性和制备效率等。
最后，第四部分将展望碳化硅外延CVD法在未来的发展前景。
这一部分将分析当前碳化硅外延CVD法存在的挑战和问题，并提出改进和发展思路，以期实现碳化硅外延技术的进一步发展和应用。
通过对碳化硅外延CVD法的全面介绍和分析，本文旨在为读者提供全面了解碳化硅外延CVD法的基础知识，以及认识和认识碳化硅外延技术在半导体工业中的应用前景。
CVD培训资料
CVD培训资料CVD工艺培训材料CVD工艺培训教材编者：熊炳辉第一节CVD简介第二节CVD膜在IC中的运用第三节CVD工艺的种类第四节CSMC-HJ的CVD工艺第五节CVD介质膜的性质第六节 CVD 的基本特征第七节CVD工艺的发展第八节CVD工艺中容易出现的问题第九节其它注意事项第十节安全第十一节主要材料第一节CVD简介一、CVD（Chemical Vapor Deposition）工艺的应用：（1）CVD工艺可生长介质膜、半导体膜、导体膜以及超导膜。
（2）在IC生产制造过程中，我们主要运用CVD工艺生长介质膜（SiO2、SiN）、半导体膜（Poly，etc）、导体膜（W、Wsi，etc）。
二、CVD工艺的特点：（1）CVD成膜温度远低于体材料的熔点，减轻衬底的热形变，减少玷污，抑制缺陷生成，减轻杂质再分布，适于浅结工艺。
设备CVD工艺培训材料简单、重复性好。
（2）CVD膜的成分可精确控制，配比范围较大。
（3）淀积速率快，产能强。
（4）CVD膜结构致密、完整，与衬底黏附性好，台阶覆盖性能好。
三、选择CVD反应剂的准则：（1）反应剂的纯度及蒸汽压必须足够高。
（2）反应副产物必须是高挥发性的。
（3）淀积物必须是稳定的化合物、固溶体或挥发性极低的物质。
（4）需考虑CVD反应的热力学、动力学、薄膜的结晶学等特性以及生产的安全性。
第二节CVD膜在IC中的运用一、介质膜在IC中的应用：CVD介质膜主要用于PMD、IMD、Passivation等，搀杂的CVD 介质膜也可作为扩散用杂质源。
CVD介质膜还被用作抗反射层，ARC （Anti-Reflect Coat）等。
金属前介质层（PMD）：（1）淀积温度不受金属限制，但有搀杂可动性的要求。
（2）通常PSG（phosphoro-silicate glass）、BPSG（boro-phospho-silicate glass）被应用。
金属间介质层（IMD）：（1）淀积温度受到金属限制。
外延及CVD工艺
电阻率
少子寿命
杂质分布
缺陷密度
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五.外延的用途 .
双极电路： 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。
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2.埋层图形的漂移与畸变 埋层图形的漂移与畸变2. 埋层图形的漂移与畸变
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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,偏移越小 SiCl4 SiH2Cl2 SiH4 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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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。
等气压线
2010-10-1
8
3.系统与工艺流程 3.系统与工艺流程
系统示意图
2010-10-1
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 850C 5min 升温2 1170C 5min HCl排空 1.3L/min 1min
外延工艺培训课件
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：
SiH 4 O2 400~450 SiO2 2H 2
Si(OC2H5 )4 650~750 SiO2 4C2H 4 2H 2O
后者已TEOS为主的SiO2LPCVD，阶梯覆盖能力 甚佳，应用较广。
谢谢大家！
当前MOCVD主要供应商只有两家,美国 Veeco，德国Aixtron。
日本的酸素（？）公司MOCVD只在本国出 售。
台湾工研院机械与系统研究所已组成台湾 MOCV产业联盟，大陆13所、48所、55所、 上海、宁波、佛山有一定技术资源和基础， 目前还有一批研究人员回国。
MOCVD1
MOCVD2
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
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
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。
SiH 4 4PH 3O2 SiO2 2P2O5 8H 2
SiH 4 7N2O2 2PH 3 SiO2 2P2O5 7N2 5H 2
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。
CVD培训资料
根据反应原理分类
CVD可以分为热分解、化学合成和 热力学方法等。
根据应用领域分类
CVD可以分为硬质CVD、薄膜CVD 和功能CVD等。
02
CVD制备方法
气相沉积
物理气相沉积
利用物理方法（如真空蒸发、溅射等）将材料沉积到基体表面。
化学气相沉积
利用化学反应，将气态或蒸汽状态的反应物在气相中反应，并沉积到基体表 面。
CVD产业化面临的挑战
技术难题
CVD技术在产业化过程中存在一些技术难题，如 设备成本高、制备周期长等。
市场风险
由于CVD技术应用领域比较广泛，因此其市场风 险也比较大。
环保压力
随着环保意识的不断提高，CVD技术的环保压力 也越来越大。
CVD产业化的发展方向与建议
加强技术研发
加大对CVD技术的研发投入 ，提升技术水平，降低生产成
CVD在纳电子器件中的应用
CVD技术在制造纳电子器件中具有广泛的应用，例如在制造 微电子芯片、光电子器件、生物传感器等方面都有应用。
CVD在环境治理中的应用研究
CVD对环境治理的作用
CVD技术可以对各种有害气体进行分解，变成无害物质，具有很好的环保效 果，同时可以用于废气、废水处理等。
CVD在环境治理中的实际应用
太阳能电池
薄膜沉积
CVD技术可用于沉积太阳能电池的吸收层和窗口层，提高太 阳能电池的光电转换效率和稳定性。
结构优化
CVD技术还可以用于优化太阳能电池的结构，如形成绒面或 纳米结构，提高光散射和吸收能力。
宝石与装饰材料
合成宝石
CVD技术可以合成各种宝石和装饰材料，如红宝石、蓝宝石、水晶等，具有 高硬度、高纯净度和高透光性等特点。
CVD培训资料
02
CVD制备方法
概述
CVD是制备材料的 重要方法之一
CVD的应用范围广 泛，可制备多种材 料
CVD过程包括反应 物的化学反应和沉 积反应两个主要步 骤
熔体法
定义
熔体法是一种制备CVD涂层 的方法，将材料加热至熔化状 态，然后通过气相反应在基体
表面形成涂层
优点
制备的涂层与基体结合力强，制 备过程中设备简单，操作容易
针对这些挑战，需要加强技术研发和设备更新，提高生产效 率和降低成本，同时探索新的应用领域和市场机会。
CVD技术创新的前景
CVD技术创新不断涌现，包括新型反应器设计、新的沉积 工艺和材料体系等方面。
未来CVD技术创新将更加注重节能、环保、高效、智能等 方面，同时加强与其他技术的交叉融合，如光电子、生物 医学等。
优点
涂层与基体结合力强，涂 层质量高
缺点
设备成本较高，操作难度 较大
03
CVD材料的性能与表征
CVD材料的物理性能
密度
CVD材料具有高密度，接 近理论密度。
晶体结构
CVD材料具有高度有序的 晶体结构。
热膨胀系数
CVD材料的热膨胀系数较 低。
CVD材料的化学性能
耐腐蚀性
CVD材料具有出色的耐腐蚀性 。
抗氧化性
CVD材料具有较好的抗氧化性 。
稳定性
CVD材料具有良好的稳定性。
CVD材料的力学性能
硬度
CVD材料具有高硬度。
抗拉强度
CVD材料具有高抗拉强度 。
韧性
CVD材料具有一定的韧性 。
CVD材料的热学性能
01
02
03
热导率
CVD材料的热导率较高。
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等气压线
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3.系统与工艺流程
系统示意图
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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
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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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;
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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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
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2.埋层图形的漂移与畸变2.
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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,偏移越小
