《集成電路制造工藝原理》課程教學教案山東大學信息科學與工程學院電子科學與技術教研室(微電)張新課程總體介紹：課程性質及開課時間：本課程為電子科學與技術專業（微電子技術方向和光電子技術方向）的專業選修課。本課程是半導體集成電路、晶體管原理與設計和光集成電路等課程的前修課程。本課程開課時間暫定在第五學期。參考教材：《半導體器件工藝原理》國防工業出版社華中工學院、西北電訊工程學院合編《半導體器件工藝原理》（上、下冊）國防工業出版社成都電訊工程學院編著《半導體器件工藝原理》上海科技出版社《半導體器件制造工藝》上海科技出版社《集成電路制造技術-原理與實踐》電子工業出版社《超大規模集成電路技術基礎》電子工業出版社《超大規模集成電路工藝原理-硅和砷化鎵》電子工業出版社目前實際教學學時數：課內課時54學時教學內容簡介：本課程主要介紹了以硅外延平面工藝為基礎的，與微電子技術相關的器件（硅器件）、集成電路（硅集成電路）的制造工藝原理和技術；介紹了與光電子技術相關的器件（發光器件和激光器件）、集成電路（光集成電路）的制造工藝原理，主要介紹了最典型的化合物半導體砷化鎵材料以及與光器件和光集成電路制造相關的工藝原理和技術。教學課時安排：(按54學時)課程介紹及緒論2學時第一章襯底材料及襯底制備6學時第二章外延工藝8學時第三章氧化工藝7學時第四章摻雜工藝12學時第五章光刻工藝3學時第六章制版工藝3學時第七章隔離工藝3學時第八章表面鈍化工藝5學時第九章表面內電極與互連3學時第十章器件組裝2學時課程教案:課程介紹及序論（2學時）內容：課程介紹：1教學內容1.1與微電子技術相關的器件、集成電路的制造工藝原理1.2與光電子技術相關的器件、集成電路的制造1.3參考教材教學課時安排學習要求序論：課程內容：半導體技術概況1.1半導體器件制造技術1.1.1半導體器件制造的工藝設計1.1.2工藝制造1.1.3工藝分析1.1.4質量控制1.2半導體器件制造的關鍵問題1.2.1工藝改革和新工藝的應用1.2.2環境條件改革和工藝條件優化1.2.3注重情報和產品結構的及時調整1.2.4工業化生產典型硅外延平面器件管芯制造工藝流程及討論2.1常規npn外延平面管管芯制造工藝流程2.2典型pn隔離集成電路管芯制造工藝流程2.3兩工藝流程的討論2.3.1有關說明2.3.2兩工藝流程的區別及原因課程重點：介紹了與電子科學與技術中的兩個專業方向（微電子技術方向和光電子技術方向）相關的制造業，指明該制造業是社會的基礎工業、是現代化的基礎工業，是國家遠景規劃中置于首位發展的工業。介紹了與微電子技術方向相關的分離器件（硅器件）、集成電路（硅集成電路）的制造工藝原理的內容，指明微電子技術從某種意義上是指大規模集成電路和超大規模集成電路的制造技術。由于集成電路的制造技術是由分離器件的制造技術發展起來的，則從制造工藝上看，兩種工藝流程中絕大多數制造工藝是相通的，但集成電路制造技術中包含了分離器件制造所沒有的特殊工藝。介紹了與光電子技術方向相關的分離器件、集成電路的制造工藝原理的內容。指明這些器件（發光器件和激光器件）和集成電路（光集成電路）多是由化合物半導體為基礎材料的，最常用和最典型的是砷化鎵材料，本課程簡單介紹了砷化鎵材料及其制造器件時相關的工藝技術與原理。在課程介紹中，指出了集成電路制造工藝原理的內容是隨著半導體器件制造工藝技術發展而發展的、是隨著電子行業對半導體器件性能不斷提高的要求（小型化、微型化、集成化、以及高頻特性、功率特性、放大特性的提高）而不斷充實的。綜觀其發展歷程，由四十年代末的合金工藝原理到五十年代初的合金擴散工藝原理，又由于硅平面工藝的出現而發展為硅平面工藝原理、繼而發展為硅外延平面工藝原理，硅外延平面工藝是集成電路制造的基礎工藝；在制造分離器件和集成電路時，為提高器件和集成電路的可靠性、穩定性，引入了若干有實效的保護器件表面的工藝，則加入了表面鈍化工藝原理的內容；在制造集成電路時，為實現集成電路中各元器件間的電性隔離，引入了隔離墻的制造，則又加入了隔離工藝原理的內容。因此，集成電路工藝原理=硅外延平面工藝原理+表面鈍化工藝原理+隔離工藝原理，而大規模至甚大規模集成電路的制造工藝，只不過是在摻雜技術、光刻技術（制版技術）、電極制造技術方面進行了技術改進而已。介紹了半導體技術概況，指出半導體技術是由工藝設計、工藝制造、工藝分析和質量控制四部分構成。工藝設計包含工藝參數設計、工藝流程設計和工藝條件設計三部分內容，其設計過程是：由器件的電學參數（分離器件電學參數和集成電路功能參數）參照工藝水平進行結構參數的設計；然后進行理論驗算（結構參數能否達到器件的電學參數的要求）；驗算合格，依據工藝原理和原有工藝數據進行工藝設計。工藝制造包含工藝程序實施、工藝設備、工藝改革三部分內容。工藝分析包含原始材料分析、外延片質量分析、各工序片子參數分析和工藝條件分析等四部分內容，工藝分析的目的是為了工藝改進。