硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应因此直拉硅单晶比区熔硅课件

外延的定义1外延的定义122外延的分类3外延的分类3外延的分类按制备方法分按反应室分类按材料异同分按外延温度分按反应压力分按掺杂浓度和导电类型分按外延厚度和结构分按外延生长方法4外延的分类按制备方法分4气相外延（VPE）液相外延（LPE）固相外延（SPE）分子束外延（MBE)金属有机物化学气相淀积（MOCVD）按制备方法分5气相外延（VPE）按制备方法分5汽相外延方式常用来生长Si外延材料、GaAs外延材料等6汽相外延方式常用来生长Si外延材料、GaAs外延材料等6将元素的饱和液相溶液与衬底晶体直接接触，处于熔点温度下缓慢降温而析出固相，沿衬底向上逐步转化为外延层。

液相外延主要用于生长制造光电器件所需的化合物外延功能薄层材料液相外延7将元素的饱和液相溶液与衬底晶体直接接触，液相外延主要用于生长88广泛地用于获得超薄层异质结外延功能材料，特别是微电子器件所需的各种异质结外延材料。

9广泛地用于获得超薄层异质结外延功能材料，9金属有机化合物化学汽相沉淀(MOCVD)方式是采用处于液相状态的金属（Ⅱ、Ⅲ族）有机化合物同汽态的氢化物（V、Ⅵ族）作为沉积源原材料，以热分解反应的方式在衬底沉积、淀积形成外延薄层的一种方法。MOCVD方式可以获得Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物晶层及它们的多元超薄单晶层

10金属有机化合物化学汽相沉淀(MOCVD)方式是采用处于液相状按反应室分类卧式立式桶式11按反应室分类卧式11121213131414按材料异同分15按材料异同分15按外延温度分16按外延温度分16按反应压力分17按反应压力分17按掺杂浓度正外延：重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层反外延：轻掺杂衬底上生长重掺杂外延层按导电类型N型外延：n/n外延，n/p外延P型外延：p/n外延，p/p外延18按掺杂浓度正外延：重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层按导电类型N型按外延厚度和结构分19按外延厚度和结构分19按外延生长方法：直接外延间接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相淀积（chemicalvapordeposition,CVD）CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好，是目前硅外延生长的主要方法20按外延生长方法：直接外延间接外延是用加热、电子轰击或外加电场硅气相外延21硅气相外延21TheprocessofSiliconEpitaxyisessentiallyaCVD*processusedfordepositingthinfilmsofsingle-crystalsilicononsinglecrystalsiliconsubstrateanditisusedextensivelyinthemicroelectronicandsemiconductorindustries.

Therequirementsoftheindustryfromthisprocessarehighlydemanding,i.e.,epitaxialsiliconfilmsmusthaveanexcellentthicknessuniformityandexcellentquality(minimumdefectsintheepitaxiallayer).22TheprocessofSiliconEpitaxy对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和层错密度等。按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解法。氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行外延生长。直接热分解法，利用热分解得到Si。23对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所属反应类型24气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所生长过程25生长过程25生长化学26生长化学26外延硅生长速率和哪些因素有关系反应剂浓度反应温度气流速度衬底晶向27外延硅生长速率和271.SiCl4浓度对生长速率的影响281.SiCl4浓度对生长速率的影响28随着浓度增加,生长速率先增大后减小.29随着浓度增加,生长速率先增大后减小.292.温度对生长速率的影响302.温度对生长速率的影响30生长过程：31生长过程：3132323.气流速度对生长速率的影响生长速率与总氢气流速的平方根成正比333.气流速度对生长速率的影响生长速率与总氢气流速的平方根成正4.衬底晶向的影响生长速率<100>><110>><111>344.衬底晶向的影响生长速率<100>><110>><11Epitaxy:Purpose•forbipolartransistor–Reducecollectorresistancewhilekeephighbreakdownvoltage.–•ImprovedeviceperformanceforCMOSandDRAMbecausemuchloweroxygen,carbonconcentrationthanthewafercrystal.35Epitaxy:Purpose35硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应。因此直拉硅单晶比区熔硅单晶的氧含量要高得多表面氧沉淀会造成漏电，甚至使器件失效硅中碳主要来源于多晶硅。此外，直拉单晶炉中的石墨加热器和真空系统的密封材料的易挥发的碳化物等都能造成硅中的碳玷污。硅中高的碳含量将大大降低器件中的击穿电压，并使开态电压和关闭时间的乘积增加，这对功率器件尤为严重。

36硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应。因此直拉硅单晶比区熔37373838重点外延的定义外延按制备方法，材料异同，掺杂浓度和导电类型的分类硅气相外延方法的方法39重点外延的定义39硅的异质外延-SOISOI：Silicon-On-Insulator绝缘衬底上的硅SiSiSiO240硅的异质外延-SOISOI：Silicon-On-Insul器件尺寸缩小带来一系列问题器件尺寸的缩小各种多维及非线性效应：表面能级量子化效应、隧穿效应、短沟道效应、窄沟道效应、漏感应势垒降低效应、热载流子效应、亚阈值电导效应、速度饱和效应、速度过冲效应严重影响了器件性能器件隔离区所占芯片面积相对增大寄生电容增加影响集成度及速度的提高41器件尺寸缩小带来一系列问题器件尺寸的缩小41克服上述效应，采取的措施槽隔离技术硅化物高k介质需开发新型硅材料及探索新型高性能器件和电路结构，充分发挥硅集成技术的潜力：SOI是最佳选择之一42克服上述效应，采取的措施槽隔离技术42SOI技术的特点43SOI技术的特点43体硅CMOS技术44体硅CMOS技术44SOI技术:绝缘衬底上的硅45SOI技术:绝缘衬底上的硅45SOI技术的特点速度高：迁移率高：器件纵向电场小，且反型层较厚，表面散射作用降低跨导大寄生电容小：寄生电容主要来自隐埋二氧化硅层电容，远小于体硅MOSFET中的电容，不随器件按比例缩小而改变，SOI的结电容和连线电容都很小46SOI技术的特点速度高：464747SOI技术的特点功耗低：静态功耗：Ps=ILVdd动态功耗：PA=CfVdd2集成密度高：SOI电路采用介质隔离，它不需要体硅CMOS电路的场氧化及井等结构，器件最小间隔仅仅取决于光刻和刻蚀技术的限制，集成密度大幅度提高48SOI技术的特点功耗低：48SOI技术的特点成本低：SOI技术除原始材料比体硅材料价格高之外，其它成本均少于体硅CMOS/SOI电路的制造工艺比典型体硅工艺至少少用三块掩膜版，减少13～20％的工序使相同电路的芯片面积可降低1.8倍，浪费面积减少30％以上美国SEMATECH的研究人员预测CMOS/SOI电路的性能价格比是相应体硅电路的2.6倍49SOI技术的特点成本低：49SOI技术的特点特别适合于小尺寸器件：短沟道效应较小不存在体硅CMOS电路的金属穿通问题，自然形成浅结泄漏电流较小50SOI技术的特点特别适合于小尺寸器件：50SOI技术的特点特别适合于低压低功耗电路：在体硅CMOS集成电路中，由于体效应的作用，降低电源电压会使结电容增加和驱动电流减小，导致电路速度迅速下降对于CMOS/SOI集成电路，这两个效应都很小，CMOS/SOI电路与相应体硅电路相比具有更高的速度和更小的功耗51SOI技术的特点特别适合于低压低功耗电路：51SOI技术的挑战52SOI技术的挑战52SOI技术的挑战1、SOI材料是SOI技术的基础SOI技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料是SOI技术发展的主要障碍之一这个障碍目前正被逐渐清除SOI材料制备的两个主流技术——SIMOX和BOUNDEDSOI最近都有了重大进展53SOI技术的挑战1、SOI材料是SOI技术的基础53SOI技术的挑战SIMOX材料：最新趋势是采用较小的氧注入剂量显著改善顶部硅层的质量降低SIMOX材料的成本低注入剂量(~41017/cm2)的埋氧厚度薄：800～1000Å退火温度高于1300℃，制备大面积(