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硅外延及其应用

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ａ ｌ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ １ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｉ ｓ ａ ｌ ｓ ｏ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ．
ＫＥＹ Ｗ ＯＲＤＳ：ＭＢ Ｅ；Ｃ Ｖ Ｄ； Ｌ Ｐ Ｅ； ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｙ ；ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
（ Ｖ Ｐ Ｅ ） 、分子束外延 （ Ｍ Ｂ Ｅ ） 、液 相外延 （ Ｌ Ｐ Ｅ ） 等 ，采用 这些方 法 已经制备 出了 Ｃ ＭＯ Ｓ 产 品 、红外
焦平 面探 测器 、光波 导 、光调制 器等大 量 的半 导体
器件。
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ ￣ ） ４ － ０ ７
ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ： ｍ ｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｂ ｅ ａ ｍ ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｙ（ ＭＢ Ｅ） ， ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｃ Ｖ Ｄ） ， ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ ｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｌ Ｐ Ｅ） ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｂ ａ ｓ ｅ ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｉ —
ｘｕ Ｙｕ ａ ｎ—ｚ ｈ ｉ 一，ＨＵ Ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｗ Ｕ Ｚｈ ｏ ｎ ｇ—ｙ ｕ ａ ｎ
（ １ ．Ｋ ｕ ｎ ｍｉ ｎ ｇ Ｙ ｅ ｙ ａ ｎ Ｎ ｅ ｗ—Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ，Ｋ ｕ ｎ ｍ ｉ ｎ ｇ ， Ｙ ｕ ｎ ｎ ａ ｎ ６ ５ ０ ０ ３ １ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ 廉 、热性 能 与机械性
它具有 标准 Ｐ Ｗ 所不具 有 的某 些 电学特性 并 消除 了
能 优 良、易 于 生 长 大 尺 寸 高 纯 度 晶体 等 优 点 。 目 前 ，硅半 导体 材料仍 是 电子信 息产业 最主要 的基 础
材 料 ，９ ５ ％ 以上 的半 导体 器件 和 ９ ９ ％ 以上 的 集 成
摘
昆明 昆明
６ ５ ０ ０ ３ １ ； ６ ５ ０ ５ ０ ０ ）
要 ：介绍 了硅外延生 长技术 ，综述 了应用于硅外延 的分子束外延 （ ＭＢ Ｅ） 、化学气相沉积 （ Ｃ Ｖ Ｄ ） 、液相
沉积 （ Ｌ Ｐ Ｅ）三种工艺 ，并介绍 了 ｓ ｉ 基外延材料器件 的应用 。
关 键 词 ：Ｍ Ｂ Ｅ ；Ｃ Ｖ Ｄ；Ｌ Ｐ Ｅ；硅 外 延 ；应 用
片。半导体硅材料 自从 ６ ０年代被广泛应用于各类 电 子 元 器 件 以 来 ，其 用 量 保 持 高 速 增 长 。Ｓ Ｅ ＭＩ
（ 国际半导体 设备 与材料 协会 ）报 告预测 了晶圆 的 需 求 前景 ，２ ０ １ ３年 预计 ９ ９ ． ９ ５亿 ｉ ｎ （ 不 包括 非 抛 光硅 片 ） 。２ ０世 纪 ８ ０年 代 早 期 开 始 使 用 外 延 片 ，
Ｉ Ｃ芯片 用硅 片分别 采用 硅抛 光 片 （ Ｐ Ｗ） 和硅 外 延 片以及 非抛 光片三种 类 型 ，用 量最多 的为前 二类 硅
储器 、Ｄ Ｒ Ａ Ｍ 等 ，在 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ电 路 中应 用 最 广 泛 ，
在提 高器 件性能 和芯 片成 品率方 面 ，比抛 光 片更有 优势 。外延 生长 是制备 半导体 材料 和器件 的一项 重 要技 术 。外 延 生 长 的方 法 很 多 ，主 要 有 气 相 外 延
ＡＢ Ｓ ＴＲＡＣＴ ： Ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｙ ｇ ｒ ｏ ｗ ｔ ｈ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｋ ｉ ｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｔ ｏ ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｙ ａ ｒ ｅ ｓ ｕ ｍ ｍ ａ －
许多在 晶体 生长 和其后 的 晶片加工 中所引 入 的表 面 ／ 近表 面缺 陷 。因 此 ，硅 外 延 片 广泛 应 用 于制 作 不
可恢 复 器 件 ，包 括 Ｍ Ｐ Ｕ、逻 辑 电路 芯 片 、快 闪 存
电路 （ Ｉ Ｃ ） 是用 硅 材料 制 作 的 。在 ２ ｌ世 纪 ，它 的 主导 和核 心 地 位 仍 不 会 动 摇 。半 导 体 制 造 商 生 产
中图分类号 ：Ｔ Ｎ ３ ４． ０ １ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ６ － ０ ３ ０ ８（ ２ ０ １ ３ ）０ ３ ００ － ４ ６ ０５ －
Ｅｐｉ ｔ ａ ｘ ｉ ａ ｌ Ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｉ ｔ ｓ Ａｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
２． Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｃｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｋｕ ｎ ｍｉ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，
Ｋ ｕ ｎ ｍ ｉ ｎ ｇ ， Ｙ ｕ ｎ ｎ ａ ｎ ６ ５ ０ ５ ０ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
２ ０ １ ３年 ６月
云南冶金
ＹＵＮＮＡＮ ＭＥ ＴＡＬ ＬＵＲＧＹ
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０ １ ３
第４ ２卷第 ３期 （ 总第 ２ ４ ０期 ）
Ｖ ｏ １ ． ４ ２ ．Ｎ ｏ ． ３（ Ｓ ｕ ｍ２ ４ ０ ）
硅 外 延 及其 应 用
徐 远 志 ，胡 亮 ，吴 忠元
（ １ ． 昆明冶研 新材 料股份 有 限公 司 ，云南 ２ ． 昆明理工 大学化 学工 程学 院 ，云 南

