集成电路制造工艺原理集成电路制造工艺原理模板.doc

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1、集成电路制造工艺原理 课程教学 教 案 山东大学信息科学和工程学院 电子科学和技术教研室(微电) 张 新课程总体介绍：1 课程性质及开课时间：本课程为电子科学和技术专业（微电子技术方向和光电子技术方向）专业选修课。本课程是半导体集成电路、晶体管原理和设计和光集成电路等课程前修课程。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 成全部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-原理和实践电子工业出版社超大规模集成电路技术基础 电子工

2、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 现在实际教学课时数：课内课时54课时4 教学内容介绍：本课程关键介绍了以硅外延平面工艺为基础，和微电子技术相关器件（硅器件）、集成电路（硅集成电路）制造工艺原理和技术；介绍了和光电子技术相关器件（发光器件和激光器件）、集成电路（光集成电路）制造工艺原理，关键介绍了最经典化合物半导体砷化镓材料和和光器件和光集成电路制造相关工艺原理和技术。5 教学课时安排：(按54课时)课程介绍及绪论 2课时第一章 衬底材料及衬底制备 6课时第二章 外延工艺 8课时第三章 氧化工艺 7课时第四章 掺杂工艺 12课时第五章 光刻工艺 3课时 第六章

3、制版工艺 3课时 第七章 隔离工艺 3课时 第八章 表面钝化工艺 5课时 第九章 表面内电极和互连 3课时 第十章 器件组装 2课时课程教案:课程介绍及序论 （ 2课时）内容：课程介绍：1 教学内容 1.1和微电子技术相关器件、集成电路制造工艺原理 1.2 和光电子技术相关器件、集成电路制造 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 半导体器件制造关键问题1.2.1 工艺改革和新工艺应用1.2.2 环境条件改革和工艺条件优化1.2.

4、3 重视情报和产品结构立即调整1.2.4 工业化生产2 经典硅外延平面器件管芯制造工艺步骤及讨论2.1 常规npn外延平面管管芯制造工艺步骤2.2 经典 pn隔离集成电路管芯制造工艺步骤2.3 两工艺步骤讨论2.3.1 相关说明2.3.2 两工艺步骤区分及原因课程关键：介绍了和电子科学和技术中两个专业方向（微电子技术方向和光电子技术方向）相关制造业，指明该制造业是社会基础工业、是现代化基础工业，是国家远景计划中置于首位发展工业。介绍了和微电子技术方向相关分离器件（硅器件 ）、集成电路（硅集成电路）制造工艺原理内容，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制造技术。因为集成

5、电路制造技术是由分离器件制造技术发展起来，则从制造工艺上看，两种工艺步骤中绝大多数制造工艺是相通，但集成电路制造技术中包含了分离器件制造所没有特殊工艺。介绍了和光电子技术方向相关分离器件、集成电路制造工艺原理内容。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，最常见和最经典是砷化镓材料，本课程简单介绍了砷化镓材料及其制造器件时相关工艺技术和原理。在课程介绍中，指出了集成电路制造工艺原理内容是伴随半导体器件制造工艺技术发展而发展、是伴随电子行业对半导体器件性能不停提升要求（小型化、微型化、集成化、和高频特征、功率特征、放大特征提升）而不停充实。综观其发展

6、历程，由四十年代末合金工艺原理到五十年代初合金扩散工艺原理，又因为硅平面工艺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基础工艺；在制造分离器件和集成电路时，为提升器件和集成电路可靠性、稳定性，引入了若干有实效保护器件表面工艺，则加入了表面钝化工艺原理内容；在制造集成电路时，为实现集成电路中各元器件间电性隔离，引入了隔离墙制造，则又加入了隔离工艺原理内容。所以，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善而已。介绍了半导

7、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组成。工艺设计包含工艺参数设计、工艺步骤设计和工艺条件设计三部分内容，其设计过程是：由器件电学参数（分离器件电学参数和集成电路功效参数）参考工艺水平进行结构参数设计；然后进行理论验算（结构参数能否达成器件电学参数要求）；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，工艺分析目标是为了工艺改善。质量控制包含分离器件和集成电路失效机理研究、可靠性分析和工艺参数控制自动化三部分内容

