第3章7外延工艺
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chap7外延要点
工艺多样化：
具有相反导电类型的外延层，在器件工艺中可
形成结和隔离区； 薄层外延供器件发展等平面隔离和高速电路； 选择外延可取代等平面隔离工艺来发展平面隔 离； 绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三维空间 电路
12
7.1 硅气相外延工艺的基本原理
系统示意图
13
一、硅源 四种：四氯化硅，三氯硅烷(TCS)，二氯硅烷(DCS)， 硅烷 二、外延的步骤：6步。 1、反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层表面； 2、反应剂分子被生产层表面吸附； 3、被吸附的反应剂分子在生长层表面完成化学反应， 产生硅原子及其他副产物； 4、 副产物从表面解吸； 5、 解吸的副产物以扩散方式转移到气相，随主气流 排出反应室外； 6、 反应生成的硅原子定位于晶格点阵，形成单晶外 延层。
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
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7.2 外延层中的杂质分布
1. 掺杂原理 2. 扩散效应：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。 3. 自掺杂效应：在外延生长过程中，衬底和外延层 中的杂质因蒸发、或者化学反应的副产物对衬底或外 延层的腐蚀，都会使衬底和（或）外延层中的杂质进 入到边界层中，改变了边界层中的掺杂成分和浓度， 从而导致了外延层中的实际分布偏离理想情况，这种 现象称为自掺杂效应。 采取7项措施减小自掺杂效应的影响。
34
7.7 分子束外延
哈工大微电子工艺(3)----第七章外延
综合效果
7.3.3减小自掺杂效应措施
降低外延温度， 采用SiH2Cl2, SiHCl3；或SiH4， 降低外延温度，p-Si采用 采用 但这对As的自掺杂是无效 的自掺杂是无效。 但这对 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 衬底， 对于 衬底 用蒸气压低、 埋层杂质，但锑难以达到很高的掺杂浓度。 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， 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。 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， 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。 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。 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。 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 对衬底进行腐蚀、 避免高温下用 对衬底进行腐蚀 气流除去因腐蚀外逸的杂质。 气流除去因腐蚀外逸的杂质。
SiCl4摩尔浓度 大于0.27出现 大于 出现 腐蚀现象
7.3 外延层中的杂质分布
掺杂采用原位气相掺杂。 掺杂采用原位气相掺杂。 杂质掺入效率依赖于： 杂质掺入效率依赖于：生 长温度、生长速率、 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， 尔数、反应室几何形状， 掺杂剂自身特性。 掺杂剂自身特性。 有杂质再分布现象
扩散效应 自掺杂效应
7.3.1 扩散效应
扩散效应也叫互(或外 扩散， 扩散效应也叫互 或外) 扩散，指在 或外 衬底中的杂质与外延层中的杂质在 外延生长时互相扩散， 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。 化的现象。 若杂质扩散速率远小于外延生长速 衬底中的杂质向外延层中扩散， 率，衬底中的杂质向外延层中扩散， + +对应 对应n/n （p/p+） 对应 或外延层中杂质向衬底中的扩散， 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。 都如同在半无限大的固体中的扩散。 +（n/p+） -对应 对应p/n 对应 当衬底和外延层都掺杂时， 当衬底和外延层都掺杂时，外延层 中最终杂质分布
3外延工艺
异质外延衬底和外延层的材料不同，晶体结构和晶格常数 不可能完全匹配。外延生长工艺不同，在外延界面会出现 两种情况——应力释放带来界面缺陷，或者在外延层很薄 时出现赝晶（pseudomorphic）
异质外延生长工艺的两种类型
晶格失配 lattice mismatch
失配率： f = a − a' 100% a'
2.2 气相外延原理
以硅烷为源进行外延 SiH4气体被通入反应器,气相输运 到达硅衬底，射频加热器
直接给基座加热，基座上的衬底温度高， 硅烷就在衬底表 面分解出硅，硅 原子规则排列为外延层 将外延过程分解为气相质量传递和表面外延两个过程来具 体分析。
主观题 10分
分析下图气相外延设备中温度，反应气体浓度以 及气体流速沿水平和垂直方向的变化趋势
• 其中：a外延层晶格参数（热膨胀系数或 者晶格常数）； 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
外延特点
• 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。
作答
异质外延的相容性 1. 衬底与外延层不发生化学反应，不发
生大量的溶解现象； 2.衬底与外延层热力学参数相匹配，即热
膨胀系数接近。以避免外延层由生长温度冷却至 室温时，产生残余热应力，界面位错，甚至外延 层破裂。
3.衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体 结构，晶格常数接近，以避免晶格参数不匹配引 起的外延层与衬底接触的界面晶格缺陷多和应力 大的现象。
输出 PNP
外延工艺
2012112925nmos1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2012112926软误差从封装材料中辐射出的粒子进入衬底产生大量约10量级电子空穴对在低掺杂mos衬底中电子空穴对可以扩散50m易受电场作用进入有源区引起器件误动作这就是软误差