質量控制包含分離器件和集成電路的失效機理研究、可靠性分析和工藝參數控制自動化三部分內容。在介紹、討論、分析的基礎上，指明了半導體器件制造中要注意的幾個關鍵問題。介紹了以典型硅外延平面工藝為基礎的常規npn外延平面管管芯制造工藝流程和典型pn隔離集成電路管芯制造工藝流程，并分析了兩種工藝的共同處和不同處。課程難點：半導體器件制造的工藝設計所涉及的三部分內容中工藝參數設計所包含的具體內容；工藝流程設計包含的具體內容；工藝條件設計包含的具體內內容。工藝制造涉及的具體內容，工藝線流程與各工序操作流程的區別。半導體器件制造的工藝分析所涉及的四部分內容，進行原始材料分析、外延片質量分析、各工序片子參數分析、工藝條件分析的意義何在；如何對應器件的不合格性能參數，通過上述四項分析進行工藝改進，從而得到合格性能參數。半導體器件制造的質量控制須做哪些工作，為什么說通過質量控制，器件生產廠家可提高經濟效益、可提高自身產品的競爭能力、可提高產品的信譽度。什么是工藝改革和新工藝的應用？什么是環境條件改革和工藝條件優化？為什么要注重情報和及時調整產品結構？什么是工業化大生產？這些問題為什么會成為半導體器件制造中的關鍵問題？為什么說半導體器件制造有冗長的工藝流程？十幾步的分離器件制造工藝流程與二十幾步的集成電路制造工藝流程有什么區別？集成電路制造比分離器件制造多出了隔離制作和埋層制作，各自有哪幾步工藝構成？各起到什么作用？基本概念：1半導體器件-由半導體材料制成的分離器件和半導體集成電路。2半導體分離器件-各種晶體三極管；各種晶體二極管；各種晶體可控硅。3半導體集成電路-以半導體（硅）單晶為基片，以外延平面工藝為基礎工藝，將構成電路的各元器件制作于同一基片上，布線連接構成的功能電路。4晶體三極管的電學參數-指放大倍數、結的擊穿電壓、管子的工作電壓、工作頻率、工作功率、噪聲系數等。5晶體三極管的結構參數-包括所用材料、電性區各層結構參數、器件芯片尺寸、外延層結構參數和工藝片厚度等。6硅平面工藝-指由熱氧化工藝、光刻工藝和擴散工藝為基礎工藝構成的近平面加工工藝。7硅外延平面工藝-外延工藝+硅平面工藝構成的器件制造工藝。基本要求：要求學生了解本課程的性質，知道學好集成電路制造工藝原理對學習專業課的重要性。掌握半導體器件制造技術中所涉及的四部分內容。了解工藝設計所涉及的三部分內容中工藝參數設計所包含的具體內容；工藝流程設計包含的具體內容；工藝條件設計包含的具體內內容。了解工藝制造涉及的具體內容，知道工藝線流程與各工序操作流程的區別是什么。了解半導體器件制造的工藝分析所涉及的四個分析內容，知道進行原始材料分析、外延片質量分析、各工序片子參數分析、工藝條件分析的指導意義；能夠對應器件的不合格性能參數，通過上述四項分析進行工藝改進，從而得到合格性能參數。知道半導體器件制造的質量控制須做哪些工作，能清楚知道通過質量控制，器件生產廠家可提高經濟效益、可提高自身產品的競爭能力、可提高產品的信譽度的原因。知道什么是工藝改革和新工藝的應用？什么是環境條件改革和工藝條件優化？為什么要注重情報和及時調整產品結構？什么是工業化大生產？清楚這些問題為什么會成為半導體器件制造中的關鍵問題？了解半導體器件制造有冗長的工藝流程，分離器件制造工藝至少有十幾步的工藝流程，集成電路制造工藝至少有二十幾步的制造工藝流程。知道集成電路制造比分離器件制造多出了隔離制作和埋層制作兩大部分，知道制作隔離區的目的何在？制作埋層區的目的何在？清楚隔離制作有哪幾步工藝構成？知道隔離氧化、隔離光刻和隔離擴散工藝各自達到什目的；清楚埋層制作有哪幾步工藝構成？知道埋層氧化、埋層光刻和埋層擴散工藝各自達到什目的。緒論作業：思考題：2個第一章襯底材料及襯底制備(6學時)§1.1襯底半導體材料3學時課程內容：1常用半導體材料及其特點常用半導體材料1.1.1元素半導體材料1.1.2化合物半導體材料硅材料的特點1.2.1價格低、純度高1.2.2制成的器件能工作在較高溫度下1.2.3電阻率選擇范圍寬1.2.4其特有的硅外延平面工藝砷化鎵材料的特點1.3.1載流子的低場遷移率高1.3.2禁帶寬度更大1.3.3能帶結構更接近躍遷型2硅、砷化鎵的晶體結構及單晶硅體2.1硅的晶體結構及特點2.1.1硅的金剛石型晶胞結構2.1.2硅原子沿〈111〉向的排列規律2.2砷化鎵的晶體結構及特點2.2.1砷化鎵的閃鋅礦型晶胞結構2.2.2砷化鎵的〈111〉向六棱柱晶胞2.2.3砷化鎵的〈111〉向特點2.3硅、砷化鎵晶體的制備方法2.3.1硅單晶體的制備方法2.3.2砷化鎵晶體的制備方法2.4單晶硅體2.4.1單晶硅體呈圓柱狀2.4.2單晶硅體上具有生長晶棱3硅襯底材料的選擇3.1硅襯底材料的結構參數3.1.1結晶質量3.1.2生長晶向3.1.3缺陷密度3.2硅襯底材料的物理參數3.2.1電阻率3.2.2少數載流子壽命3.2.3雜質（載流子）補償度3.3硅襯底材料的電性參數3.4其它要注意的問題3.4.1電阻率不均勻性問題3.4.2重金屬雜質和氧、碳含量問題課程重點:本節主要介紹了半導體器件（半導體分離器件和半導體集成電路）制造中常用的半導體材料。