关于集成电路制造工艺介绍

集成电路制造工艺原理课程总体介绍：1 课程性质及开课时间：本课程为电子科学与技术专业（微电子技术方向和光电子技术方向）的专业选修课。本课程是半导体集成电路、晶体管原理与设计和光集成电路等课程的前修课程。本课程开课时间暂定在第五学期。2 参考教材：半导体器件工艺原理 国防工业出版社 华中工学院、西北电讯工程学院合编半导体器件工艺原理（上、下册）国防工业出版社 成都电讯工程学院编著半导体器件工艺原理上海科技出版社半导体器件制造工艺上海科技出版社集成电路制造技术-原理与实践电子工业出版社超大规模集成电路技术基础 电子工业出版社超大规模集成电路工艺原理-硅和砷化镓 电子工业出版社 3 目前实际教学学时数：课内课时54学时4 教学内容简介：本课程主要介绍了以硅外延平面工艺为基础的，与微电子技术相关的器件（硅器件）、集成电路（硅集成电路）的制造工艺原理和技术；介绍了与光电子技术相关的器件（发光器件和激光器件）、集成电路（光集成电路）的制造工艺原理，主要介绍了最典型的化合物半导体砷化镓材料以及与光器件和光集成电路制造相关的工艺原理和技术。5 教学课时安排：(按54学时)课程介绍及绪论 2学时第一章 衬底材料及衬底制备 6学时第二章 外延工艺 8学时第三章 氧化工艺 7学时第四章 掺杂工艺 12学时第五章 光刻工艺 3学时 第六章 制版工艺 3学时 第七章 隔离工艺 3学时 第八章 表面钝化工艺 5学时 第九章 表面内电极与互连 3学时 第十章 器件组装 2学时课程教案:课程介绍及序论 （ 2学时）内容：课程介绍：1 教学内容 1.1与微电子技术相关的器件、集成电路的制造工艺原理 1.2 与光电子技术相关的器件、集成电路的制造 1.3 参考教材2 教学课时安排3 学习要求序论：课程内容：1 半导体技术概况1.1 半导体器件制造技术1.1.1 半导体器件制造的工艺设计1.1.2 工艺制造1.1.3 工艺分析1.1.4 质量控制1.2 半导体器件制造的关键问题1.2.1 工艺改革和新工艺的应用1.2.2 环境条件改革和工艺条件优化1.2.3 注重情报和产品结构的及时调整1.2.4 工业化生产2 典型硅外延平面器件管芯制造工艺流程及讨论2.1 常规npn外延平面管管芯制造工艺流程2.2 典型 pn隔离集成电路管芯制造工艺流程2.3 两工艺流程的讨论2.3.1 有关说明2.3.2 两工艺流程的区别及原因课程重点：介绍了与电子科学与技术中的两个专业方向（微电子技术方向和光电子技术方向）相关的制造业，指明该制造业是社会的基础工业、是现代化的基础工业，是国家远景规划中置于首位发展的工业。介绍了与微电子技术方向相关的分离器件（硅器件 ）、集成电路（硅集成电路）的制造工艺原理的内容，指明微电子技术从某种意义上是指大规模集成电路和超大规模集成电路的制造技术。由于集成电路的制造技术是由分离器件的制造技术发展起来的，则从制造工艺上看，两种工艺流程中绝大多数制造工艺是相通的，但集成电路制造技术中包含了分离器件制造所没有的特殊工艺。介绍了与光电子技术方向相关的分离器件、集成电路的制造工艺原理的内容。指明这些器件（发光器件和激光器件）和集成电路（光集成电路）多是由化合物半导体为基础材料的，最常用和最典型的是砷化镓材料，本课程简单介绍了砷化镓材料及其制造器件时相关的工艺技术与原理。在课程介绍中，指出了集成电路制造工艺原理的内容是随着半导体器件制造工艺技术发展而发展的、是随着电子行业对半导体器件性能不断提高的要求（小型化、微型化、集成化、以及高频特性、功率特性、放大特性的提高）而不断充实的。综观其发展历程，由四十年代末的合金工艺原理到五十年代初的合金扩散工艺原理，又由于硅平面工艺的出现而发展为硅平面工艺原理、继而发展为硅外延平面工艺原理，硅外延平面工艺是集成电路制造的基础工艺；在制造分离器件和集成电路时，为提高器件和集成电路的可靠性、稳定性，引入了若干有实效的保护器件表面的工艺，则加入了表面钝化工艺原理的内容；在制造集成电路时，为实现集成电路中各元器件间的电性隔离，引入了隔离墙的制造，则又加入了隔离工艺原理的内容。因此，集成电路工艺原理=硅外延平面工艺原理+表面钝化工艺原理+隔离工艺原理，而大规模至甚大规模集成电路的制造工艺，只不过是在掺杂技术、光刻技术（制版技术）、电极制造技术方面进行了技术改进而已。介绍了半导体技术概况，指出半导体技术是由工艺设计、工艺制造、工艺分析和质量控制四部分构成。