2012-3-7
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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。
2012-3-7 12
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:
2012-3-7 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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24
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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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。
第七章 外延
7.1 硅气相外延的基本原理
7.1.1 硅源
采用传统的高温工艺
① SiCl4 ② SiHCl3 ③ SiH2Cl2 ④ SiH4
新硅源Si2H6
采用现代的低温工艺
7.1.2 外延生长模型
生长步骤 ①传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面； ②吸附：反应物吸附在Si表面； ③化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物； ④脱吸：副产物脱离吸附； ⑤逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室； ⑥加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上，延续衬底晶向 生长特征：横向二维的层层生长。
SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅)技术
SOS的不足
SOS结构存在下列主要问题： ①硅-蓝宝石界面比Si-SiO2界面质量差。 ②蓝宝石的介电常数接近10（SiO2是3.9），会产生 较大的寄生电容。 ③膨胀系数的差异引入的应力。 硅的膨胀系数是4.5×10-6℃，蓝宝石比它大一倍左 右。 ④蓝宝石导热性差。
7.2.3 自掺杂效应（非故意掺杂）
定义：衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层。
来源:各种气相自掺杂 ①衬底扩散蒸发的杂质：在外延生长的初期； ②衬底背面及侧面释放的杂质； ③外延生长前吸附在表面的杂质； ④气相腐蚀的杂质； ⑤其他硅片释放的杂质。 ⑥外延系统：基座、输入气体中的杂质。
7.8.2 层错法测量外延层厚度
原理：化学腐蚀的各向异性，即层错界面两边的原子 结合较弱，具有较快的腐蚀速率。
计算：T=(2/3)1/2l≈0.816l
7.8.3 图形漂移和畸变
7.8.3 图形漂移和畸变
soc工艺课件 ch3外延
P25
3.2.3外延速率的影响因素
反应剂浓度对生长速率的影响
很低浓度→A：质量传递到达衬 底表面的SiCl4增多，外延速率提 高； A →B：再增大SiCl4浓度，生长 速率提高，受衬底表面排列速度 限制，生长的是多晶硅； B →D：再增大SiCl4浓度，生长 速率反而降低， SiCl4的H2还原时 可逆的； D →： SiCl4浓度增大到0.28时， 只存在Si的腐蚀； 采用SiCl4源，通常控制在低浓度 区，生长速率大约为1um/min；
P23
3.2.3外延速率的影响因素
温度对生长速率的影响:
质量传递 控制 实际外延 选此区
表面反应 控制
-1
P24
3.2.3外延速率的影响因素
硅源对生长速率的影响：
含氯的Si-Cl-H体系：SiCl4、SiHCl3 、SiH2Cl2 ； 无氯的Si-H体系：SiH4(硅烷)、Si2H6(二硅烷)； 硅源不同，外延温度不同，由高到低排序的硅源为 ：SiCl4（1170 ℃ ）>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4 （900 ℃ ） ；而外延生长速率正相反。
cg c0 dc J g Dg Dg dy
cg，c0分别为主气流区和衬底表面浓度；Dg为扩散系数。 沿气流方向Cg下降，Jg减小，外延层厚度不均匀。 基座表面做成斜坡状，和气流方向呈一定角度，α角一般厚 度在3~10°，气流速度增大，边界厚度变薄，解决外延层 生长的不均匀性。
基座表面边界层示意图
P19
3.2.2外延原理
边界层指基座表面垂直于气流方向上，气流速度、反应剂 浓度、温度受到扰动的薄气体层。边界层厚度δ与主气流速 度v成反比。 外延层的气相质量传递以扩散方式进行， SiH4从主气流区 扩散穿越边界层到达硅衬底表面。单位时间内到达衬底单 位面积的SiH4从分子数目为
Chap.7+外延(Epitaxy)
层转移，独特之处在于在多孔硅表面上可生长 平整的外延层，并能以合理的速率将多孔硅区 域彻底刻蚀掉 ，该技术保留了外延层所具有的 原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒
堆积或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优
越的性能。
天津工业大学
ELTRAN技术
天津工业大学
以上四种方法的差别
以上4种制备SOI材料的方法各有所长，用户可以根据不 同的材料要求，选择不同的制备方法。 SDB法通常用于制取厚埋氧层材料，其硅层的厚度取决于 硅片减薄技术的进展。早期该技术只能制备厚硅层材料， 后来随着BE Bonding技术和CMP（Chemical Mechanical Polishing）技术的发展，也可以用于制备薄的顶层硅 （0.1μm ）； 而SIMOX法由于氧注入条件的限制，只能制取薄硅层 （0.1～0.4μm）和薄埋氧层（0.1～0.4μm）材料。要获得 厚的硅层，必须再进行外延，即采用ESIMOX法； 而Smart Cut法由于采用了键合工艺，则最适用于制备薄 硅层（0.1～1μm）和厚埋氧层材料； ELTRAN法的适用范围最宽，可根据用户要求，提供从 几十纳米到几十微米的硅层和埋氧层。
天津工业大学
SIMOX技术示意图
O+
O+
天津工业大学
SIMOX技术优缺点
优点：