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外延工艺简介

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。

SIC外延生长法的工艺流程

SIC外延生长法的工艺流程

SIC外延生长法的工艺流程SIC外延生长法的工艺流程序号：1SIC外延生长法是一种重要的半导体材料生长技术，被广泛应用于功率电子、射频器件和光电子器件等领域。

它通过在SIC衬底上连续沉积SiC晶体层，实现了对SiC材料的高质量控制和大面积生长。

在本文中，我们将深入探讨SIC外延生长法的工艺流程，以帮助读者更好地理解和学习该技术。

序号：2SIC外延生长法的基本原理是在惰性气体气氛中，通过化学气相沉积（CVD）的方法，将硅和碳源气体分解成SiC气体，然后在SIC衬底上沉积成SIC晶体层。

在整个工艺过程中，需要控制好气氛、温度和气体流量等参数，以保证SIC晶体层的质量和厚度的一致性。

序号：3具体而言，SIC外延生长法的工艺流程可以分为以下几个关键步骤：a. 衬底准备：选择合适的SIC衬底，并进行表面处理，以去除杂质和缺陷。

通常使用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等方法来制备合适的SIC衬底。

b. 热解预处理：将SIC衬底放置在高温炉中，通过热解预处理，去除表面的氧化物和其它杂质。

这一步骤也有助于提高SIC晶体层的生长质量。

c. 生长条件控制：在热解预处理后，将SIC衬底放置在CVD反应室中。

控制好反应温度、压力和气体流量等参数，以实现SiC晶体层的均匀和连续生长。

通常，选择适当的碳源和硅源气体，如甲烷（CH4）和四氯化硅（SiCl4），作为SIC生长的原料气体。

d. 控制生长时间：根据所需的SIC晶体层厚度和生长速率，控制生长时间。

通过调整反应室中的反应气体流量和温度，可以有效控制SIC晶体层的生长速率。

e. 冷却和退火：在SIC晶体层生长完成后，将SIC衬底从反应室中取出，并进行冷却和退火处理。

这一步骤有助于提高晶体层的结晶质量、降低残余应力，并改善界面的质量。

序号：4总结回顾：SIC外延生长法是一种关键的半导体材料生长技术，其工艺流程包括衬底准备、热解预处理、生长条件控制、控制生长时间以及冷却和退火等关键步骤。

硅集成电路工艺基础7-文档资料

硅集成电路工艺基础7-文档资料


上节课内容小结
铝的化学气相沉积
优点：①CVD铝对接触孔有很好的填充性； ②较低的电阻率(与钨相比)； ③一次完成填充和互连。
MOCVD Al：沉积温度低200度 Al的有机化合物有毒、易燃、接触水会爆炸，必须密封保存，合理操作。 化学性质活泼，必须低温保存，进入反应室前，采取措施以保持稳定性 CVD铝抗电迁移能力差：CVD铝铜合金
上节课内容小结
TiN的化学气相沉积
