集成电路制造工艺原理75

1、集成电路制造工艺原理课程总体介绍：.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。.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-硅和神化钱电子工业出版社.目前实际教学学时数：课内课时

2、 54学时.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种化线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） 课程介绍及绪论第一章衬底材料及衬底制备第二章外延工艺第三章氧化工艺第四章掺杂工艺第五章光刻工艺第六章制版工艺第七章隔离工艺2学时6学时8学时7学时12学时3学时3学时3学时第八章表面钝化工

3、艺第九章表面内电极与互连学时第八章表面钝化工艺第九章表面内电极与互连第十章器件组装5学时3学时2学时课程教案：课程介绍及序论（2学时）内容：课程介绍：教学内容与微电子技术相关的器件、集成电路的制造工艺原理与光电子技术相关的器件、集成电路的制造参考教材2教学课时安排3学习要求序论：课程内容：1半导体技术概况半导体器件制造技术半导体器件制造的工艺设计工艺制造工艺分析质量控制半导体器件制造的关键问题工艺改革和新工艺的应用环境条件改革和工艺条件优化注重情报和产品结构的及时调整工业化生产2典型硅外延平面器件管芯制造工艺流程及讨论常规npn外延平面管管芯制造工艺流程典型pn隔离集成电路管芯制造工艺流程两工

4、艺流程的讨论有关说明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

5、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 典型的是神化钱材料，本课程简单介绍了神化钱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

6、，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

7、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

8、。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

9、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

10、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

11、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

12、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：

13、2个第一章衬底材料及衬底制备（6学时）学时衬底半导体材料3学时课程内容：常用半导体材料及其特点常用半导体材料元素半导体材料化合物半导体材料硅材料的特点价格低、纯度高制成的器件能工作在较高温度下电阻率选择范围宽其特有的硅外延平面工艺种化钱材料的特点载流子的低场迁移率高禁带宽度更大能带结构更接近跃迁型硅、神化线的晶体结构及单晶硅体硅的晶体结构及特点硅的金刚石型晶胞结构硅原子沿111向的排列规律种化线的晶体结构及特点种化钱的闪锌矿型晶胞结构神化钱的111向六棱柱晶胞神化钱的111向特点硅、神化铁晶体的制备方法硅单晶体的制备方法神化铁晶体的制备方法单晶硅体单晶硅体呈圆柱状单晶硅体上具有生长晶棱硅衬底材

14、料的选择硅衬底材料的结构参数结晶质量生长晶向缺陷密度硅衬底材料的物理参数电阻率少数载流子寿命杂质（载流子）补偿度硅衬底材料的电性参数其它要注意的问题电阻率不均匀性问题重金属杂质和氧、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、错元素半导体材料中，普遍应用的是硅半导体材料；在 睇化钿、磷化铁、磷化钿、神化钱等化合物半导体材料中，最常应用的是神化钱半导 体材料。分别介绍了硅半导体材料和神化钱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神化钱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，而神化铁晶体

15、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-体现面问价键密度小的特点。从结构中可知，面 问价键密度小的面间同时面间距大，而面问价键密度大的面问同时面间距小，由此引 入两个结论

16、：面问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；面问价键密度大同时面间距小的面问，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。神化钱晶体中原子沿111向的排列规律与硅晶体 的相似，只不过神面和钱面交替排列（四个础面夹着三个钱面或四个钱面夹着三个神 面）而已。还讨论了硅晶体和神化铁晶体的制备，硅单晶体通常采用直拉法或悬浮区 熔法进行生长；神化线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

17、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；础化铁晶体的晶体结构及结构分析。硅单 品的两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论；神化钱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

18、-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神化钱半导体材料的特点。 清楚硅半导体晶体和

19、神化线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；知道神化线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。硅单晶的定向2学时课程内容：定向的方法根据晶体生长的各向异性定

20、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光图定向x光衍射定向光图定向的方法与原理显示晶面解理坑晶面解理坑的结构与分布光向与晶向光图定向仪光图定向. 光图定向器件生产中的应用定向切割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

21、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，晶格畸变区和品格 完整区各具有不同的性质，进行了什么不

22、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 象与品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，该区域存在较大的品格内应力，内能大。4品格完整区-指晶格结构完整或完美的区域，该区域品格内应力低，

23、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

24、划片中起到作用的。硅衬底制备工艺简介1学时课程内容：硅单晶的切割工艺作用切割原理切割设备切割方法切割要求硅片厚度硅片两面平行度硅片厚度公差注意事项研磨工艺研磨的作用研磨的方法单面研磨双面研磨研磨要求影响研磨的因素磨料的影响磨盘压力的影响抛光工艺抛光的作用抛光的要求抛光的方法机械抛光工艺方法及原理优缺点适用范围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

25、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

26、双面研磨，具研磨机理是相同的；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

27、、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，酸性抛光液抛光有铭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