在硅、鍺元素半導體材料中，普遍應用的是硅半導體材料；在銻化銦、磷化鎵、磷化銦、砷化鎵等化合物半導體材料中，最常應用的是砷化鎵半導體材料。分別介紹了硅半導體材料和砷化鎵半導體材料各自的特點，相應的應用場合。討論了硅半導體材料和砷化鎵半導體材料的晶體結構，從中可知，雖然硅晶體具有金剛石型晶胞結構，而砷化鎵晶體具有閃鋅礦型晶胞結構，但從晶胞的構成和某些性質有相似的地方，但應注意其性質上的根本區別。由硅原子沿〈111〉向的排列規律可知，在一個硅晶體的六棱柱晶胞中有七個相互平行的{111}面；而七個面構成的六個面間有兩種面間距，其中一個體現面間距大的特點，另一個體現面間距小的特點；每一個{111}晶面具有相同的原子面密度；原子平面間是靠共價鍵連接的，而六個面間有兩種面間共價鍵密度，在三個面間每個原子均為三鍵連接-體現面間價鍵密度大的特點，在另三個面間每個原子均為單鍵連接-體現面間價鍵密度小的特點。從結構中可知，面間價鍵密度小的面間同時面間距大，而面間價鍵密度大的面間同時面間距小，由此引入兩個結論：面間價鍵密度小而同時面間距大的面間，極易被分割，稱為硅晶體的解理面；面間價鍵密度大同時面間距小的面間，面間作用力極強，則被看作是不可分割的雙層原子面，即當一個面看待。砷化鎵晶體中原子沿〈111〉向的排列規律與硅晶體的相似，只不過砷面和鎵面交替排列（四個砷面夾著三個鎵面或四個鎵面夾著三個砷面）而已。還討論了硅晶體和砷化鎵晶體的制備，硅單晶體通常采用直拉法或懸浮區熔法進行生長；砷化鎵晶體通常采用梯度凝固生長法或液封式直拉法制備。本節還對半導體器件制造最常用的單晶硅體進行了討論，可知單晶硅體呈圓柱狀，但在單晶硅體上存在與單晶生長晶向相關的生長晶棱；因為與硅原子沿生長晶向排列有關，沿不同晶向生長的單晶硅體上晶棱數目不同，晶棱對稱程度也不同。最后討論了硅單晶的質量參數（硅襯底材料的選擇），這對了解硅單晶材料的性能并進而在器件的生產中正確的選擇硅襯底材料是至關重要的。課程難點：硅單晶的晶體結構及結構分析；砷化鎵晶體的晶體結構及結構分析。硅單晶的兩種制備工藝及其工藝分析、工藝過程討論；砷化鎵晶體的兩種制備工藝及其工藝分析、工藝過程討論。硅單晶體的外部特征，導致硅單晶體外部特征與硅單晶體內部結構（原子排列規律）的對應關系分析討論。硅單晶體的結構參數要求；物理參數要求和電性參數要求。基本概念：1元素半導體材料-完全由一種元素構成的，具有半導體性質的材料。2化合物半導體材料-由兩種或兩種以上的元素構成的，具有半導體性質的材料。3面間共價鍵密度-在相鄰原子面間任取一平行平面，單位面積的共價鍵露頭數。4少子壽命-少數載流子壽命，它反映了少數載流子保持其電性的時間長短，記為τ。它與單晶體中的缺陷和重金屬雜質的多少有關。5補償度-載流子補償度（雜質補償度），記為M。由于半導體中的雜質全部電離，則其反映了半導體材料中反型雜質的多少。基本要求：了解用于半導體器件制造的半導體材料的類型，了解元素半導體材料的類型及構成，了解化合物半導體材料的類型及構成。知道半導體器件制造中最常用的硅半導體材料的特點，知道半導體光學器件制造中最常用的砷化鎵半導體材料的特點。清楚硅半導體晶體和砷化鎵半導體晶體的晶體結構，以及它們的結構特點；知道它們在結構上的相似處和不同處；知道由硅半導體晶體結構分析引入的兩個結論，并清楚它們對半導體器件制造的指導意義。了解硅半導體單晶體是如何制備的，清楚其不同的制備工藝；知道砷化鎵半導體晶體是如何制備的，及其了解各種制備工藝。清楚知道硅半導體單晶體的外部特征，知道這些外部特征與晶體內部結構之間的密切聯系。知道如何進行硅襯底材料的選擇，知道在硅單晶的質量參數中結構參數包括哪一些、物理參數包括哪一些、電性參數是指什么；對高要求和高性能的集成電路制造，還應注意哪些材料的質量參數。§1.2硅單晶的定向2學時課程內容：1定向的方法1.1根據晶體生長的各向異性定向1.2根據晶體解理的各向異性定向1.3根據晶體腐蝕的各向異性定向1.4光圖定向1.5x光衍射定向2光圖定向的方法與原理2.1顯示晶面解理坑2.2晶面解理坑的結構與分布2.3光向與晶向2.4光圖定向儀2.5光圖定向3.光圖定向器件生產中的應用3.1定向切割3.2定向劃片及定位面的制造課程重點：本節介紹了常規集成電路制造中硅單晶體定向。粗略的可根據晶體生長的各向異性定向、根據晶體解理的各向異性定向、根據晶體腐蝕的各向異性定向；較精確的可進行光圖定向；更精確的可進行x光衍射定向。