微电子工艺(3)外延

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）。

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

生长速率的增加而下降；低温下， Nf∝ HPf0，且H 随生长速率的增加而增加，因此掺杂浓度与生长速率 成正比；。
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

3.1 外延生长 3.3 光刻原理与流程 3.4 氧化 3.6 掺杂原理与工艺
3.2 掩膜版制作 3.5 淀积与刻蚀
第3章微电子概论IC制造工艺
3.3 光刻（Lithography）原理与流程
在IC的制造过程中，光刻是 多次应用的重要工序，其作用是 把掩膜上的图型转换成晶圆上的 器件结构。
第3章微电子概论IC制造工艺
第3章微电子概论IC制造工艺
1. 液态生长（LPE，Liquid Phase Epitaxy）
LPE意味着在晶体衬底上用金属性的溶液形成一个薄层 。在加热过的饱和溶液里放上晶体，再把溶液降温， 外延层便可形成在晶体表面。原理在于溶解度随温度
的变化而变化。
LPE是最简单廉价的外延生长方法，在III/IV族化合物 器件制造中有着广泛的应用。但其外延层的质量不高 。
3.3.1 光刻步骤
一、 晶圆涂光刻胶：
清洗晶圆，在200℃温度下烘干1小时，目的是防止水汽引 起光刻胶（即抗蚀剂，光照后能改变抗蚀能力的高分子化合物 ）薄膜出现缺陷。
待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。 光刻胶有两种：负性（negative）与正性（positive）。正性 胶显影后去除的是经曝光的区域的光刻胶，负性胶显影后去除 的是未经曝光的区域的光刻胶。正性胶适合作窗口结构，如接 触孔、焊盘等，而负性胶适用于做长条形状如多晶硅和金属布 线等。 常用OMR83，负片型。 光刻胶对大部分可见光灵敏，对黄光不灵敏，可在黄光下 操作。
第3章微电子概论IC制造 工艺
2020/11/26
第3章微电子概论IC制造工艺
3.1 外延生长（Epitaxy）
1. 外延生长的目的 半导体工艺流程中的基片是抛光过的晶圆基片，直径在
50300mm（212英寸）之间，厚度约几百微米。 尽管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上，但大多数