在ULSI互连系统中，使用铝合金、铜、钨等金属作为互连线或者填充接 触孔和通孔，在这层金属下面要先淀积一层TiN薄膜。其作用是： ➢对于铝合金层，它作为扩散阻挡层防止在金属互连层之间形成接触点； ➢对于钨或铜的覆盖层，它既作为扩散阻挡层又作为附着层，称为衬垫。
CVD的TiN薄膜保形性好，可以形成理想的填充 LPCVD：沉积温度高，600度以上，超过了Al能承受的范围，只能用于接 触孔的淀积。 MOCVD：淀积温度低， 400度以下，在接触孔和通孔中都能使用。
上节课内容小结
硅化钨的化学气相沉积
ploycide（多晶硅/难熔金属硅化物）多层栅结构 WF6 (气) 2SiH4 (气） WSi (固） 6HF (气) H2 (气)
采用DCS和WF6反应生成WSix薄膜的台阶覆盖好一些，且碎裂剥 落也不太严重，因而用DCS取代了SiH4进行CVD硅化钨。 WF6 (气) 3.5SiH2Cl2 (气） WSi2 (固）1.5SiCl4 (气) 6HF (气) HCl (气)
➢在TEOS/O3淀积SiO2层； ➢再用PECVD方法淀积一层SiO2作为保护层，避免氧化层中含有的Si-OH键吸收水
汽。
上节课内容小结
CVD掺杂二氧化硅 1. 磷硅玻璃
PSG在高温下可以流动，从而可以形成更为平坦的表面，使随后淀积的 薄膜有更好的台阶覆盖。 回流平坦化温度1000-1100 ℃ 。 磷最好限制在6-8wt％。
外延一

外延一


→ H2清洗→降温→ N2冲洗
7.2.1 硅的气相外延工艺
硅外延工艺过程
外延生长 N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850°C→升温至 1170°C→HCl排空→HCl抛光→ H2冲洗附面层→ 外延生长→ H2冲洗→降温→ N2冲洗
HCl抛光工序：腐蚀硅表面，露出新鲜有完整 晶格的硅表面；
作业
1. 淀积薄膜需要满足哪些质量要求？并解释各个特性参数 的概念。 2. 简述CVD和PVD的工艺原理。 3. 集成电路工艺中常用的薄膜都有哪些？并具体阐述其中 三种常用薄膜的工艺方法。 4. 解释以下几个物理概念：辉光放电，台阶覆盖特性，气 缺现象，钨插塞，等离子体，单晶硅和多晶硅。 5. 比较APCVD,LPCVD和PECVD的各自特点。 6. 比较不同硅源的APCVD-SiO2的工艺方法。 7. 热氧化与CVD生长的SiO2薄膜有什么不同？ 8. CVD生长SiO2薄膜常用的三种硅源反应剂分别是什么？ TEOS/O3技术淀积SiO2薄膜的优点和存在的问题。
H2冲洗附面层：去除HCl等气体。
7.2.1 硅的气相外延工艺
硅外延生长模型
同质外延层是生长在完整晶体的某个晶面上，晶面的构造特征描述为：
平台、扭转、台阶，是切割硅片时偏离了晶向产生的，这样的表面
称为近晶面。
平台 单原子层阶梯 Kink
Adatom 阶梯原子
平台空位
7.2.1 硅的气相外延工艺
氢还原SiCl4析出硅原子过程； 硅原子在衬底上生成单晶层的过程。
速度较慢的一个
将决定外延生长速率。
7.2.2 影响外延生长速率的因素
外延生长速率与反应剂浓度的关系
当SiCl4浓度较小时： SiCl4被氢还