8、。在介绍、讨论、分析基础上，指明了半导体器件制造中要注意多个关键问题。介绍了以经典硅外延平面工艺为基础常规npn外延平面管管芯制造工艺步骤和经典 pn隔离集成电路管芯制造工艺步骤，并分析了两种工艺共同处和不一样处。 课程难点：半导体器件制造工艺设计所包含三部分内容中工艺参数设计所包含具体内容；工艺步骤设计包含具体内容；工艺条件设计包含具体内内容。工艺制造包含具体内容，工艺线步骤和各工序操作步骤区分。半导体器件制造工艺分析所包含四部分内容，进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析意义何在；怎样对应器件不合格性能参数，经过上述四项分析进行工艺改善，从而得到合格性能参数。半

9、导体器件制造质量控制须做哪些工作，为何说经过质量控制，器件生产厂家可提升经济效益、可提升本身产品竞争能力、可提升产品信誉度。什么是工艺改革和新工艺应用？什么是环境条件改革和工艺条件优化？为何要重视情报和立即调整产品结构？什么是工业化大生产？这些问题为何会成为半导体器件制造中关键问题？为何说半导体器件制造有冗长工艺步骤？十几步分离器件制造工艺步骤和二十几步集成电路制造工艺步骤有什么区分？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，各自有哪几步工艺组成？各起到什么作用？ 基础概念：1 半导体器件-由半导体材料制成分离器件和半导体集成电路。2半导体分离器件-多种晶体三极管；多种晶体二极管；多

10、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，将组成电路各元器件制作于同一基片上，布线连接组成功效电路。4 晶体三极管电学参数-指放大倍数、结击穿电压、管子工作电压、工作频率、工作功率、噪声系数等。5晶体三极管结构参数-包含所用材料、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组成近平面加工工艺。7硅外延平面工艺-外延工艺+硅平面工艺组成器件制造工艺。基础要求：要求学生了解本课程性质，知道学好集成电路制造工艺原理对学习专业课关键性。掌握半导体器件制造技术中所包含四部分内容。了解

11、工艺设计所包含三部分内容中工艺参数设计所包含具体内容；工艺步骤设计包含具体内容；工艺条件设计包含具体内内容。了解工艺制造包含具体内容，知道工艺线步骤和各工序操作步骤区分是什么。了解半导体器件制造工艺分析所包含四个分析内容，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、工艺条件分析指导意义；能够对应器件不合格性能参数，经过上述四项分析进行工艺改善，从而得到合格性能参数。知道半导体器件制造质量控制须做哪些工作，能清楚知道经过质量控制，器件生产厂家可提升经济效益、可提升本身产品竞争能力、可提升产品信誉度原因。知道什么是工艺改革和新工艺应用？什么是环境条件改革和工艺条件优化？为何要重视情报

12、和立即调整产品结构？什么是工业化大生产？清楚这些问题为何会成为半导体器件制造中关键问题？了解半导体器件制造有冗长工艺步骤，分离器件制造工艺最少有十几步工艺步骤，集成电路制造工艺最少有二十几步制造工艺步骤。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，知道制作隔离区目标何在？制作埋层区目标何在？清楚隔离制作有哪几步工艺组成？知道隔离氧化、隔离光刻和隔离扩散工艺各自达成什目标；清楚埋层制作有哪几步工艺组成？知道埋层氧化、埋层光刻和埋层扩散工艺各自达成什目标。绪论作业：思索题：2个 第一章 衬底材料及衬底制备 (6课时) 1.1 衬底半导体材料 3课时课程内容： 1 常见半导体材料

13、及其特点 1.1 常见半导体材料1.1.1元素半导体材料1.1.2化合物半导体材料1.2 硅材料特点1.2.1价格低、纯度高1.2.2 制成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 其特有硅外延平面工艺1.3 砷化镓材料特点1.3.1 载流子低场迁移率高1.3.2 禁带宽度更大1.3.3 能带结构更靠近跃迁型2 硅、砷化镓晶体结构及单晶硅体2.1 硅晶体结构及特点2.1.1 硅金刚石型晶胞结构2.1.2 硅原子沿111向排列规律2.2 砷化镓晶体结构及特点2.2.1 砷化镓闪锌矿型晶胞结构2.2.2 砷化镓111向六棱柱晶胞2.2.3 砷化镓111向特点2.3 硅、砷化镓晶