工艺设计包含工艺参数设计、工艺流程设计和工艺条件设计三部分内容，其设计过程是：由器件的电学参数（分离器件电学参数和集成电路功能参数）参照工艺水平进行结构参数的设计；然后进行理论验算（结构参数能否达到器件的电学参数的要求）；验算合格，依据工艺原理和原有工艺数据进行工艺设计。工艺制造包含工艺程序实施、工艺设备、工艺改革三部分内容。工艺分析包含原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析和工艺条件分析等四部分内容，工艺分析的目的是为了工艺改进。质量控制包含分离器件和集成电路的失效机理研究、可靠性分析和工艺参数控制自动化三部分内容。在介绍、讨论、分析的基础上，指明了半导体器件制造中要注意的几个关键问题。介绍了以典型硅外延平面工艺为基础的常规npn外延平面管管芯制造工艺流程和典型 pn隔离集成电路管芯制造工艺流程，并分析了两种工艺的共同处和不同处。 课程难点：半导体器件制造的工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容；工艺流程设计包含的具体内容；工艺条件设计包含的具体内内容。工艺制造涉及的具体内容，工艺线流程与各工序操作流程的区别。半导体器件制造的工艺分析所涉及的四部分内容，进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的意义何在；如何对应器件的不合格性能参数，通过上述四项分析进行工艺改进，从而得到合格性能参数。半导体器件制造的质量控制须做哪些工作，为什么说通过质量控制，器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度。什么是工艺改革和新工艺的应用？什么是环境条件改革和工艺条件优化？为什么要注重情报和及时调整产品结构？什么是工业化大生产？这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题？为什么说半导体器件制造有冗长的工艺流程？十几步的分离器件制造工艺流程与二十几步的集成电路制造工艺流程有什么区别？集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作，各自有哪几步工艺构成？各起到什么作用？ 基本概念：1 半导体器件-由半导体材料制成的分离器件和半导体集成电路。2半导体分离器件-各种晶体三极管；各种晶体二极管；各种晶体可控硅。3 半导体集成电路-以半导体（硅）单晶为基片，以外延平面工艺为基础工艺，将构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线连接构成的功能电路。4 晶体三极管的电学参数-指放大倍数、结的击穿电压、管子的工作电压、工作频率、工作功率、噪声系数等。5晶体三极管的结构参数-包括所用材料、电性区各层结构参数、器件芯片尺寸、外延层结构参数和工艺片厚度等。6硅平面工艺-指由热氧化工艺、光刻工艺和扩散工艺为基础工艺构成的近平面加工工艺。7硅外延平面工艺-外延工艺+硅平面工艺构成的器件制造工艺。基本要求：要求学生了解本课程的性质，知道学好集成电路制造工艺原理对学习专业课的重要性。掌握半导体器件制造技术中所涉及的四部分内容。了解工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容；工艺流程设计包含的具体内容；工艺条件设计包含的具体内内容。了解工艺制造涉及的具体内容，知道工艺线流程与各工序操作流程的区别是什么。了解半导体器件制造的工艺分析所涉及的四个分析内容，知道进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的指导意义；能够对应器件的不合格性能参数，通过上述四项分析进行工艺改进，从而得到合格性能参数。知道半导体器件制造的质量控制须做哪些工作，能清楚知道通过质量控制，器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度的原因。知道什么是工艺改革和新工艺的应用？什么是环境条件改革和工艺条件优化？为什么要注重情报和及时调整产品结构？什么是工业化大生产？清楚这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题？了解半导体器件制造有冗长的工艺流程，分离器件制造工艺至少有十几步的工艺流程，集成电路制造工艺至少有二十几步的制造工艺流程。