本節主要介紹了常規集成電路制造中最常用的光圖定向，根據光圖定向的三個必備條件，進行了顯示晶面解理坑的討論；晶面解理坑的結構與分布的討論；平行光照射晶面解理坑后，得到的反射光象與晶體晶向關系的討論；討論了常見的光圖定向儀；并對光圖定向的設備要求和光圖定向步驟進行了討論。最后，討論了光圖定向在常規集成電路制造中兩種常見的應用，定向切割是在一定生長晶向的硅單晶棒上切出所需晶面的硅單晶片；而定位面的制造是為了適應器件生產中的定向劃片，指出定向劃片可以獲得大量完整的管芯，定位面為定向劃片提供了劃片的參考平面。課程難點：為什么可根據晶體生長的各向異性、晶體解理的各向異性、晶體腐蝕的各向異性進行定向，與晶體結構的關系如何。在光圖定向中，顯示晶面解理坑采用了電化學腐蝕，腐蝕前為什么要進行金剛砂研磨？在電化學腐蝕液中，晶格畸變區和晶格完整區各具有不同的性質，進行了什么不同的化學反應，其反應機理是什么。當在低指數晶面的晶片上制備晶面解理坑時，獲得的是以平行該低指數晶面的面為底、以{111}面為側面圍成的平底錐坑，此類結構的形成機理及與晶體結構的關系。光圖定向中光象與晶向之間的一一對應關系。考慮定位面劃片時就能減少管芯的碎裂的理論依據。基本概念：1光圖定向-用平行光照射單晶體上的晶面解理坑，根據反射光象判定、調正晶向的方法。2晶面解理坑-以低指數晶面圍成的、與晶面（晶向）有一定對應關系的晶面腐蝕坑。其側面為解理面。3晶格畸變區-指晶格有損傷的或不完整的區域，該區域存在較大的晶格內應力，內能大。4晶格完整區-指晶格結構完整或完美的區域，該區域晶格內應力低，內能小。5反射光象-用平行光照射晶面解理坑，晶面解理坑某組平面對光的反射而得到的光圖（光象）。6定向切割-光圖定向+垂直切割。7定向劃片-按規定沿解理向進行劃片的方法。基本要求：了解硅單晶體定向的目的、可采用的方法、定向原理。知道幾種粗略定向方法的理論依據，較精確定向方法間的比較。清楚光圖定向的方法和原理，能通過合適方法得到晶面解理坑、能通過一定手段得到反射光象、能由反射光象與晶體晶向的關系分析判定晶向、當晶向有偏離時能通過調整光圖調正晶向。知道光圖定向是如何在半導體器件制造中得到應用的，知道光圖定向在定向切割中所起的作用、知道光圖定向如何參與定位面的制作和定位面是如何在定向劃片中起到作用的。§1.3硅襯底制備工藝簡介1學時課程內容：1硅單晶的切割1.1工藝作用1.2切割原理1.3切割設備1.4切割方法1.5切割要求1.5.1硅片厚度1.5.2硅片兩面平行度1.5.3硅片厚度公差1.6注意事項2研磨工藝2.1研磨的作用2.2研磨的方法2.2.1單面研磨2.2.2雙面研磨2.3研磨要求2.4影響研磨的因素2.4.1磨料的影響2.4.2磨盤壓力的影響3拋光工藝3.1拋光的作用3.2拋光的要求3.3拋光的方法3.3.1機械拋光工藝3.3.1.1方法及原理3.3.1.2優缺點3.3.1.3適用范圍3.3.2化學拋光工藝3.3.2.1原理3.3.2.2方法3.3.2.3優缺點3.3.2.4適用范圍3.3.3化學機械拋光工藝3.3.3.1方法及原理3.3.3.2化學機械拋光種類3.3.3.3拋光過程分析課程重點：本節簡單介紹了襯底制備中切片、磨片和拋光三個工藝的基本情況。關于硅單晶體的切割，討論了該工藝的四個作用：即決定了所切出的硅單晶片的晶向、晶片厚度、晶片平行度和晶片翹度；討論了切割原理：實際上是利用了刀片上的金剛砂刀刃對硅單晶棒進行脆性磨削，由于切割刀片的高速旋轉和緩慢進刀，而使硅單晶棒變成了一片一片的硅單晶片；介紹了兩種切割設備，一種是多用于硅單晶片的切割的內圓切割機，另一種是用于定位面切割的外圓切割機；最后還給出了硅單晶體的切割的要求和注意事項。關于硅單晶片的研磨，討論了該工藝的四個作用：即去除切片造成的刀痕、調節硅單晶片的厚度、提高硅單晶片的平行度和改善硅單晶片的平整度；討論了硅單晶片研磨的方法，根據設備的不同分為硅單晶片的單面研磨和硅單晶片的雙面研磨，其研磨機理是相同的；討論了影響硅單晶片研磨的因素，研磨質量主要取決于磨料的質量和磨盤壓力的大小。關于硅單晶片的拋光，討論了該工藝的作用，主要是去除磨片造成的與磨料粒度相當的損傷層，以獲得高潔凈的、無損傷的、平整光滑的硅單晶片的鏡面表面；討論了拋光工藝的三種拋光方法，即機械拋光、化學拋光和化學機械拋光方法。機械拋光是采用更細的磨料在蓋有拋光布的磨盤上進行細磨，由于其工藝過程中無化學反應，則該工藝適用于化合物半導體晶片的表面拋光；化學拋光是利用化學腐蝕的方法對晶片表面進行拋光，它對待研磨片平整度要求較高，化學拋光可分為液相拋光和氣相拋光兩種拋光方式，由于該拋光工藝拋光速度快、效率高，則該工藝更適用于高硬度襯底表面的拋光（如藍寶石、尖晶石等）；化學機械拋光是硅單晶片拋光的常用工藝，該工藝綜合了機械拋光、化學拋光兩種方法的各自的優點，從方法上看，是采用了機械拋光設備而加入了化學拋光劑，化機拋光的種類可分為酸性拋光液拋光和堿性拋光液拋光兩種，酸性拋光液拋光有鉻離子拋光和銅離子拋光兩種方式，堿性拋光液拋光為二氧化硅拋光、也分為膠體二氧化硅拋光和懸浮二氧化硅拋光兩種方式。