SiCl4
SiH2Cl2 SiH4
(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
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在外延层的电阻ห้องสมุดไป่ตู้还会受到下 列三种因素的干扰
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
卢瑟福背散射
缺陷密度
光学显微镜观测
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自动激光扫描仪
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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。
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。
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CVD:Chemical Vapor Deposition
晶体结构良好
掺入的杂质浓度易控制
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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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
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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。
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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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2. 生长速率
影响外延生长速率的主要因素：
反应剂浓度
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温度：B区高温区（常选用），A区低温区
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气体流速 :气体流速大生长加快
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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。
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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
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
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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
率减少到原来的1/10。
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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
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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。
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3.系统与工艺流程
系统示意图
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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
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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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;
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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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
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2.埋层图形的漂移与畸变2.
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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,偏移越小
SiCl4
SiH2Cl2 SiH4
(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
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在外延层的电阻ห้องสมุดไป่ตู้还会受到下 列三种因素的干扰
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
卢瑟福背散射
缺陷密度
光学显微镜观测
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自动激光扫描仪
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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。
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。
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CVD:Chemical Vapor Deposition
晶体结构良好
掺入的杂质浓度易控制
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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HCl腐蚀 H2冲洗 降温
N2冲洗
10L/min 260L/min
10min 1min 6min
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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
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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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2. 生长速率
影响外延生长速率的主要因素：
反应剂浓度
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温度：B区高温区（常选用），A区低温区
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气体流速 :气体流速大生长加快
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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。
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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
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
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固相外延(SPE)－－熔融在结晶
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分子束外延(MBE)－－超薄
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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
率减少到原来的1/10。
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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。
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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。