知道集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作两大部分，知道制作隔离区的目的何在？制作埋层区的目的何在？清楚隔离制作有哪几步工艺构成？知道隔离氧化、隔离光刻和隔离扩散工艺各自达到什目的；清楚埋层制作有哪几步工艺构成？知道埋层氧化、埋层光刻和埋层扩散工艺各自达到什目的。绪论作业：思考题：2个 第一章 衬底材料及衬底制备 (6学时) 1.1 衬底半导体材料 3学时课程内容： 1 常用半导体材料及其特点 1.1 常用半导体材料1.1.1元素半导体材料1.1.2化合物半导体材料1.2 硅材料的特点1.2.1价格低、纯度高1.2.2 制成的器件能工作在较高温度下1.2.3 电阻率选择范围宽1.2.4 其特有的硅外延平面工艺1.3 砷化镓材料的特点1.3.1 载流子的低场迁移率高1.3.2 禁带宽度更大1.3.3 能带结构更接近跃迁型2 硅、砷化镓的晶体结构及单晶硅体2.1 硅的晶体结构及特点2.1.1 硅的金刚石型晶胞结构2.1.2 硅原子沿111向的排列规律2.2 砷化镓的晶体结构及特点2.2.1 砷化镓的闪锌矿型晶胞结构2.2.2 砷化镓的111向六棱柱晶胞2.2.3 砷化镓的111向特点2.3 硅、砷化镓晶体的制备方法2.3.1 硅单晶体的制备方法2.3.2 砷化镓晶体的制备方法2.4 单晶硅体2.4.1 单晶硅体呈圆柱状2.4.2 单晶硅体上具有生长晶棱3 硅衬底材料的选择3.1 硅衬底材料的结构参数3.1.1 结晶质量3.1.2 生长晶向3.1.3 缺陷密度3.2 硅衬底材料的物理参数3.2.1 电阻率3.2.2 少数载流子寿命3.2.3 杂质（载流子）补偿度3.3 硅衬底材料的电性参数3.4 其它要注意的问题3.4.1 电阻率不均匀性问题3.4.2 重金属杂质和氧、碳含量问题 课程重点: 本节主要介绍了半导体器件（半导体分离器件和半导体集成电路）制造中常用的半导体材料。在硅、锗元素半导体材料中，普遍应用的是硅半导体材料；在锑化铟、磷化镓、磷化铟、砷化镓等化合物半导体材料中，最常应用的是砷化镓半导体材料。分别介绍了硅半导体材料和砷化镓半导体材料各自的特点，相应的应用场合。讨论了硅半导体材料和砷化镓半导体材料的晶体结构，从中可知，虽然硅晶体具有金刚石型晶胞结构，而砷化镓晶体具有闪锌矿型晶胞结构，但从晶胞的构成和某些性质有相似的地方，但 应注意其性质上的根本区别。由硅原子沿111向的排列规律可知，在一个硅晶体的六棱柱晶胞中有七个相互平行的111面；而七个面构成的六个面间有两种面间距，其中一个体现面间距大的特点，另一个体现面间距小的特点；每一个111晶面具有相同的原子面密度；原子平面间是靠共价键连接的，而六个面间有两种面间共价键密度，在三个面间每个原子均为三键连接-体现面间价键密度大的特点，在另三个面间每个原子均为单键连接-体现面间价键密度小的特点。从结构中可知，面间价键密度小的面间同时面间距大，而面间价键密度大的面间同时面间距小，由此引入两个结论：面间价键密度小而同时面间距大的面间，极易被分割，称为硅晶体的解理面；面间价键密度大同时面间距小的面间，面间作用力极强，则被看作是不可分割的双层原子面，即当一个面看待。砷化镓晶体中原子沿111向的排列规律与硅晶体的相似，只不过砷面和镓面交替排列（四个砷面夹着三个镓面或四个镓面夹着三个砷面）而已。还讨论了硅晶体和砷化镓晶体的制备，硅单晶体通常采用直拉法或悬浮区熔法进行生长；砷化镓晶体通常采用梯度凝固生长法或液封式直拉法制备。本节还对半导体器件制造最常用的单晶硅体进行了讨论，可知单晶硅体呈圆柱状，但在单晶硅体上存在与单晶生长晶向相关的生长晶棱；因为与硅原子沿生长晶向排列有关，沿不同晶向生长的单晶硅体上晶棱数目不同，晶棱对称程度也不同。最后讨论了硅单晶的质量参数（硅衬底材料的选择），这对了解硅单晶材料的性能并进而在器件的生产中正确的选择硅衬底材料是至关重要的。 课程难点：硅单晶的晶体结构及结构分析；砷化镓晶体的晶体结构及结构分析。硅单晶的两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论；砷化镓晶体的两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论。硅单晶体的外部特征，导致硅单晶体外部特征与硅单晶体内部结构（原子排列规律）的对应关系分析讨论。硅单晶体的结构参数要求；物理参数要求和电性参数要求。 基本概念： 1 元素半导体材料-完全由一种元素构成的，具有半导体性质的材料 。 