課程難點：硅單晶切割的方法與原理；硅單晶切割的要求和注意事項。硅單晶片研磨的方法和原理；硅單晶片單面研磨方式和雙面研磨方式的區別；注意磨料質量和磨盤壓力是如何影響研磨質量的。硅單晶片的三種拋光方法各自的拋光原理與拋光工藝；三種拋光方法各自的應用特點和應用范圍。基本概念：1晶片的平行度-指某晶片的厚度不均勻的狀況。2晶片的厚度公差-晶片與晶片之間厚度的差別。3晶片的單面研磨-晶片的單面研磨指將晶片用石蠟粘在壓塊上，在磨盤上加壓對空面進行研磨的方法。4晶片的雙面研磨–指將晶片置于行星托片中，在上、下磨盤中加壓進行雙面研磨的方法。5機械拋光-采用極細的磨料、在蓋有細密拋光布的拋光盤上對襯底表面進行細磨的工藝過程。6化學拋光-利用化學腐蝕的方法對襯底表面進行去損傷層處理的過程。7化學機械拋光-采用機械拋光設備、加入化學拋光劑對襯底表面損傷層進行處理的過程。基本要求：熟知半導體集成電路制造對襯底片的要求，了解襯底制備工藝是如何一步步達到以上要求的。清楚知道晶片切割工藝的方法與原理，了解晶片切割工藝過程，知道晶片切割的工藝要求和注意事項。清楚知道晶片研磨的工藝方法和工藝原理，熟悉兩種研磨方法，知道研磨工藝達到的目的和要求，能分析影響研磨質量的各種因素。清楚知道晶片拋光的各種工藝方法和工藝原理，能根據不同的待拋光襯底的實際狀況選擇合適的拋光方式，合適的拋光方法。第一章襯底材料及襯底制備作業思考題3題+習題3題第二章：外延工藝原理（8學時）§2.1外延技術概述1.5學時課程內容：1外延分類1.1由外延材料的名稱不同分類1.2由外延層材料與襯底材料相同否分類1.2.1同質外延1.2.2異質外延1.3由器件作在外延層上還是襯底上分類1.3.1正外延1.3.2負外延（反外延）1.4由外延生長狀態分類1.4.1液相外延1.4.2氣相外延1.4.3分子束外延1.5由外延生長機構分類1.5.1直接外延1.5.2間接外延2外延技術簡介2.1定義2.1.1外延技術2.1.2外延層2.2外延新技術2.2.1低溫外延2.2.2變溫外延2.2.3分步外延2.2.4分子束外延3集成電路制造中常見的外延工藝3.1硅外延工藝3.1.1典型外延裝置3.1.2硅外延可進行的化學反應3.2砷化鎵外延工藝3.2.1氣相外延工藝3.2.2液相外延工藝課程重點：本節介紹了什么是外延？外延技術解決了哪些器件制造中的難題。介紹了外延技術的分類，由外延材料的不同可分為硅外延、砷化鎵外延等等；由外延層與襯底材料相同否可分為同質外延和異質外延；由在外延層上還是在襯底上制造器件可分為正外延和負外延（反外延）；由外延的生長環境狀態可分為液相外延、氣相外延和分子束外延；由外延過程中的生長機構可分為直接外延和間接外延。對外延技術做了簡單的介紹，給出了外延技術和外延層的定義；介紹了低溫外延、變溫外延、分步外延和分子束外延幾種較新的外延技術。對在集成電路制造中常見的外延工藝做了概述。對硅外延工藝，介紹了其典型外延裝置，包括了臥式外延反應器裝置、立式外延反應器裝置和桶式外延反應器裝置；以氫氣還原四氯化硅的典型臥式外延反應器裝置為例進行了設備介紹，該設備包含了氣體控制裝置（氣體純化裝置、硅化物源〈純硅化物源和含雜硅化物源〉、控制管道及裝置等）、高（射）頻加熱裝置（高〈射〉頻感應信號爐、可通冷卻水的銅感應線圈、靠產生渦流加熱的石墨基座）、測溫裝置及石英管構成的反應器；對硅外延可進行的化學反應進行了討論，包括氫氣還原法中的四氯化硅氫氣還原法、三氯氫硅氫氣還原法以及熱分解法中的二氯氫硅熱分解法、硅烷熱分解法。對砷化鎵外延工藝，主要介紹了三類外延方法中常見的氣相外延工藝和液相外延工藝，在氣相外延工藝中，討論了鹵化物外延工藝和氫化物外延工藝；在液相外延工藝中，介紹了液相外延應注意的幾個問題、介紹了液相外延生長系統（水平生長系統和垂直生長系統），由于水平生長系統較為常用，所以重點介紹了各種水平液相生長系統。課程難點：外延的定義、外延技術的定義、外延層的定義。在外延分類中，按外延材料不同分類時所包含的種類及其定義；按器件制作的層次不同分類時所包含的種類及其定義；按外延外延層與襯底材料相同或不同分類時所包含的種類及其定義；按外延生長環境狀態不同分類時所包含的種類及其定義；按外延生長機構不同分類時所包含的種類及其定義。外延技術解決了半導體集成電路制造中哪些難題？是如何解決的。對于半導體集成電路制造中常見的外延技術，關于硅外延技術的典型生長裝置、裝置中的主要組成部分、外延中區別兩類方式（氫氣還原方式、熱分解方式）可進行的化學反應；關于砷化鎵外延技術的兩種外延類型、氣相外延工藝中的兩種外延方法（鹵化物外延工藝、氫化物外延工藝）各自的工藝過程和化學反應狀況、液相外延工藝中應注意的問題和幾種實際外延系統的外延原理。