制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度 控制在50～400nm的范围。
缺点：但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要 经过高温退火过程，所以制备成本很高，价格非常贵。 采用SIMOX技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此，人们 采用在SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅， 即所谓的ESIMOX（Epitaxy SIMOX）技术。但是厚外 延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此SIMOX技术通常用 于制备薄硅膜、薄埋氧层的SOI材料。
堆积或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优
越的性能。
天津工业大学
ELTRAN技术
天津工业大学
以上四种方法的差别
以上4种制备SOI材料的方法各有所长，用户可以根据不 同的材料要求，选择不同的制备方法。 SDB法通常用于制取厚埋氧层材料，其硅层的厚度取决于 硅片减薄技术的进展。早期该技术只能制备厚硅层材料， 后来随着BE Bonding技术和CMP（Chemical Mechanical Polishing）技术的发展，也可以用于制备薄的顶层硅 （0.1μm ）； 而SIMOX法由于氧注入条件的限制，只能制取薄硅层 （0.1～0.4μm）和薄埋氧层（0.1～0.4μm）材料。要获得 厚的硅层，必须再进行外延，即采用ESIMOX法； 而Smart Cut法由于采用了键合工艺，则最适用于制备薄 硅层（0.1～1μm）和厚埋氧层材料； ELTRAN法的适用范围最宽，可根据用户要求，提供从 几十纳米到几十微米的硅层和埋氧层。
天津工业大学
SIMOX技术示意图
O+
O+
天津工业大学
SIMOX技术优缺点
优点：
制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度 控制在50～400nm的范围。
缺点：但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要 经过高温退火过程，所以制备成本很高，价格非常贵。 采用SIMOX技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此，人们 采用在SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅， 即所谓的ESIMOX（Epitaxy SIMOX）技术。但是厚外 延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此SIMOX技术通常用 于制备薄硅膜、薄埋氧层的SOI材料。
第7章-外延
七 SOS技术
1 技术背景 SOI（Silicon On Insulator或 Semiconductor On Insulator）是指在绝 缘衬底上进行硅的异质外延。如果在蓝 宝石或尖晶石的衬底上进行硅的外延则 成为SOS，SOS是SOI中的一种工艺。 SOI技术的优点在于其低功耗、高速度、 抗辐射能力强、可抑制CMOS闩锁效应以 及比体硅更为简单的工艺操作。
根据其所在位置可分为两大类： ①显露在外延层表面的缺陷，为表面缺陷。 主要有：云雾状表面、角锥体、划痕、 星状体、麻坑等； ②存在于外延层内部的晶格结构缺陷，也 就是体缺陷。主要有位错和层错。
1 层错
层错也称堆积层错，是外延层上最常见而 又容易检测到得缺陷，是由原子排列次序发生 错乱引起的。利用化学腐蚀法，便可显示层错 的图形。 产生层错的原因很多，例如，衬底表面的 损伤和玷污，外延温度过低，衬底表面上残留 的氧化物，外延过程中掺杂剂不纯，空位或者 间隙原子的凝聚，外延生长时点阵适配，衬底 上的微观表面台阶，生长速度过高都可能引起 层错。
2 衬底处理
①采用高温热处理去除衬底表面的SiO2。在 1200℃的高温下SiO2与Si发生反应生成可挥发 的SiO。 ②用Ar+溅射，再退火。在这种办法中因溅射引 起衬底表面的损伤，虽然经过退火，但也难达 到外延生长对衬底表面的要求。 ③利用脉冲激光反复辐射。这是一种比较好的方 法，特别是准分子激光器的应用，效果更好， 可能会被广泛采用的一种方法。
第七章
外 延
外延的基本概念
1 定义
外延（epitaxy-取向附生, 外延附生）， 源自于希腊语，意思是“在· · · · · · 上排列”。 在集成电路工艺中，外延是指在单晶衬底 （如硅片）上、按衬底晶向生长单晶薄膜的工 艺过程。 从广义上来说，外延也是一种化学气相沉 积（CVD）工艺。 外延片（导电类型、电阻率、厚度）
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
《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 。
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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。
• 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
• 3、氮化硅
• 氮化硅的用处：场氧化掩蔽膜、钝化层
• 4、多晶硅CVD
3.7.4 金属材料CVD
• 硅化钨（Polycide结构）
• 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。
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
件的保护层。
• 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。
• 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：
• 后者已TEOS为主的SiO2LPCVD，阶梯覆盖能力 甚佳，应用较广。
• 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
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10-
1Pa； • 工作气压：10-1-
103Pa； • 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