2化合物半导体材料-由两种或两种以上的元素构成的，具有半导体性质的材料 。 3面间共价键密度-在相邻原子面间任取一平行平面，单位面积的共价键露头数。 4少子寿命-少数载流子寿命，它反映了少数载流子保持其电性的时间长短，记为。它与单晶体中的缺陷和重金属杂质的多少有关。 5补偿度-载流子补偿度（杂质补偿度），记为M。由于半导体中的杂质全部电离，则其反映了半导体材料中反型杂质的多少。 基本要求：了解用于半导体器件制造的半导体材料的类型，了解元素半导体材料的类型及构成，了解化合物半导体材料的类型及构成。知道半导体器件制造中最常用的硅半导体材料的特点，知道半导体光学器件制造中最常用的砷化镓半导体材料的特点。清楚硅半导体晶体和砷化镓半导体晶体的晶体结构，以及它们的结构特点；知道它们在结构上的相似处和不同处；知道由硅半导体晶体结构分析引入的两个结论，并清楚它们对半导体器件制造的指导意义。了解硅半导体单晶体是如何制备的，清楚其不同的制备工艺；知道砷化镓半导体晶体是如何制备的，及其了解各种制备工艺。清楚知道硅半导体单晶体的外部特征，知道这些外部特征与晶体内部结构之间的密切联系。知道如何进行硅衬底材料的选择，知道在硅单晶的质量参数中结构参数包括哪一些、物理参数包括哪一些、电性参数是指什么；对高要求和高性能的集成电路制造，还应注意哪些材料的质量参数。1.2 硅单晶的定向 2学时 课程内容：1 定向的方法 1.1 根据晶体生长的各向异性定向 1.2 根据晶体解理的各向异性定向 1.3 根据晶体腐蚀的各向异性定向 1.4 光图定向 1.5 x光衍射定向 2 光图定向的方法与原理 2.1 显示晶面解理坑 2.2 晶面解理坑的结构与分布 2.3 光向与晶向 2.4 光图定向仪 2.5 光图定向3. 光图定向器件生产中的应用3.1 定向切割 3.2 定向划片及定位面的制造 课程重点：本节介绍了常规集成电路制造中硅单晶体定向。粗略的可根据晶体生长的各向异性定向、根据晶体解理的各向异性定向、根据晶体腐蚀的各向异性定向；较精确的可进行光图定向；更精确的可进行x光衍射定向。本节主要介绍了常规集成电路制造中最常用的光图定向，根据光图定向的三个必备条件，进行了显示晶面解理坑的讨论；晶面解理坑的结构与分布的讨论；平行光照射晶面解理坑后，得到的反射光象与晶体晶向关系的讨论；讨论了常见的光图定向仪；并对光图定向的设备要求和光图定向步骤进行了讨论。最后，讨论了光图定向在常规集成电路制造中两种常见的应用，定向切割是在一定生长晶向的硅单晶棒上切出所需晶面的硅单晶片；而定位面的制造是为了适应器件生产中的定向划片，指出定向划片可以获得大量完整的管芯，定位面为定向划片提供了划片的参考平面。 课程难点：为什么可根据晶体生长的各向异性、晶体解理的各向异性、晶体腐蚀的各向异性进行定向，与晶体结构的关系如何。在光图定向中，显示晶面解理坑采用了电化学腐蚀，腐蚀前为什么要进行金刚砂研磨？在电化学腐蚀液中，晶格畸变区和晶格完整区各具有不同的性质，进行了什么不同的化学反应，其反应机理是什么。当在低指数晶面的晶片上制备晶面解理坑时，获得的是以平行该低指数晶面的面为底、以111面为侧面围成的平底锥坑，此类结构的形成机理及与晶体结构的关系。光图定向中光象与晶向之间的一一对应关系。考虑定位面划片时就能减少管芯的碎裂的理论依据。 基本概念： 1 光图定向-用平行光照射单晶体上的晶面解理坑，根据反射光象判定、调正晶向的方法。 2晶面解理坑-以低指数晶面围成的、与晶面（晶向）有一定对应关系的晶面腐蚀坑。其侧面为解理面。 3 晶格畸变区-指晶格有损伤的或不完整的区域，该区域存在较大的晶格内应力，内能大。 4晶格完整区-指晶格结构完整或完美的区域，该区域晶格内应力低，内能小。 5 反射光象-用平行光照射晶面解理坑 ，晶面解理坑某组平面对光的反射而得到的光图（光象 ）。 6定向切割-光图定向+垂直切割。 7 定向划片-按规定沿解理向进行划 片的方法。 基本要求：了解硅单晶体定向的目的、可采用的方法、定向原理。知道几种粗略定向方法的理论依据，较精确定向方法间的比较。清楚光图定向的方法和原理，能通过合适方法得到晶面解理坑、能通过一定手段得到反射光象、能由反射光象与晶体晶向的关系分析判定晶向、当晶向有偏离时能通过调整光图调正晶向。知道光图定向是如何在半导体器件制造中得到应用的，知道光图定向在定向切割中所起的作用、知道光图定向如何参与定位面的制作和定位面是如何在定向划片中起到作用的。 