基本概念：1外延-在一定條件下，通過一定方法獲得所需原子，并使這些原子有規則地排列在襯底上；在排列時控制有關工藝條件，使排列的結果形成具有一定導電類型、一定電阻率、一定厚度。晶格完美的新單晶層的過程。2硅外延-生長硅外延層的外延生長過程。3砷化鎵外延-生長砷化鎵外延層的外延生長過程。4同質外延-生長的外延層材料與襯底材料結構相同的外延生長過程。5異質外延-生長的外延層材料與襯底材料結構不同的外延生長過程。6正外延-在（外延/襯底）結構上制造器件時器件制造在外延層上的前期外延生長過程。7負外延（反外延）-在（外延/襯底）結構上制造器件時器件制造在襯底上的前期外延生長過程。8液相外延-襯底片的待生長面浸入外延生長的液體環境中生長外延層的外延生長過程。9氣相外延-在含有外延生長所需原子的化合物的氣相環境中，通過一定方法獲取外延生長所需原子，使其按規定要求排列而生成外延層的外延生長過程。10分子束外延-在高真空中，外延生長所需原子（無中間化學反應過程）由源直接轉移到待生長表面上，按規定要求排列生成外延層的外延生長過程。11直接外延-整個外延層生長中無中間化學反應過程的外延生長過程。12間接外延-外延所需的原子由含其基元的化合物經化學反應得到，然后淀積、加接形成外延層的外延生長過程。13外延層-由原始襯底表面起始，沿其結晶軸向（垂直于襯底表面的方向）平行向外延伸所生成的新單晶層。14外延技術-生長外延層的技術。基本要求：了解外延技術解決了半導體分離器件和集成電路制造中存在的哪些難題？為什么說外延技術解決了器件參數對材料要求的矛盾、是什么矛盾、如何解決的？為什么說外延技術提供了集成電路隔離的一種方法、什么方法？為什么說外延技術為發光器件、光學器件的異質結形成提供了途徑？要求知道外延技術是如何分類的、各種分類中的外延是如何定義的？要求能大致了解較新的外延技術。要求清楚的知道在集成電路制造中常用的硅外延工藝的典型外延裝置和外延過程中的所有可能的化學反應；要求清楚的知道在集成電路制造中常用于砷化鎵外延工藝中的液相外延的注意事項及液相外延反應系統、氣相外延的兩種外延工藝及其外延過程中的所有化學反應。§2.2四氯化硅氫氣還原法外延原理4.5學時課程內容：§2.2.1四氯化硅的氫氣還原法外延生長過程1化學原理四氯化硅的氫氣還原機理1.1.1為吸熱反應1.1.2伴有有害副反應1.1.3整個反應過程分兩步進行1.2反應步驟分析1.2.1四氯化硅質量轉移到生長層表面1.2.2四氯化硅在生長層表面被吸附1.2.3在生長層表面上四氯化硅與氫氣反應1.2.4副產物的排除1.2.5硅原子在生長層表面的加接2{111}面硅外延生長的結晶學原理2.1晶核的形成2.1.1結晶學核化理論2.1.2共價鍵理論2.2結晶體的形成2.2.1晶核沿六個[110]向和六個[112]向擴展2.2.2（111）面上的結晶體是六棱形的2.2.3（111）面上的六棱形結晶體是非對稱的2.3生長面的平坦擴展§2.2.2外延系統及外延生長速率外延系統的形態1.1外延系統的流體形態1.1.1流體的連續性1.1.2流體的粘滯性1.2流體的兩種流動形態1.2.1流體的紊流態1.2.2流體的層流態1.3流體形態判據及外延系統中的流體流形1.3.1平板雷諾數1.3.2流體流形判定1.3.3外延系統中的流體形態2外延系統中的附面層概念2.1速度附面層2.1.1實際外延系統近似2.1.2速度附面層定義2.1.3速度附面層的厚度表達式2.2質量附面層2.2.1質量附面層定義2.2.2質量附面的厚度表達式3外延生長速率3.1外延生長模型的建立3.2外延生長速率3.2.1外延生長速率的表達式3.2.2兩種極限條件下的外延生長速率4影響外延生長速率的諸因素4.1與溫度的關系4.1.1化學反應速率常數與溫度的關系4.1.2氣相質量轉移系數與溫度的關系4.1.3實際外延溫度的選擇4.2與反應劑濃度的關系4.3與氣體流量的關系4.4與襯底片位置量的關系5改善外延生長前后不均勻的工藝措施5.1適當增大混合氣體的流量5.2使基座相對氣流傾斜一小角度課程重點：本節以四氯化硅的氫氣還原法外延生長作為重點，討論了在{111}面上進行硅外延的所有化學反應機理和結晶生長原理。根據分析可知：整個外延過程實際上是外延生長的化學反應過程與外延生長的結晶過程的連續地、不斷地、重復進行的綜合過程。本節討論了外延生長的化學反應原理。由化學反應方程式分析可知：四氯化硅的氫氣還原反應是一個吸熱反應，只有當外延生長溫度大于一千度時，才有明顯的化學反應速率，才不影響外延生長的進行；四氯化硅的氫氣還原反應伴有若干副反應，這些副反應是指反應劑四氯化硅和反應副產物氯化氫對生長層（襯底）的腐蝕反應，副反應的存在和加強顯然會影響和嚴重影響外延生長速率，本節介紹了這些影響、并對保正外延向正方向進行提出了調控措施；由對化學反應模式分析可知：外延生長的化學反應過程是由兩步完成的，其基于化學反應的分子碰撞理論。