28、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

29、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 2.1外延技术概述（8 2.1外延技术概述（8学时）1.5学时课程内容：外延分类由外延材料的名称不同分类由外延层材料与衬底材料相同否分类同质外延异质外延由器

30、件作在外延层上还是衬底上分类正外延负外延（反外延）由外延生长状态分类液相外延气相外延分子束外延由外延生长机构分类直接外延间接外延外延技术简介定义外延技术外延层外延新技术低温外延变温外延分步外延分子束外延集成电路制造中常见的外延工艺硅外延工艺典型外延装置硅外延可进行的化学反应种化钱外延工艺气相外延工艺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、神化钱外延等等；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

31、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）、

32、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。对神化钱外延工艺，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

33、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 神化钱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

34、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种化钱外延-生长神化钱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

35、-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

36、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神化钱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

37、外延的两种外延工艺及其外延过程中的所有化学反应。4.5学时四氯化硅氢气还原法外延原理4.5学时课程内容：四氯化硅的氢气还原法外延生长过程化学原理四氯化硅的氢气还原机理为吸热反应伴有有害副反应整个反应过程分两步进行反应步骤分析四氯化硅质量转移到生长层表面四氯化硅在生长层表面被吸附在生长层表面上四氯化硅与氢气反应副产物的排除硅原子在生长层表面的加接111 面硅外延生长的结晶学原理晶核的形成结晶学核化理论共价键理论结晶体的形成晶核沿六个110向和六个112向扩展(111)面上的结晶体是六棱形的(111)面上的六棱形结晶体是非对称的生长面的平坦扩展外延系统及外延生长速率外延系统的形态外延系统的流体形态

38、流体的连续性流体的粘滞性流体的两种流动形态流体的紊流态流体的层流态流体形态判据及外延系统中的流体流形平板雷诺数流体流形判定外延系统中的流体形态外延系统中的附面层概念速度附面层实际外延系统近似速度附面层定义速度附面层的厚度表达式质量附面层质量附面层定义质量附面的厚度表达式外延生长速率外延生长模型的建立外延生长速率外延生长速率的表达式两种极限条件下的外延生长速率影响外延生长速率的诸因素与温度的关系化学反应速率常数与温度的关系气相质量转移系数与温度的关系实际外延温度的选择与反应剂浓度的关系与气体流量的关系与衬底片位置量的关系改善外延生长前后不均匀的工艺措施适当增大混合气体的流量使基座相对气流倾斜一小

39、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

40、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，具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品格加

41、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 品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

42、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

43、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）

44、、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：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

45、-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）问的作用力（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

46、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自掺杂效应一一指在外延过程中，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

47、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 义的；清楚的知道外延生长的化学反应步骤，知道每一步的具体内容；清楚副产物不 能及时排出系统对外延带来得弊端。知道四氯化硅的氢气还原外延生长的结晶学原 理，了解其外延生长的结晶过程，是如何由化学反应得到的高能、游离态硅原子通过 加接而形成一层外延层完美表面的，而一定厚度的外延层是如何获得的；知道结晶学 的成核理论，从结晶学理论是如何根据原子团半径来决定成核条件的、从共价键理论 又是如何表明单原子直接加接和双原子同时加接不能形

48、成稳定晶核的，而形成稳定品 核至少需要三个或三个以上的原子同时加接；清楚晶核扩展理论，知道为什么在晶核 上单原子直接加接和双原子同时加接均能形成稳定的加接，而使晶核得到扩展；知道 结晶体的形成、结晶体扩展理论，清楚为什么由于原子在晶核上加接、沿六个 110向 和六个112向扩展的结果是形成六棱结晶体，而且该六棱结晶体还是非对称的；知道 外延层的平坦扩展理论和厚度长成理论，即知道为什么不会在没长平的外延层表面上 形成新的晶核，知道外延生长结晶过程重复不断进行即可获得所要求厚度的外延层。知道外延生长的动力学原理，即由此进行外延系统分析和外延模型的建立、分析，从 而得到外延生长速率表达式。关于外延系

49、统分析，知道为什么实际外延生长系统是一 个流体系统，流体具有的粘滞性和连续性的具体含义及对外延过程的指导意义；知道 流体可能存在的两种流动形态，清楚哪一种流动形态是外延工艺所希望的，而实际外 延系统中的流动形态是怎样的；关于外延系统中的附面层概念，知道为什么要引入速 度附面层概念，速度附面层是如何定义的，速度附面层的厚度表达式；知道为什么要 引入质量附面层概念，质量附面层是如何定义的，为什么说是质量附面层是由于速度 附面层的存在而出现的，质量附面层的厚度表达式，为什么说是质量附面层厚度是速 度附面层厚度的函数。关于外延模型的建立、分析和外延生长速率，能够根据实际外 延生长系统建立可用的外延生长