1.3 硅衬底制备工艺简介 1学时 课程内容：1 硅单晶的切割 1.1 工艺作用 1.2 切割原理 1.3 切割设备 1.4 切割方法 1.5 切割要求 1.5.1 硅片厚度 1.5.2 硅片两面平行度 1.5.3 硅片厚度公差 1.6 注意事项 2 研磨工艺 2.1 研磨的作用 2.2 研磨的方法 2.2.1 单面研磨 2.2.2 双面研磨 2.3 研磨要求 2.4 影响研磨的因素 2.4.1 磨料的影响 2.4.2 磨盘压力的影响 3 抛光工艺 3.1 抛光的作用 3.2 抛光的要求 3.3 抛光的方法 3.3.1 机械抛光工艺 3.3.1.1 方法及原理 3.3.1.2 优缺点 3.3.1.3 适用范围 3.3.2 化学抛光工艺 3.3.2.1 原理 3.3.2.2 方法 3.3.2.3优缺点 3.3.2.4适用范围 3.3.3 化学机械抛光工艺 3.3.3.1 方法及原理 3.3.3.2化学机械抛光种类 3.3.3.3 抛光过程分析 课程重点：本节简单介绍了衬底制备中切片、磨片和抛光三个工艺的基本情况。关于硅单晶体的切割，讨论了该工艺的四个作用：即决定了所切出的硅单晶片的晶向、晶片厚度、晶片平行度和晶片翘度；讨论了切割原理：实际上是利用了刀片上的金刚砂刀刃对硅单晶棒进行脆性磨削，由于切割刀片的高速旋转和缓慢进刀，而使硅单晶棒变成了一片一片的硅单晶片；介绍了两种切割设备，一种是多用于硅单晶片的切割的内圆切割机，另一种是用于定位面切割的外圆切割机；最后还给出了硅单晶体的切割的要求和注意事项。关于硅单晶片的研磨，讨论了该工艺的四个作用：即去除切片造成的刀痕、调节硅单晶片的厚度、提高硅单晶片的平行度和改善硅单晶片的平整度；讨论了硅单晶片研磨的方法，根据设备的不同分为硅单晶片的单面研磨和硅单晶片的双面研磨，其研磨机理是相同的；讨论了影响硅单晶片研磨的因素，研磨质量主要取决于磨料的质量和磨盘压力的大小。关于硅单晶片的抛光，讨论了该工艺的作用，主要是去除磨片造成的与磨料粒度相当的损伤层，以获得高洁净的、无损伤的、平整光滑的硅单晶片的镜面表面；讨论了抛光工艺的三种抛光方法，即机械抛光、化学抛光和化学机械抛光方法。机械抛光是采用更细的磨料在盖有抛光布的磨盘上进行细磨，由于其工艺过程中无化学反应，则该工艺适用于化合物半导体晶片的表面抛光；化学抛光是利用化学腐蚀的方法对晶片表面进行抛光，它对待研磨片平整度要求较高，化学抛光可分为液相抛光和气相抛光两种抛光方式，由于该抛光工艺抛光速度快、效率高，则该工艺更适用于高硬度衬底表面的抛光（如蓝宝石、尖晶石等）；化学机械抛光是硅单晶片抛光的常用工艺，该工艺综合了机械抛光、化学抛光两种方法的各自的优点，从方法上看，是采用了机械抛光设备而加入了化学抛光剂，化机抛光的种类可分为酸性抛光液抛光和碱性抛光液抛光两种，酸性抛光液抛光有铬离子抛光和铜离子抛光两种方式，碱性抛光液抛光为二氧化硅抛光、也分为胶体二氧化硅抛光和悬浮二氧化硅抛光两种方式。 课程难点：硅单晶切割的方法与原理；硅单晶切割的要求和注意事项。硅单晶片研磨的方法和原理；硅单晶片单面研磨方式和双面研磨方式的区别；注意磨料质量和磨盘压力是如何影响研磨质量的。硅单晶片的三种抛光方法各自的抛光原理与抛光工艺；三种抛光方法各自的应用特点和应用范围。基本概念： 1 晶片的平行度-指某晶片的厚度不均匀 的状况。2晶片的厚度公差-晶片与晶片之间厚度的差别。3晶片的单面研磨 -晶片的单面研磨指将晶片用石蜡粘在压块上，在磨盘上加压对空面进行研磨的方法。4 晶片的双面研磨 指将晶片置于行星托片中，在上、下磨盘中加压进行双面研磨的方法。5 机械抛光-采用极细的磨料、在盖有细密抛光布的抛光盘上对衬底表面进行细磨的工艺过程。6化学抛光-利用化学腐蚀的方法对衬底表面进行去损伤层处理的过程。7 化学机械抛光-采用机械抛光设备、加入化学抛光剂对衬底表面损伤层进行处理的过程。 基本要求：熟知半导体集成电路制造对衬底片的要求，了解衬底制备工艺是如何一步步达到以上要求的。清楚知道晶片切割工艺的方法与原理，了解晶片切割工艺过程，知道晶片切割的工艺要求和注意事项。清楚知道晶片研磨的工艺方法和工艺原理，熟悉两种研磨方法，知道研磨工艺达到的目的和要求，能分析影响研磨质量的各种因素。清楚知道晶片抛光的各种工艺方法和工艺原理，能根据不同的待抛光衬底的实际状况选择合适的抛光方式，合适的抛光方法。 