集成电路制造工艺作者刘新彭勇蒲大雁主编第5章外延工艺课件.pptxVIP

第5章 外延工艺本章的学习目标： 1.掌握外延的概念。 2.了解外延的分类及作用。 3.了解常用的外延系统及设备。 4.掌握气相外延原理、设备及工艺流程。 5.掌握分子束外延原理、设备及工艺流程。5.1 外延外延(Epitaxis)是指在硅单晶衬底（wafer）上生长一层硅单晶薄膜的工艺，新生的单晶薄膜即外延层。外延单词的字母是由两个希腊字母(epi意义为“在上面的”，taxis 意思为“有序的”)拼写而成,其意思为在一个晶体衬底上生成结晶薄层的方法。1. 外延的分类 1.按外延层/衬底材料分类 2.根据工艺方法分类 3.按工艺温度分类 4.按外延层/衬底电阻率分类2. 外延的作用(1) 提高了器件性能和集成度;(2) 提高电路速度;(3) 改善电路的功率特性与频率特性(4) 外延提高双极型晶体管性能 图5-2 pn结隔离结构剖示图图5-1 n+pn-型外延晶体管芯片剖示图5.外延改善NMOS电路性能6.外延改善CMOS电路性能图5-3 制作在外延层上的双阱CMOS电路剖示图?3.外延材料参数的选定（1）外延导电类型的选定；（2）外延厚度的选择；（3）外延电阻率的选定；（4）外延层晶向。4. 硅源的选择（1）SiCl4：价格低廉，使用甚广；室温下为液体，蒸汽压低。 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）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。（4）SiH4:为气体，用于较低温度（950～1000℃）下薄层硅外延。?5.2外延设备1. 外延设备系统组成图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 立式反应室图5-7筒式反应室3.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。外延生长从生长机构来分，外延方法可以归纳为直接生长法和间接生长法。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。图5-8 外延生长过程 3. 外延前工艺准备硅片外延生长前,先要作如下一些工作:（1）衬底材料初选：检查衬底片的机械尺寸，电阻率范围，抛光质量乃至有害杂质含量。（2）清洗硅片：去掉表面驻点，油污，吸附有机物，金属杂质残余物。清洗系统，反应室及支座。（3）硅片清洗后抽样镜检。合格者待用，不合格者返工清洗。（4）装调好外延系统并检查（包括检漏）完好，准备外延启用。（5）按工艺要求和工艺设计拟订好工艺条件。（6）安全措施检查。（7）外延前的HCl和H2处理。4. 外延工艺流程 （1）清洁 常用的清洁方法有两种： a.将衬底置于温度高于1000的氢气气氛中，使硅表面的自然氧化层与氢气反应生成一氧化硅和水气。 b.将衬底置于温度高于850的超高真空中，使氧化层自然脱附，用等离子体刻蚀去除二氧化硅。（2）装炉装炉就是将清洁好的wafer放在已处理好的石墨基座上，装入反应炉内。装炉之前，应先通入氮气或氢气净化反应炉，接着再通入HCl气体。（3）换气将氢气通入反应室以排除室内的空气。氢气的流速不能太大，否则，会将炉壁上的杂质吹落到wafer上。（4）升温将反应室内的空气完全排除才可升温，升温速度很快，只需几分钟的时间，温度就可达到1200℃左右。（5）气相抛光气相抛光就是用化学腐蚀的方法除掉wafer表面的氧化层和晶格损伤。气相抛光包括氯化氢抛光、水汽抛光以及氯气抛光三种，通常采用氯化氢抛光。（6）外延生长抛光结束排空室内气体后，通入反应气体，确定好温度、气体流量，即可开始生长。生长过程中，温度、流量不应波动，否则，生长速率会发生变化，继而影响外延层的厚度均匀性、掺杂均匀性。 （7）闭源降温、取片外延生长结束，停止提供反应气体及掺杂源，通入高纯氢气保持恒温片刻，再缓慢降温，温度降至室温后，将氮气通入室内排空氢气，打开反应器，取出生长好外延层的硅片。5. 提高外延工艺质量的方法（1） 减少外延层杂质玷污的方法（2）改善外延均匀性的方法（3）减少外延层自掺杂与外扩散的方法5.4 分子束外延分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）是一种物理气相外延工艺，多用于外延薄层、杂质分布复杂的多层硅外延，也用于