50、模型，其中有可分析的外延层次关系，能够通过分析 讨论得到外延生长速率表达式；清楚在什么极限条件下可采用不同的简化外延生长速 率表达式；知道影响外延生长速率的各种工艺因素，以及它们是如何对外延生长速率 造成影响的；对外延生长的前后不均匀性，能够采取适当工艺措施克服之。外延辅助工艺1学时课程内容：氯化氢抛光工艺抛光目的氯化氢抛光工艺氯化氢抛光方法氯化氢抛光步骤腐蚀反应和腐蚀速率腐蚀反应有关腐蚀速率讨论腐蚀速率与氯化氢气体分压有关腐蚀速率与温度关系不明显在一定温度下，应用氯化氢气体分压有最大值限制有关其它抛光工艺外延掺杂工艺掺杂工艺原理外延掺杂是与外延同时进行的掺杂动力学原理外延层中的掺杂浓度掺杂方

51、法液相掺杂气相掺杂课程重点：本节介绍了外延辅助工艺，包括外延生长前的对衬底表面常用的氯化氢抛 光工艺和为了保证外延层所要求的电性能而进行的外延掺杂工艺。关于氯化氢抛光工 艺，主要介绍了对衬底表面进行抛光处理的必要性以及抛光达到的目的；重点讨论了 工艺，其中涉及了氯化氢抛光的方法和氯化氢抛光的工艺步骤；对氯化氢抛光的腐蚀 反应和腐蚀速率进行了较详细的分析；最后，对氯化氢抛光的腐蚀速率与各种因素的 关系进行了讨论；还强调指出氯化氢抛光工艺是一种气相化学抛光，除了氯化氢气氛 外，其它如澳化氢、碘化氢、三氯乙烯、六氟化硫及澳气等也可以作为抛光气氛-这就形成了其它抛光工艺。关于外延掺杂工艺，首先介绍了半

52、导体集成电路制造对外延层 的电性要求；介绍了外延掺杂原理；重点讨论了外延层中的掺杂浓度，讨论中，首先 建立了掺杂模型，根据对模型的分析，得到了与反应剂气体分压和掺杂剂气体分压有 关的掺杂浓度表达式；介绍了液相掺杂和气相掺杂两种掺杂方法，并指出了它们各自 的控制掺杂手段。课程难点：氯化氢抛光工艺中，通过抛光是如何可以达到高洁净的、无损伤的、新鲜 的待生长表面的；氯化氢抛光步骤中各步的工艺控制条件；化学气相抛光的温度控制 特点；抛光腐蚀速率表达式用外延生长速率表达式表达时，式中各因子的含义发生了 什么变化；腐蚀速率在低蚀率和高蚀率时的极限分析及在中等蚀率时的表达式分析； 实际工艺中，氯化氢气体分压

53、的选择。在外延掺杂工艺中，注意其掺杂原理与一般的合金掺杂和扩散掺杂有不同处，杂质是在外延过程中加入到外延层品格点阵上的； 由于掺杂与外延同时进行，则掺杂动力学原理与外延动力学原理极其相似，只不过杂 质在加入到外延层品格点阵上后，有一个离化的事实；外延掺杂模型的建立和分析， 注意单位时间内，由于掺杂而导致的掺杂剂粒子流密度的消耗既与外延层中的掺杂浓 度有关、又与外延生长速率有关；有关液相掺杂和气相掺杂两种掺杂方法的对比、各 自对掺杂浓度工艺控制等。基本要求：了解由抛光工艺和外延掺杂工艺构成的外延辅助工艺。对氯化氢抛光工 艺，要求清楚的知道采用抛光工艺的目的；氯化氢抛光工艺的工艺方法，掌握氯化氢

54、抛光的工艺步骤，知道氯化氢抛光工艺与外延工艺是在一个反应系统中、并且氯化氢 抛光工艺与外延生长工艺可连续不间断进行；了解氯化氢抛光是化学气相抛光，掌握 其腐蚀反应控制条件；应知道氯化氢抛光工艺中的化学反应实际上是外延生长反应的 逆反应，因此，抛光腐蚀速率表达式可用外延生长速率表达式描述，但应清楚同一个 式子表达的意思是完全不同的；了解在低蚀率和高蚀率时的极限条件下，抛光腐蚀速 率与氯化氢气体分压的不同关系；应掌握实际氯化氢抛光工艺的氯化氢气体分压的选择。对于外延掺杂工艺，应知道半导体集成电路制造对外延层的电性要求，即具有准 确的导电类型、具有精确的电阻率；知道如何选择外延掺杂的掺杂剂；清楚外延