本節對化學反應的反應步驟進行了分析，它包含了反應劑四氯化硅由氣相向生長層表面的質量轉移、反應劑四氯化硅在生長層表面被吸附、在生長層表面反應劑四氯化硅與還原劑氫氣反應、反應生成的副產物的排出和反應生成的高能、游離態硅原子的淀積、加接等若干過程，而高能、游離態硅原子的如何淀積、加接是外延生長的結晶學原理。本節介紹了外延生長的結晶學過程和結晶學原理，其結晶學過程是由化學反應獲得的高能、游離態硅原子→淀積于襯底表面上→在表面上移動希望按襯底晶格加接→首先形成若干分立的（具有原子〈雙層原子面-不可分割〉厚度的）晶核→隨其它硅原子在晶核上加接、晶核擴大→形成若干分立（非對稱六棱形的）結晶體→隨其它硅原子在結晶體上加接、結晶體擴大→若干分立的結晶體連成一片→形成一層（具有原子厚度的）新單晶層→再在新單晶層形成若干分立的（具有原子厚度的）晶核→再晶核擴大→…→形成一定厚度的外延新單晶層；基于上述外延生長的結晶學過程本節就為什么首先形成晶核、形成的晶核為什么是分立的、形成晶核的理論、如何由晶核形成結晶體、結晶體形成受到的結晶學上的限制、為什么在{111}面上的結晶體是非對稱六棱形的等等結晶學問題和原理進行了討論。本節還對外延系統及外延生長速率進行了介紹和討論。關于外延生長系統，對典型的臥式外延生長反應器系統進行了形態討論，指出外延生長反應系統是一個流體系統、介紹了流體的兩個性質、給出了流體的兩種流動形態、流體形態判據和判定、以及對實際外延系統中的流體形態進行了討論，在本部分討論中涉及了部分流體力學的內容。為了更好的討論外延生長速率，本節還給出了附面層的概念，由于流體的粘滯性而導致外延基座上方的流體流速存在變速的區域，由此引入了速度附面層的概念，同時給出了速度附面層的厚度表達式；由于速度附面層的存在，導致外延基座上方的極小區域內存在反應劑濃度的變化，由此引入了質量附面層的概念，同時給出了質量附面層的厚度表達式。在外延生長速率的討論中，建立了外延生長模型、由模型討論得到了外延生長速率的表達式、對外延生長速率的表達式進行了極限分析；討論了影響外延生長速率的溫度因素、反應劑濃度因素、混合氣體流量因素、以及在外延生長系統中，襯底片位置量的變化外延生長速率的影響；為了改善外延生長前后不均勻的現象，本節給出了兩個工藝措施。課程難點：首先要對外延生長過程有一個整體的概念。在{111}面上進行四氯化硅的氫氣還原外延生長的化學反應原理，其反應過程、反應中的狀態、反應中的步驟、化學反應的正反應和副反應（包含逆反應）。四氯化硅的氫氣還原外延生長的結晶學原理，其外延生長的結晶過程、結晶學的成核理論（結晶學理論和共價鍵理論）、晶核擴展理論、結晶體的形成、結晶體擴展理論、以及外延層的厚度長成和平坦擴展理論。實際臥式外延反應系統的分析，為流體系統、具有流體的兩個特性、流體的兩種流動形態、流體流形的判據和判定、實際外延系統的流體流形。外延生長系統中兩個附面層的定義、表達式及對外延生長的指導意義。外延模型的建立、理解和分析；外延模型對推導外延生長速率的指導意義；應用外延生長速率簡化表達式的極限條件分析；影響外延生長速率的各種因素討論及分析。基本概念：1外延生長過程-外延化學反應過程與外延結晶過程的連續、不斷、重復進行的全過程。2歧化特性-指一種物質在同一個反應中既起氧化劑的作用又起還原劑作用的性質。3歧化反應-符合歧化特性的化學反應。4表面吸附-指固體表面對氣相物質的吸引、固定。5流體的粘滯性-當流體饒流固體表面時，由于分子（原子）間的作用力（吸引力），使原來等速流進的流體在固體表面上方出現非等速流進的的現象，稱為粘滯現象；流體的這種性質稱為粘滯性。6流體的連續性-指流體是由無數連續運動的微團構成，在自然界無間斷點的性質。7流體的紊流態-指流體中連續運動的微團運動處于雜亂無章的狀態，也稱湍流態。8流體的層流態-指流體中連續運動的微團運動有序，形成彼此互不干擾的流線（流層）的狀態。9速度附面層-由于流體的粘滯作用，而使外延平板基座上方流體流速分布受到干擾的區域。由于該區域中的流體流速滯慢于層外，也稱為滯流層。10質量附面層-外延平板基座上方、速度附面層內，反應劑濃度（質量）有較大變化的區域。11反應劑的氣相質量轉移系數-單位時間內，由氣相到達單位面積表面的反應劑粒子數。12自摻雜效應——指在外延過程中，氣氛對襯底表面的腐蝕而使主氣流中雜質濃度起變化，從而造成前、后硅片的摻雜濃度不同的現象。基本要求：熟知外延生長過程的定義，知道外延生長過程是由外延化學反應過程與外延結晶過程的連續、不斷、重復進行構成的。