14、体制备方法2.3.1 硅单晶体制备方法2.3.2 砷化镓晶体制备方法2.4 单晶硅体2.4.1 单晶硅体呈圆柱状2.4.2 单晶硅体上含有生长晶棱3 硅衬底材料选择3.1 硅衬底材料结构参数3.1.1 结晶质量3.1.2 生长晶向3.1.3 缺点密度3.2 硅衬底材料物理参数3.2.1 电阻率3.2.2 少数载流子寿命3.2.3 杂质（载流子）赔偿度3.3 硅衬底材料电性参数3.4 其它要注意问题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 课程关键: 本节关键介绍了半导体器件（半导体分离器件和半导体集成电路）制造中常见半导体材料。在硅、锗元素半导体材料中，普遍应用是硅

15、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特点，对应应用场所。讨论了硅半导体材料和砷化镓半导体材料晶体结构，从中可知，即使硅晶体含有金刚石型晶胞结构，而砷化镓晶体含有闪锌矿型晶胞结构，但从晶胞组成和一些性质有相同地方，但 应注意其性质上根本区分。由硅原子沿111向排列规律可知，在一个硅晶体六棱柱晶胞中有七个相互平行111面；而七个面组成六个面间有两种面间距，其中一个表现面间距大特点，另一个表现面间距小特点；每一个111晶面含有相同原子面密度；原子平面间是靠共价键连接，而六个面间有两种面间共价键密度，

16、在三个面间每个原子均为三键连接-表现面间价键密度大特点，在另三个面间每个原子均为单键连接-表现面间价键密度小特点。从结构中可知，面间价键密度小面间同时面间距大，而面间价键密度大面间同时面间距小，由此引入两个结论：面间价键密度小而同时面间距大面间，极易被分割，称为硅晶体解理面；面间价键密度大同时面间距小面间，面间作用力极强，则被看作是不可分割双层原子面，即当一个面看待。砷化镓晶体中原子沿111向排列规律和硅晶体相同，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制备，硅单晶体通常采取直拉法或悬浮区熔法进行生长；砷化镓晶体通常采取梯度凝固生长

17、法或液封式直拉法制备。本节还对半导体器件制造最常见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和单晶生长晶向相关生长晶棱；因为和硅原子沿生长晶向排列相关，沿不一样晶向生长单晶硅体上晶棱数目不一样，晶棱对称程度也不一样。最终讨论了硅单晶质量参数（硅衬底材料选择），这对了解硅单晶材料性能并进而在器件生产中正确选择硅衬底材料是至关关键。 课程难点：硅单晶晶体结构及结构分析；砷化镓晶体晶体结构及结构分析。硅单晶两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论；砷化镓晶体两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论。硅单晶体外部特征，造成硅单晶体外部特征和硅单晶体内部结构（原子排列规律）对应关系分析讨论

18、。硅单晶体结构参数要求；物理参数要求和电性参数要求。 基础概念： 1 元素半导体材料-完全由一个元素组成，含有半导体性质材料 。 2化合物半导体材料-由两种或两种以上元素组成，含有半导体性质材料 。 3面间共价键密度-在相邻原子面间任取一平行平面，单位面积共价键露头数。 4少子寿命-少数载流子寿命，它反应了少数载流子保持其电性时间长短，记为。它和单晶体中缺点和重金属杂质多少相关。 5赔偿度-载流子赔偿度（杂质赔偿度），记为M。因为半导体中杂质全部电离，则其反应了半导体材料中反型杂质多少。 基础要求：了解用于半导体器件制造半导体材料类型，了解元素半导体材料类型及组成，了解化合物半导体材料类型及组

19、成。知道半导体器件制造中最常见硅半导体材料特点，知道半导体光学器件制造中最常见砷化镓半导体材料特点。清楚硅半导体晶体和砷化镓半导体晶体晶体结构，和它们结构特点；知道它们在结构上相同处和不一样处；知道由硅半导体晶体结构分析引入两个结论，并清楚它们对半导体器件制造指导意义。了解硅半导体单晶体是怎样制备，清楚其不一样制备工艺；知道砷化镓半导体晶体是怎样制备，及其了解多种制备工艺。清楚知道硅半导体单晶体外部特征，知道这些外部特征和晶体内部结构之间亲密联络。知道怎样进行硅衬底材料选择，知道在硅单晶质量参数中结构参数包含哪部分、物理参数包含哪部分、电性参数是指什么；对高要求和高性能集成电路制造，还应注意哪