第一章衬底材料及衬底制备作业 思考题3题+习题3题 第二章： 外延工艺原理 （8学时） 2.1 外延技术概述 1.5学时 课程内容：1 外延分类 1.1 由外延材料的名称不同分类 1.2 由外延层材料与衬底材料相同否分类 1.2.1 同质外延 1.2.2 异质外延 1.3 由器件作在外延层上还是衬底上分类 1.3.1 正外延 1.3.2 负外延（反外延） 1.4 由外延生长状态分类 1.4.1 液相外延 1.4.2 气相外延 1.4.3 分子束外延 1.5 由外延生长机构分类 1.5.1 直接外延 1.5.2 间接外延2 外延技术简介2.1 定义2.1.1 外延技术2.1.2 外延层2.2 外延新技术2.2.1 低温外延2.2.2 变温外延2.2.3 分步外延2.2.4 分子束外延3 集成电路制造中常见的外延工艺3.1 硅外延工艺3.1.1 典型外延装置3.1.2硅外延可进行的化学反应3.2 砷化镓外延工艺3.2.1 气相外延工艺3.2.2 液相外延工艺 课程重点：本节介绍了什么是外延？外延技术解决了哪些器件制造中的难题。介绍了外延技术的分类，由外延材料的不同可分为硅外延、砷化镓外延等等；由外延层与衬底材料相同否可分为同质外延和异质外延；由在外延层上还是在衬底上制造器件可分为正外延和负外延（反外延）；由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气相外延和分子束外延；由外延过程中的生长机构可分为直接外延和间接外延。对外延技术做了简单的介绍，给出了外延技术和外延层的定义；介绍了低温外延、变温外延、分步外延和分子束外延几种较新的外延技术。对在集成电路制造中常见的外延工艺做了概述。对硅外延工艺，介绍了其典型外延装置，包括了卧式外延反应器装置、立式外延反应器装置和桶式外延反应器装置；以氢气还原四氯化硅的典型卧式外延反应器装置为例进行了设备介绍，该设备包含了气体控制装置（气体纯化装置、硅化物源纯硅化物源和含杂硅化物源、控制管道及装置等）、高（射）频加热装置（高射频感应信号炉 、可通冷却水的铜感应线圈、靠产生涡流加热的石墨基座）、测温装置及石英管构成的反应器；对硅外延可进行的化学反应进行了讨论，包括氢气还原法中的四氯化硅氢气还原法、三氯氢硅氢气还原法 以及热分解法中的二氯氢硅热分解法、硅烷热分解法。对砷化镓外延工艺，主要介绍了三类外延方法中常见的气相外延工艺和液相外延工艺，在气相外延工艺中，讨论了卤化物外延工艺和氢化物外延工艺；在液相外延工艺中，介绍了液相外延应注意的几个问题、介绍了液相外延生长系统（水平生长系统和垂直生长系统），由于水平生长系统较为常用，所以重点介绍了各种水平液相生长系统。课程难点：外延的定义、外延技术的定义、外延层的定义。在外延分类中，按外延材料不同分类时所包含的种类及其定义；按器件制作的层次不同分类时所包含的种类及其定义；按外延外延层与衬底材料相同或不同分类时所包含的种类及其定义；按外延生长环境状态不同分类时所包含的种类及其定义；按外延生长机构不同分类时所包含的种类及其定义。外延技术解决了半导体集成电路制造中哪些难题？是如何解决的。对于半导体集成电路制造中常见的外延技术，关于硅外延技术的典型生长装置、装置中的主要组成部分、外延中区别两类方式（氢气还原方式、热分解方式）可进行的化学反应；关于砷化镓外延技术的两种外延类型、气相外延工艺中的两种外延方法（卤化物外延工艺、氢化物外延工艺）各自的工艺过程和化学反应状况、液相外延工艺中应注意的问题和几种实际外延系统的外延原理。 基本概念：1 外延-在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上；在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度。晶格完美的新单晶层的过程。2 硅外延-生长硅外延层的外延生长过程。3砷化镓外延-生长砷化镓外延层的外延生长过程。4 同质外延-生长的外延层材料与衬底材料结构相同的外延生长过程。5 异质外延-生长的外延层材料与衬底材料结构不同的外延生长过程。6 正外延-在（外延/衬底）结构上制造器件时器件制造在外延层上的前期外延生长过程。7负外延（反外延）-在（外延/衬底）结构上制造器件时器件制造在衬底上的前期外延生长过程。8液相外延-衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层的外延生长过程。9气相外延-在含有外延生长所需原子的化合物的气相环境中，通过一定方法获取外延生长所需原子，使其按规定要求排列而生成外延层的外延生长过程。