300mm)SIMOX材料困难54SOI技术的挑战SIMOX材料：54SOI技术的挑战键合(Bonded)技术：硅膜质量高埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整适合于功率器件及MEMS技术硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍键合要用两片体硅片制成一片SOI衬底，成本至少是体硅的两倍55SOI技术的挑战键合(Bonded)技术：55SOI技术的挑战Smart-Cut技术是一种智能剥离技术将离子注入技术和硅片键合技术结合在一起解决了键合SOI中硅膜减薄问题，可以获得均匀性很好的顶层硅膜硅膜质量接近体硅。剥离后的硅片可以作为下次键合的衬底，降低成本56SOI技术的挑战Smart-Cut技术是一种智能剥离技术56SOI技术的挑战SOI材料质量近几年有了惊人进步生产能力和成本成为关键问题Smart-Cut技术和低剂量SIMOX技术是两个最有竞争力的技术SOI将成为继硅外延片之后的下一代硅材料57SOI技术的挑战SOI材料质量近几年有了惊人进步575858SOI技术的挑战2、浮体效应是影响SOI技术广泛应用的另一原因对SOI器件的浮体效应没有一个清楚的认识如何克服浮体效应导致的阈值电压浮动、记忆效应、迟滞效应等对实际电路的影响，还不很清楚浮体效应可以导致数字电路的逻辑失真和功耗的增大59SOI技术的挑战2、浮体效应是影响SOI技术广泛应用的另一原SOI技术的挑战抑制浮体效应Ar注入增加体/源结漏电LBBC结构在源区开一个P区通道肖特基体接触技术场屏蔽隔离技术这些技术都存在各种各样的自身缺陷，不能被广泛接受60SOI技术的挑战抑制浮体效应60SOI技术的挑战全耗尽SOIMOSFET可以抑制浮体效应，并有良好的亚阈特性和短沟效应控制超薄FDSOIMOSFET的阈值电压比较困难阈值电压与硅膜厚度的关系极为敏感较大的寄生源漏电阻等61SOI技术的挑战全耗尽SOIMOSFET可以抑制浮体效应，SOI技术的挑战SOI器件与电路的EDA技术发展缓慢，已经成为影响SOI技术广泛应用的一个重要原因体硅的EDA工具已经非常完善SOI的EDA工具相对滞后：SOI器件是一个五端器件，建立SOI器件、电路模型要比体硅器件复杂得多62SOI技术的挑战SOI器件与电路的EDA技术发展缓慢，已经成SOI技术的挑战3、体硅技术迅速发展和巨大成功抑制了人们投入SOI技术研究的热情工业界不愿花时间和金钱在SOI工艺的优化上，使SOI技术的优越性不能得以充分发挥现在形势正在发生微妙变化，手提电脑、手提电话迅速兴起，促发了人们对低压、低功耗及超高速电路的需求，体硅CMOS电路在这些方面有难以逾越的障碍SOI技术发展的新机遇63SOI技术的挑战3、体硅技术迅速发展和巨大成功抑制了人们投入外延的定义64外延的定义1652外延的分类66外延的分类3外延的分类按制备方法分按反应室分类按材料异同分按外延温度分按反应压力分按掺杂浓度和导电类型分按外延厚度和结构分按外延生长方法67外延的分类按制备方法分4气相外延（VPE）液相外延（LPE）固相外延（SPE）分子束外延（MBE)金属有机物化学气相淀积（MOCVD）按制备方法分68气相外延（VPE）按制备方法分5汽相外延方式常用来生长Si外延材料、GaAs外延材料等69汽相外延方式常用来生长Si外延材料、GaAs外延材料等6将元素的饱和液相溶液与衬底晶体直接接触，处于熔点温度下缓慢降温而析出固相，沿衬底向上逐步转化为外延层。