20、些材料质量参数。1.2 硅单晶定向 2课时 课程内容：1 定向方法 1.1 依据晶体生长各向异性定向 1.2 依据晶体解理各向异性定向 1.3 依据晶体腐蚀各向异性定向 1.4 光图定向 1.5 x光衍射定向 2 光图定向方法和原理 2.1 显示晶面解理坑 2.2 晶面解理坑结构和分布 2.3 光向和晶向 2.4 光图定向仪 2.5 光图定向3. 光图定向器件生产中应用3.1 定向切割 3.2 定向划片及定位面制造 课程关键：本节介绍了常规集成电路制造中硅单晶体定向。粗略可依据晶体生长各向异性定向、依据晶体解理各向异性定向、依据晶体腐蚀各向异性定向；较正确可进行光图定向；更正确可进行x光衍射定

21、向。本节关键介绍了常规集成电路制造中最常见光图定向，依据光图定向三个必备条件，进行了显示晶面解理坑讨论；晶面解理坑结构和分布讨论；平行光照射晶面解理坑后，得到反射光象和晶体晶向关系讨论；讨论了常见光图定向仪；并对光图定向设备要求和光图定向步骤进行了讨论。最终，讨论了光图定向在常规集成电路制造中两种常见应用，定向切割是在一定生长晶向硅单晶棒上切出所需晶面硅单晶片；而定位面制造是为了适应器件生产中定向划片，指出定向划片能够取得大量完整管芯，定位面为定向划片提供了划片参考平面。 课程难点：为何可依据晶体生长各向异性、晶体解理各向异性、晶体腐蚀各向异性进行定向，和晶体结构关系怎样。在光图定向中，显示晶

22、面解理坑采取了电化学腐蚀，腐蚀前为何要进行金刚砂研磨？在电化学腐蚀液中，晶格畸变区和晶格完整区各含有不一样性质，进行了什么不一样化学反应，其反应机理是什么。当在低指数晶面晶片上制备晶面解理坑时，取得是以平行该低指数晶面面为底、以111面为侧面围成平底锥坑，这类结构形成机理及和晶体结构关系。光图定向中光象和晶向之间一一对应关系。考虑定位面划片时就能降低管芯碎裂理论依据。 基础概念： 1 光图定向-用平行光照射单晶体上晶面解理坑，依据反射光象判定、调正晶向方法。 2晶面解理坑-以低指数晶面围成、和晶面（晶向）有一定对应关系晶面腐蚀坑。其侧面为解理面。 3 晶格畸变区-指晶格有损伤或不完整区域，该区

23、域存在较大晶格内应力，内能大。 4晶格完整区-指晶格结构完整或完美区域，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反射而得到光图（光象 ）。 6定向切割-光图定向+垂直切割。 7 定向划片-按要求沿解理向进行划 片方法。 基础要求：了解硅单晶体定向目标、可采取方法、定向原理。知道多个粗略定向方法理论依据，较正确定向方法间比较。清楚光图定向方法和原理，能经过适宜方法得到晶面解理坑、能经过一定手段得到反射光象、能由反射光象和晶体晶向关系分析判定晶向、当晶向有偏离时能经过调整光图调正晶向。知道光图定向是怎样在半导体器件制造中得到应用，知道光图定向在定

24、向切割中所起作用、知道光图定向怎样参与定位面制作和定位面是怎样在定向划片中起到作用。 1.3 硅衬底制备工艺介绍 1课时 课程内容：1 硅单晶切割 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 研磨作用 2.2 研磨方法 2.2.1 单面研磨 2.2.2 双面研磨 2.3 研磨要求 2.4 影响研磨原因 2.4.1 磨料影响 2.4.2 磨盘压力影响 3 抛光工艺 3.1 抛光作用 3.2 抛光要求 3.3 抛光方法 3.3.1 机械抛

25、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 课程关键：本节简单介绍了衬底制备中切片、磨片和抛光三个工艺基础情况。相关硅单晶体切割，讨论了该工艺四个作用：即决定了所切出硅单晶片晶向、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金刚砂刀刃对硅单晶棒进行脆性磨削，因为切割刀片高速旋转和缓慢进刀，而使硅单