多功能等离子体CVD设备 （Plasma Enhanced CVD）
• 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。
第3章7外延工艺
2020/11/26
第3章7外延工艺
材料 SiO2 PSG BPSG SiN4 Polysilicon WSix W
方式 AP,LP,PE AP,PE AP,PE PE LP LP LP
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
• 中科院物理所的分子束外延设备
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/26
第3章7外延工艺
• 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来自无毒、助燃 有毒、不易燃 堕性 惰性
• 国内方大公司的MOCVD反应装置
分子束外延
分子束外延（MBE molecular beam epitaxy）是在超高真空（10-8Pa） 一个或多个热原子或热分子束和晶体表面反应的外延工艺。MBE能够非 常精确地控制化学组成和参杂浓度。厚度只有原子层量级的单晶多层结 果可用MBE制作。因此，MBE法可用来精确制作半导体异质结构，其薄 膜层可从几分之一微米到单层原子。对砷化镓而言，厚度一般在1微米。
了低温下获取高质量薄膜。
• 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
MOCVD3
MOCVD4
3.7.5 外延新技术
• 1 分子束外延 • 10-8~10-9Pa，加热外延层组分元素使之形成定向
分子流，即分子束。 • 该分子束射向具有一定温度的衬底（一般为
400~800℃），沉积在表面形成单晶外延层。 • 生长速度：0.01~0.03µm/min。 • 外延层质量好，杂质分布及外延层厚度可控。 • 生长速度慢，且设备昂贵。
• 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
体传输系统、排气系统及工艺控制系统
低压LPCVD
低压化学气相淀积 LPCVD反应器
等离子体化学气相淀积 PECVD反应器
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。
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。
• 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。
• 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
• 3、氮化硅
• 氮化硅的用处：场氧化掩蔽膜、钝化层
• 4、多晶硅CVD
3.7.4 金属材料CVD
• 硅化钨（Polycide结构）
• 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。
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
件的保护层。
• 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。
• 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：
• 后者已TEOS为主的SiO2LPCVD，阶梯覆盖能力 甚佳，应用较广。
• 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
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10-
1Pa； • 工作气压：10-1-
103Pa； • 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
多功能等离子体CVD设备 （Plasma Enhanced CVD）
• 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。
第3章7外延工艺
2020/11/26
第3章7外延工艺
材料 SiO2 PSG BPSG SiN4 Polysilicon WSix W
方式 AP,LP,PE AP,PE AP,PE PE LP LP LP
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
• 中科院物理所的分子束外延设备
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/26
第3章7外延工艺
• 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来自无毒、助燃 有毒、不易燃 堕性 惰性
• 国内方大公司的MOCVD反应装置
分子束外延
分子束外延（MBE molecular beam epitaxy）是在超高真空（10-8Pa） 一个或多个热原子或热分子束和晶体表面反应的外延工艺。MBE能够非 常精确地控制化学组成和参杂浓度。厚度只有原子层量级的单晶多层结 果可用MBE制作。因此，MBE法可用来精确制作半导体异质结构，其薄 膜层可从几分之一微米到单层原子。对砷化镓而言，厚度一般在1微米。
了低温下获取高质量薄膜。
• 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
MOCVD3
MOCVD4
3.7.5 外延新技术
• 1 分子束外延 • 10-8~10-9Pa，加热外延层组分元素使之形成定向
分子流，即分子束。 • 该分子束射向具有一定温度的衬底（一般为
400~800℃），沉积在表面形成单晶外延层。 • 生长速度：0.01~0.03µm/min。 • 外延层质量好，杂质分布及外延层厚度可控。 • 生长速度慢，且设备昂贵。
• 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
体传输系统、排气系统及工艺控制系统
低压LPCVD
低压化学气相淀积 LPCVD反应器
等离子体化学气相淀积 PECVD反应器
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。
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。