液相外延主要用于生长制造光电器件所需的化合物外延功能薄层材料液相外延70将元素的饱和液相溶液与衬底晶体直接接触，液相外延主要用于生长718广泛地用于获得超薄层异质结外延功能材料，特别是微电子器件所需的各种异质结外延材料。

72广泛地用于获得超薄层异质结外延功能材料，9金属有机化合物化学汽相沉淀(MOCVD)方式是采用处于液相状态的金属（Ⅱ、Ⅲ族）有机化合物同汽态的氢化物（V、Ⅵ族）作为沉积源原材料，以热分解反应的方式在衬底沉积、淀积形成外延薄层的一种方法。MOCVD方式可以获得Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物晶层及它们的多元超薄单晶层

73金属有机化合物化学汽相沉淀(MOCVD)方式是采用处于液相状按反应室分类卧式立式桶式74按反应室分类卧式11751276137714按材料异同分78按材料异同分15按外延温度分79按外延温度分16按反应压力分80按反应压力分17按掺杂浓度正外延：重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层反外延：轻掺杂衬底上生长重掺杂外延层按导电类型N型外延：n/n外延，n/p外延P型外延：p/n外延，p/p外延81按掺杂浓度正外延：重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层按导电类型N型按外延厚度和结构分82按外延厚度和结构分19按外延生长方法：直接外延间接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相淀积（chemicalvapordeposition,CVD）CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好，是目前硅外延生长的主要方法83按外延生长方法：直接外延间接外延是用加热、电子轰击或外加电场硅气相外延84硅气相外延21TheprocessofSiliconEpitaxyisessentiallyaCVD*processusedfordepositingthinfilmsofsingle-crystalsilicononsinglecrystalsiliconsubstrateanditisusedextensivelyinthemicroelectronicandsemiconductorindustries.

Therequirementsoftheindustryfromthisprocessarehighlydemanding,i.e.,epitaxialsiliconfilmsmusthaveanexcellentthicknessuniformityandexcellentquality(minimumdefectsintheepitaxiallayer).85TheprocessofSiliconEpitaxy对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和层错密度等。按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解法。氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行外延生长。直接热分解法，利用热分解得到Si。86对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所属反应类型87气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所生长过程88生长过程25生长化学89生长化学26外延硅生长速率和哪些因素有关系反应剂浓度反应温度气流速度衬底晶向90外延硅生长速率和271.SiCl4浓度对生长速率的影响911.SiCl4浓度对生长速率的影响28随着浓度增加,生长速率先增大后减小.92随着浓度增加,生长速率先增大后减小.292.温度对生长速率的影响932.温度对生长速率的影响30生长过程：94生长过程：3195323.气流速度对生长速率的影响生长速率与总氢气流速的平方根成正比963.气流速度对生长速率的影响生长速率与总氢气流速的平方根成正4.衬底晶向的影响生长速率<100>><110>><111>974.衬底晶向的影响生长速率<100>><110>><11Epitaxy:Purpose•forbipolartransistor–Reducecollectorresistancewhilekeephighbreakdownvoltage.–•ImprovedeviceperformanceforCMOSandDRAMbecausemuchloweroxygen,carbonconcentrationthanthewafercrystal.98Epitaxy:Purpose35硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应。因此直拉硅单晶比区熔硅单晶的氧含量要高得多表面氧沉淀会造成漏电，甚至使器件失效硅中碳主要来源于多晶硅。此外，直拉单晶炉中的石墨加热器和真空系统的密封材料的易挥发的碳化物等都能造成硅中的碳玷污。硅中高的碳含量将大大降低器件中的击穿电压，并使开态电压和关闭时间的乘积增加，这对功率器件尤为严重。

99硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应。因此直拉硅单晶比区熔1003710138重点外延的定义外延按制备方法，材料异同，掺杂浓度和导电类型的分类硅气相外延方法的方法102重点外延的定义39硅的异质外延-SOISOI：Silicon-On-Insulator绝缘衬底上的硅SiSiSiO2103硅的异质外延-SOISOI：Silicon-On-Insul器件尺寸缩小带来一系列问题器件尺寸的缩小各种多维及非线性效应：表面能级量子化效应、隧穿效应、短沟道效应、窄沟道效应、漏感应势垒降低效应、热载流子效应、亚阈值电导效应、速度饱和效应、速度过冲效应严重影响了器件性能器件隔离区所占芯片面积相对增大寄生电容增加影响集成度及速度的提高104器件尺寸缩小带来一系列问题器件尺寸的缩小41克服上述效应，采取的措施槽隔离技术硅化物高k介质需开发新型硅材料及探索新型高性能器件和电路结构，充分发挥硅集成技术的潜力：SOI是最佳选择之一105克服上述效应，采取的措施槽隔离技术42SOI技术的特点106SOI技术的特点43体硅CMOS技术107体硅CMOS技术44SOI技术:绝缘衬底上的硅108SOI技术:绝缘衬底上的硅45SOI技术的特点速度高：迁移率高：器件纵向电场小，且反型层较厚，表面散射作用降低跨导大寄生电容小：寄生电容主要来自隐埋二氧化硅层电容，远小于体硅MOSFET中的电容，不随器件按比例缩小而改变，SOI的结电容和连线电容都很小109SOI技术的特点速度高：4611047SOI技术的特点功耗低：静态功耗：Ps=ILVdd动态功耗：PA=CfVdd2集成密度高：SOI电路采用介质隔离，它不需要体硅CMOS电路的场氧化及井等结构，器件最小间隔仅仅取决于光刻和刻蚀技术的限制，集成密度大幅度提高111SOI技术的特点功耗低：48SOI技术的特点成本低：SOI技术除原始材料比体硅材料价格高之外，其它成本均少于体硅CMOS/SOI电路的制造工艺比典型体硅工艺至少少用三块掩膜版，减少13～20％的工序使相同电路的芯片面积可降低1.8倍，浪费面积减少30％以上美国SEMATECH的研究人员预测CMOS/SOI电路的性能价格比是相应体硅电路的2.6倍112SOI技术的特点成本低：49SOI技术的特点特别适合于小尺寸器件：短沟道效应较小不存在体硅CMOS电路的金属穿通问题，自然形成浅结泄漏电流较小113SOI技术的特点特别适合于小尺寸器件：50SOI技术的特点特别适合于低压低功耗电路：在体硅CMOS集成电路中，由于体效应的作用，降低电源电压会使结电容增加和驱动电流减小，导致电路速度迅速下降对于CMOS/SOI集成电路，这两个效应都很小，CMOS/SOI电路与相应体硅电路相比具有更高的速度和更小的功耗114SOI技术的特点特别适合于低压低功耗电路：51SOI技术的挑战115SOI技术的挑战52SOI技术的挑战1、SOI材料是SOI技术的基础SOI技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料是SOI技术发展的主要障碍之一这个障碍目前正被逐渐清除SOI材料制备的两个主流技术——SIMOX和BOUNDEDSOI最近都有了重大进展116SOI技术的挑战1、SOI材料是SOI技术的基础53SOI技术的挑战SIMOX材料：最新趋势是采用较小的氧注入剂量显著改善顶部硅层的质量降低SIMOX材料的成本低注入剂量(~41017/cm2)的埋氧厚度薄：800～1000Å退火温度高于1300℃，制备大面积(300mm)SIMOX材料困难117SOI技术的挑战SIMOX材料：54SOI技术的挑战键合(Bonded)技术：硅膜质量高埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整适合于功率器件及MEMS技术硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