26、晶棒变成了一片一片硅单晶片；介绍了两种切割设备，一个是多用于硅单晶片切割内圆切割机，另一个是用于定位面切割外圆切割机；最终还给出了硅单晶体切割要求和注意事项。相关硅单晶片研磨，讨论了该工艺四个作用：即去除切片造成刀痕、调整硅单晶片厚度、提升硅单晶片平行度和改善硅单晶片平整度；讨论了硅单晶片研磨方法，依据设备不一样分为硅单晶片单面研磨和硅单晶片双面研磨，其研磨机理是相同；讨论了影响硅单晶片研磨原因，研磨质量关键取决于磨料质量和磨盘压力大小。相关硅单晶片抛光，讨论了该工艺作用，关键是去除磨片造成和磨料粒度相当损伤层，以取得高洁净、无损伤、平整光滑硅单晶片镜面表面；讨论了抛光工艺三种抛光方法，即机械

27、抛光、化学抛光和化学机械抛光方法。机械抛光是采取更细磨料在盖有抛光布磨盘上进行细磨，因为其工艺过程中无化学反应，则该工艺适适用于化合物半导体晶片表面抛光；化学抛光是利用化学腐蚀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法，因为该抛光工艺抛光速度快、效率高，则该工艺更适适用于高硬度衬底表面抛光（如蓝宝石、尖晶石等）；化学机械抛光是硅单晶片抛光常见工艺，该工艺综合了机械抛光、化学抛光两种方法各自优点，从方法上看，是采取了机械抛光设备而加入了化学抛光剂，化机抛光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

28、方法，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法。 课程难点：硅单晶切割方法和原理；硅单晶切割要求和注意事项。硅单晶片研磨方法和原理；硅单晶片单面研磨方法和双面研磨方法区分；注意磨料质量和磨盘压力是怎样影响研磨质量。硅单晶片三种抛光方法各自抛光原理和抛光工艺；三种抛光方法各自应用特点和应用范围。基础概念： 1 晶片平行度-指某晶片厚度不均匀 情况。2晶片厚度公差-晶片和晶片之间厚度差异。3晶片单面研磨 -晶片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方法。4 晶片双面研磨 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方法。5 机械

29、抛光-采取极细磨料、在盖有细密抛光布抛光盘上对衬底表面进行细磨工艺过程。6化学抛光-利用化学腐蚀方法对衬底表面进行去损伤层处理过程。7 化学机械抛光-采取机械抛光设备、加入化学抛光剂对衬底表面损伤层进行处理过程。 基础要求：熟知半导体集成电路制造对衬底片要求，了解衬底制备工艺是怎样一步步达成以上要求。清楚知道晶片切割工艺方法和原理，了解晶片切割工艺过程，知道晶片切割工艺要求和注意事项。清楚知道晶片研磨工艺方法和工艺原理，熟悉两种研磨方法，知道研磨工艺达成目标和要求，能分析影响研磨质量多种原因。清楚知道晶片抛光多种工艺方法和工艺原理，能依据不一样待抛光衬底实际情况选择适宜抛光方法，适宜抛光方法。

30、 第一章衬底材料及衬底制备作业 思索题3题+习题3题 第二章： 外延工艺原理 （8课时） 2.1 外延技术概述 1.5课时 课程内容：1 外延分类 1.1 由外延材料名称不一样分类 1.2 由外延层材料和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 外延技术介绍2.1 定义2.1.1 外延技术2.1.2 外延层2.2

31、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外延工艺3.1 硅外延工艺3.1.1 经典外延装置3.1.2硅外延可进行化学反应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 课程关键：本节介绍了什么是外延？外延技术处理了哪些器件制造中难题。介绍了外延技术分类，由外延材料不一样可分为硅外延、砷化镓外延等等；由外延层和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；由外延过程中生长机构可分为直接

32、外延和间接外延。对外延技术做了简单介绍，给出了外延技术和外延层定义；介绍了低温外延、变温外延、分步外延和分子束外延多个较新外延技术。对在集成电路制造中常见外延工艺做了概述。对硅外延工艺，介绍了其经典外延装置，包含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经典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 、可通冷却水铜感应线圈、靠产生涡流加热石墨基座）、测温装置及石英管组成反应器；对硅外延可进行化学反应进行了讨论，包含氢气还原法中四氯化