10 分子束外延-在高真空中，外延生长所需原子（无中间化学反应过程）由源直接转移到待生长表面上，按规定要求排列生成外延层的外延生长过程。11 直接外延-整个外延层生长中无中间化学反应过程的外延生长过程。12间接外延-外延所需的原子由含其基元的化合物经化学反应得到，然后淀积、加接形成外延层的外延生长过程。13 外延层-由原始衬底表面起始，沿其结晶轴向（垂直于衬底表面的方向）平行向外延伸所生成的新单晶层。14外延技术-生长外延层的技术。基本要求：了解外延技术解决了半导体分离器件和集成电路制造中存在的哪些难题？为什么说外延技术解决了器件参数对材料要求的矛盾、是什么矛盾、如何解决的？为什么说外延技术提供了集成电路隔离的一种方法、什么方法？为什么说外延技术为发光器件、光学器件的异质结形成提供了途径？要求知道外延技术是如何分类的、各种分类中的外延是如何定义的？要求能大致了解较新的外延技术。要求清楚的知道在集成电路制造中常用的硅外延工艺的典型外延装置和外延过程中的所有可能的化学反应；要求清楚的知道在集成电路制造中常用于砷化镓外延工艺中的液相外延的注意事项及液相外延反应系统、气相外延的两种外延工艺及其外延过程中的所有化学反应。 2.2 四氯化硅氢气还原法外延原理 4.5学时 课程内容：2.2.1 四氯化硅的氢气还原法外延生长过程1 化学原理1.1 四氯化硅的氢气还原机理1.1.1 为吸热反应1.1.2 伴有有害副反应1.1.3 整个反应过程分两步进行1.2 反应步骤分析1.2.1 四氯化硅质量转移到生长层表面1.2.2 四氯化硅在生长层表面被吸附1.2.3 在生长层表面上四氯化硅与氢气反应1.2.4 副产物的排除1.2.5 硅原子在生长层表面的加接2 111面硅外延生长的结晶学原理2.1 晶核的形成2.1.1 结晶学核化理论2.1.2 共价键理论2.2 结晶体的形成2.2.1 晶核沿六个110向和六个112向扩展2.2.2 （111）面上的结晶体是六棱形的2.2.3 （111）面上的六棱形结晶体是非对称的2.3 生长面的平坦扩展2.2.2 外延系统及外延生长速率1 外延系统的形态1.1 外延系统的流体形态1.1.1 流体的连续性1.1.2 流体的粘滞性1.2 流体的两种流动形态 1.2.1 流体的紊流态 1.2.2 流体的层流态 1.3 流体形态判据及外延系统中的流体流形 1.3.1平板雷诺数 1.3.2 流体流形判定 1.3.3 外延系统中的流体形态2 外延系统中的附面层概念2.1 速度附面层2.1.1 实际外延系统近似2.1.2 速度附面层定义2.1.3 速度附面层的厚度表达式2.2 质量附面层2.2.1 质量附面层定义2.2.2 质量附面的厚度表达式3 外延生长速率3.1 外延生长模型的建立3.2 外延生长速率3.2.1 外延生长速率的表达式3.2.2 两种极限条件下的外延生长速率4 影响外延生长速率的诸因素4.1 与温度的关系4.1.1 化学反应速率常数与温度的关系4.1.2 气相质量转移系数与温度的关系4.1.3 实际外延温度的选择4.2 与反应剂浓度的关系4.3 与气体流量的关系4.4 与衬底片位置量的关系5 改善外延生长前后不均匀的工艺措施5.1 适当增大混合气体的流量5.2 使基座相对气流倾斜一小角度 课程重点：本节以四氯化硅的氢气还原法外延生长作为重点，讨论了在111面上进行硅外延的所有化学反应机理和结晶生长原理。根据分析可知：整个外延过程实际上是外延生长的化学反应过程与外延生长的结晶过程的连续地、不断地、重复进行的综合过程。本节讨论了外延生长的化学反应原理。由化学反应方程式分析可知：四氯化硅的氢气还原反应是一个吸热反应，只有当外延生长温度大于一千度时，才有明显的化学反应速率，才不影响外延生长的进行；四氯化硅的氢气还原反应伴有若干副反应，这些副反应是指反应剂四氯化硅和反应副产物氯化氢对生长层（衬底）的腐蚀反应，副反应的存在和加强显然会影响和严重影响外延生长速率，本节介绍了这些影响、并对保正外延向正方向进行提出了调控措施；由对化学反应模式分析可知：外延生长的化学反应过程是由两步完成的，其基于化学反应的分子碰撞理论。本节对化学反应的反应步骤进行了分析，它包含了反应剂四氯化硅由气相向生长层表面的质量转移、反应剂四氯化硅在生长层表面被吸附、在生长层表面反应剂四氯化硅与还原剂氢气反应、反应生成的副产物的排出和反应生成的高能、游离态硅原子的淀积、加接等若干过程，而高能、游离态硅原子的如何淀积、加接是外延生长的结晶学原理。