55、掺杂 原理，从动力学原理能分析掺杂与外延的相同处和不同处；能建立起外延掺杂模型， 并对该模型进行正确的分析讨论，从而得到外延掺杂浓度表达式；能清楚的知道液相 掺杂和气相掺杂两种掺杂方法各自的特点，当使用它们掺杂时，各自对掺杂浓度的工 艺控制。外延层质量参数及检测简介0.5学时课程内容：外延层质量参数外延层电阻率p epi外延层的杂质浓度分布外延层厚度少数载流子寿命外延层中的缺陷表面缺陷体内缺陷外延层质量参数的检验p epi的检验三探针法测p epi-对（外延层/衬底）导电类型相同者四探针法测p epi-对（外延层/衬底）导电类型相异者用电容-电压法测外延层中的杂质浓度分布外延层厚度检验可用的方

56、法用层错法测量外延层厚度外延层中的缺陷检验采用显微观测法检验表面缺陷采用先化学腐蚀、后显微观测法检验体内缺陷课程重点：本节简单介绍了外延层质量参数及外延层质量参数的检验。关于外延层 质量参数介绍了外延层电阻率、外延层中的杂质浓度分布、外延层厚度、外延层中的 少数载流子寿命、外延层中的缺陷五类；关于外延层质量参数的检验，给出了除少数 载流子寿命检验之外的四类、八种检测方法。课程难点：注意外延层电阻率p epi以及与外延层中掺入杂质总量的关系，在何条件 下可认为与杂质浓度有关；注意外延层中的杂质浓度分布，以及理想时其分布应为常 量分布，而实际上在两个界面附近应为变化分布的特点；注意外延层厚度，以及

57、厚度 的选择决定于制造不同晶体管和集成电路外延层厚度的要求；注意外延层中少数载流 子寿命，以及它与外延层中非需要杂质含量的关系；注意外延层中的缺陷、以及缺陷 的类型，特别是体内缺陷（结构缺陷）位错和层错的特点。关于各类质量参数的测量 方法，以及它们的专一性和对应性。基本要求：要求熟知外延层的质量参数，包括外延层电阻率pepi,以及与外延层中掺入杂质总量的关系，在认为外延层中掺杂浓度恒定条件下，可 认为与掺入杂质浓度有关；要求了解外延层中的杂质浓度分布，知道一般把界面看作 是理想界面时，认为外延层中的杂质浓度分布为恒定值，而实际上在界面附近由于存 在杂质的流入或流出，使界面附近的杂质浓度分布不为

58、恒定值；要求知道在选择外延 层厚度时，如何考虑不同的晶体管制造和不同的集成电路制造对这一参数的要求；了 解外延层中少数载流子寿命，以及它与外延层中非需要杂质含量的关系；熟知外延层 中的缺陷类型，知道外延层表面缺陷的种类、知道外延层体内缺陷的种类，知道外延 层体内缺陷位错和层错各自的生长或生成环境。要求熟知外延层的质量参数的检测， 要求会使用适当的方法去检验各种外延层的质量参数。有关外延层层错0.5学时课程内容：外延层层错外延层层错的形成模式外延层层错的结构外延层层错的腐蚀形貌外延层层错是面缺陷腐蚀时在缺陷处体现优先腐蚀几点说明层错的腐蚀形貌并非一定是完整图形层错的腐蚀形貌图形可能大小不一不同器

59、件制造对层错密度的要求外延层层错产生的原因及对器件性能的影响外延层层错产生原因衬底的表面质量外延用的气体纯度外延工艺条件控制外延系统的清洁度外延层层错对器件制造及参数的影响杂质沿层错有增强扩散的作用层错处易吸附杂质外延层层错影响器件制造的稳定性和工艺质量的稳定性课程重点：本节介绍了 111向硅外延过程中形成的外延层层错，指出其形成模式 为硅原子按层排列的次序发生错乱而导致的缺陷；对所讨论的外延层层错的结构，指 出是以111面围成的四面体结构；由于外延层层错是面缺陷，其品格键的失配仅发生 在所围成的三个面上（四面体内是完美结构、四面体外也是完美结构），而化学腐蚀时在缺陷处导致优先腐蚀，则对所讨论

60、的外延层层错的表面腐蚀形貌为三条槽沟围城的 正三角形；对外延层层错的表面腐蚀形貌作了两点说明，其一是由于外延生长时生长 速率可能不均匀，而导致某些层错面被淹没，则腐蚀后的外延层层错的表面图形形貌 可能有不完整的，其二是外延层层错不一定都起始于衬底表面，则腐蚀后的外延层层 错的表面图形可能大小不一，但起始于衬底表面的外延层层错的表面图形最大（如上 一节介绍，利用该图形进行外延层厚度的测量）；给出了分离器件制造和集成电路制造 对层错密度的要求。本节介绍了外延层层错产生的原因及外延层层错的存在对器件性 能的影响，指出凡是能产生一个错排原子的因素都是外延层层错产生的原因，诸如衬 底表面的质量不合格、外