33、硅氢气还原法、三氯氢硅氢气还原法 和热分解法中二氯氢硅热分解法、硅烷热分解法。对砷化镓外延工艺，关键介绍了三类外延方法中常见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多个问题、介绍了液相外延生长系统（水平生长系统和垂直生长系统），因为水平生长系统较为常见，所以关键介绍了多种水平液相生长系统。课程难点：外延定义、外延技术定义、外延层定义。在外延分类中，按外延材料不一样分类时所包含种类及其定义；按器件制作层次不一样分类时所包含种类及其定义；按外延外延层和衬底材料相同或不一样分类时所包含种类及其定义；按外延生长环境状态不

34、一样分类时所包含种类及其定义；按外延生长机构不一样分类时所包含种类及其定义。外延技术处理了半导体集成电路制造中哪些难题？是怎样处理。对于半导体集成电路制造中常见外延技术，相关硅外延技术经典生长装置、装置中关键组成部分、外延中区分两类方法（氢气还原方法、热分解方法）可进行化学反应；相关砷化镓外延技术两种外延类型、气相外延工艺中两种外延方法（卤化物外延工艺、氢化物外延工艺）各自工艺过程和化学反应情况、液相外延工艺中应注意问题和多个实际外延系统外延原理。 基础概念：1 外延-在一定条件下，经过一定方法取得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上；在排列时控制相关工艺条件，使排列结果形成含有一定导电

35、类型、一定电阻率、一定厚度。晶格完美新单晶层过程。2 硅外延-生长硅外延层外延生长过程。3砷化镓外延-生长砷化镓外延层外延生长过程。4 同质外延-生长外延层材料和衬底材料结构相同外延生长过程。5 异质外延-生长外延层材料和衬底材料结构不一样外延生长过程。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前期外延生长过程。8液相外延-衬底片待生长面浸入外延生长液体环境中生长外延层外延生长过程。9气相外延-在含有外延生长所需原子化合物气相环境中，经过一定方法获取外延生长所需原子，使其按要求要求排列而生

36、成外延层外延生长过程。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，按要求要求排列生成外延层外延生长过程。11 直接外延-整个外延层生长中无中间化学反应过程外延生长过程。12间接外延-外延所需原子由含其基元化合物经化学反应得到，然后淀积、加接形成外延层外延生长过程。13 外延层-由原始衬底表面起始，沿其结晶轴向（垂直于衬底表面方向）平行向外延伸所生成新单晶层。14外延技术-生长外延层技术。基础要求：了解外延技术处理了半导体分离器件和集成电路制造中存在哪些难题？为何说外延技术处理了器件参数对材料要求矛盾、是什么矛盾、怎样处理？为何说外延技术提供了

37、集成电路隔离一个方法、什么方法？为何说外延技术为发光器件、光学器件异质结形成提供了路径？要求知道外延技术是怎样分类、多种分类中外延是怎样定义？要求能大致了解较新外延技术。要求清楚知道在集成电路制造中常见硅外延工艺经典外延装置和外延过程中全部可能化学反应；要求清楚知道在集成电路制造中常见于砷化镓外延工艺中液相外延注意事项及液相外延反应系统、气相外延两种外延工艺及其外延过程中全部化学反应。 2.2 四氯化硅氢气还原法外延原理 4.5课时 课程内容：2.2.1 四氯化硅氢气还原法外延生长过程1 化学原理1.1 四氯化硅氢气还原机理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

38、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和氢气反应1.2.4 副产物排除1.2.5 硅原子在生长层表面加接2 111面硅外延生长结晶学原理2.1 晶核形成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）面上结晶体是六棱形2.2.3 （111）面上六棱形结晶体是非对称2.3 生长面平坦扩展2.2.2 外延系统及外延生长速率1 外延系统形态1.1 外延系统流体形态1.1.1 流体连续性1.1.2 流体粘滞性1.2 流体两种流动形态 1.2.1 流体紊流态 1.2.2 流体层流态 1.3 流体形态判据及外延系统中流体流形 1.3.1平板雷诺数 1.3.2 流体流形判定 1.3.3