本节介绍了外延生长的结晶学过程和结晶学原理，其结晶学过程是由化学反应获得的高能、游离态硅原子淀积于衬底表面上在表面上移动希望按衬底晶格加接首先形成若干分立的（具有原子双层原子面-不可分割厚度的）晶核随其它硅原子在晶核上加接、晶核扩大形成若干分立（非对称六棱形的）结晶体随其它硅原子在结晶体上加接、结晶体扩大若干分立的结晶体连成一片形成一层（具有原子厚度的）新单晶层再在新单晶层形成若干分立的（具有原子厚度的）晶核再晶核扩大形成一定厚度的外延新单晶层；基于上述外延生长的结晶学过程本节就为什么首先形成晶核、形成的晶核为什么是分立的、形成晶核的理论、如何由晶核形成结晶体、结晶体形成受到的结晶学上的限制、为什么在111面上的结晶体是非对称六棱形的等等结晶学问题和原理进行了讨论。本节还对 外延系统及外延生长速率进行了介绍和讨论。关于外延生长系统，对典型的卧式外延生长反应器系统进行了形态讨论，指出外延生长反应系统是一个流体系统、介绍了流体的两个性质、给出了流体的两种流动形态、流体形态判据和判定、以及对实际外延系统中的流体形态进行了讨论，在本部分讨论中涉及了部分流体力学的内容。为了更好的讨论外延生长速率，本节还给出了附面层的概念，由于流体的粘滞性而导致外延基座上方的流体流速存在变速的区域，由此引入了速度附面层的概念，同时给出了速度附面层的厚度表达式；由于速度附面层的存在，导致外延基座上方的极小区域内存在反应剂浓度的变化，由此引入了质量附面层的概念，同时给出了质量附面层的厚度表达式。在外延生长速率的讨论中，建立了外延生长模型、由模型讨论得到了外延生长速率的表达式、对外延生长速率的表达式进行了极限分析；讨论了影响外延生长速率的温度因素、反应剂浓度因素、混合气体流量因素、以及在外延生长系统中，衬底片位置量的变化外延生长速率的影响；为了改善外延生长前后不均匀的现象，本节给出了两个工艺措施。 课程难点：首先要对外延生长过程有一个整体的概念。在111面上进行四氯化硅的氢气还原外延生长的化学反应原理，其反应过程、反应中的状态、反应中的步骤、化学反应的正反应和副反应（包含逆反应）。四氯化硅的氢气还原外延生长的结晶学原理，其外延生长的结晶过程、结晶学的成核理论（结晶学理论和共价键理论）、晶核扩展理论、结晶体的形成、结晶体扩展理论、以及外延层的厚度长成和平坦扩展理论。实际卧式外延反应系统的分析，为流体系统、具有流体的两个特性、流体的两种流动形态、流体流形的判据和判定、实际外延系统的流体流形。外延生长系统中两个附面层的定义、表达式及对外延生长的指导意义。外延模型的建立、理解和分析；外延模型对推导外延生长速率的指导意义；应用外延生长速率简化表达式的极限条件分析；影响外延生长速率的各种因素讨论及分析。基本概念： 1 外延生长过程-外延化学反应过程与外延结晶过程的连续、不断、重复进行的全过程。 2歧化特性-指一种物质在同一个反应中既起氧化剂的作用又起还原剂作用的性质。 3 歧化反应-符合歧化特性的化学反应。 4表面吸附-指固体表面对气相物质的吸引、固定。 5 流体的粘滞性-当流体饶流固体表面时，由于分子（原子）间的作用力（吸引力），使原来等速流进的流体在固体表面上方出现非等速流进的的现象，称为粘滞现象；流体的这种性质称为粘滞性。 6流体的连续性-指流体是由无数连续运动的微团构成，在自然界无间断点的性质。 7流体的紊流态-指流体中连续运动的微团运动处于杂乱无章的状态，也称湍流态。 8流体的层流态-指流体中连续运动的微团运动有序，形成彼此互不干扰的流线（流层）的状态。 9速度附面层-由于流体的粘滞作用，而使外延平板基座上方流体流速分布受到干扰的区域。由于该区域中的流体流速滞慢于层外，也称为滞流层。 10质量附面层-外延平板基座上方、速度附面层内，反应剂浓度（质量）有较大变化的区域。 11反应剂的气相质量转移系数-单位时间内，由气相到达单位面积表面的反应剂粒子数。 12 自掺杂效应指在外延过程中，气氛对衬底表面的腐蚀而使主气流中杂质浓度起变化，从而造成前、后硅片的掺杂浓度不同的现象。 基本要求：熟知外延生长过程的定义，知道外延生长过程是由外延化学反应过程与外延结晶过程的连续、不断、重复进行构成的。知道在111面上进行四氯化硅的氢气还原外延生长的化学反应原理，其反应过程、反应中的状态、反应中的步骤、化学反应的正反应和副反应（包含逆反应）；知道化学反应的副反应（包含逆反应）对外延生长的不利影响，以及是如何影响的；清楚为什么该外延生长的化学反应不能一步进行，而两步进行的可能性更大；清楚最可能的第二步反应是歧化反应，歧化反应是如何定义