知道在{111}面上進行四氯化硅的氫氣還原外延生長的化學反應原理，其反應過程、反應中的狀態、反應中的步驟、化學反應的正反應和副反應（包含逆反應）；知道化學反應的副反應（包含逆反應）對外延生長的不利影響，以及是如何影響的；清楚為什么該外延生長的化學反應不能一步進行，而兩步進行的可能性更大；清楚最可能的第二步反應是歧化反應，歧化反應是如何定義的；清楚的知道外延生長的化學反應步驟，知道每一步的具體內容；清楚副產物不能及時排出系統對外延帶來得弊端。知道四氯化硅的氫氣還原外延生長的結晶學原理，了解其外延生長的結晶過程，是如何由化學反應得到的高能、游離態硅原子通過加接而形成一層外延層完美表面的，而一定厚度的外延層是如何獲得的；知道結晶學的成核理論，從結晶學理論是如何根據原子團半徑來決定成核條件的、從共價鍵理論又是如何表明單原子直接加接和雙原子同時加接不能形成穩定晶核的，而形成穩定晶核至少需要三個或三個以上的原子同時加接；清楚晶核擴展理論，知道為什么在晶核上單原子直接加接和雙原子同時加接均能形成穩定的加接，而使晶核得到擴展；知道結晶體的形成、結晶體擴展理論，清楚為什么由于原子在晶核上加接、沿六個[110]向和六個[112]向擴展的結果是形成六棱結晶體，而且該六棱結晶體還是非對稱的；知道外延層的平坦擴展理論和厚度長成理論，即知道為什么不會在沒長平的外延層表面上形成新的晶核，知道外延生長結晶過程重復不斷進行即可獲得所要求厚度的外延層。知道外延生長的動力學原理，即由此進行外延系統分析和外延模型的建立、分析，從而得到外延生長速率表達式。關于外延系統分析，知道為什么實際外延生長系統是一個流體系統，流體具有的粘滯性和連續性的具體含義及對外延過程的指導意義；知道流體可能存在的兩種流動形態，清楚哪一種流動形態是外延工藝所希望的，而實際外延系統中的流動形態是怎樣的；關于外延系統中的附面層概念，知道為什么要引入速度附面層概念，速度附面層是如何定義的，速度附面層的厚度表達式；知道為什么要引入質量附面層概念，質量附面層是如何定義的，為什么說是質量附面層是由于速度附面層的存在而出現的，質量附面層的厚度表達式，為什么說是質量附面層厚度是速度附面層厚度的函數。關于外延模型的建立、分析和外延生長速率，能夠根據實際外延生長系統建立可用的外延生長模型，其中有可分析的外延層次關系，能夠通過分析討論得到外延生長速率表達式；清楚在什么極限條件下可采用不同的簡化外延生長速率表達式；知道影響外延生長速率的各種工藝因素，以及它們是如何對外延生長速率造成影響的；對外延生長的前后不均勻性，能夠采取適當工藝措施克服之。§2.3外延輔助工藝1學時課程內容：1氯化氫拋光工藝拋光目的氯化氫拋光工藝1.2.1氯化氫拋光方法1.2.2氯化氫拋光步驟1.3腐蝕反應和腐蝕速率1.3.1腐蝕反應1.3.2有關腐蝕速率1.4討論1.4.1腐蝕速率與氯化氫氣體分壓有關1.4.2腐蝕速率與溫度關系不明顯1.4.3在一定溫度下，應用氯化氫氣體分壓有最大值限制1.4.4有關其它拋光工藝2外延摻雜工藝2.1摻雜工藝原理2.1.1外延摻雜是與外延同時進行的2.1.2摻雜動力學原理2.2外延層中的摻雜濃度2.3摻雜方法2.3.1液相摻雜2.3.2氣相摻雜課程重點：本節介紹了外延輔助工藝，包括外延生長前的對襯底表面常用的氯化氫拋光工藝和為了保證外延層所要求的電性能而進行的外延摻雜工藝。關于氯化氫拋光工藝，主要介紹了對襯底表面進行拋光處理的必要性以及拋光達到的目的；重點討論了工藝，其中涉及了氯化氫拋光的方法和氯化氫拋光的工藝步驟；對氯化氫拋光的腐蝕反應和腐蝕速率進行了較詳細的分析；最后，對氯化氫拋光的腐蝕速率與各種因素的關系進行了討論；還強調指出氯化氫拋光工藝是一種氣相化學拋光，除了氯化氫氣氛外，其它如溴化氫、碘化氫、三氯乙烯、六氟化硫及溴氣等也可以作為拋光氣氛-這就形成了其它拋光工藝。關于外延摻雜工藝，首先介紹了半導體集成電路制造對外延層的電性要求；介紹了外延摻雜原理；重點討論了外延層中的摻雜濃度，討論中，首先建立了摻雜模型，根據對模型的分析，得到了與反應劑氣體分壓和摻雜劑氣體分壓有關的摻雜濃度表達式；介紹了液相摻雜和氣相摻雜兩種摻雜方法，并指出了它們各自的控制摻雜手段。課程難點：氯化氫拋光工藝中，通過拋光是如何可以達到高潔凈的、無損傷的、新鮮的待生長表面的；氯化氫拋光步驟中各步的工藝控制條件；化學氣相拋光的溫度控制特點；拋光腐蝕速率表達式用外延生長速率表達式表達時，式中各因子的含義發生了什么變化；腐蝕速率在低蝕率和高蝕率時的極限分析及在中等蝕率時的表達式分析；實際工藝中，氯化氫氣體分壓的選擇。在外延摻雜工藝中，注意 其摻雜原理與一般的合金摻雜和擴散摻雜有不同處，雜質是在外延過程中加入到外延層晶格點陣上的；由于摻雜與外延同時進行，則摻雜動力學原理與外延動力學原理極其相似，只不過雜質在加入到外延層晶格點陣上后，有一個離化的事實；外延摻雜模型的建立和分析，注意單位時間內，由于摻雜而導致的摻雜劑粒子流密度的消耗既與外延層中的摻雜濃度有關、又與外延生長速率有關；有關液相摻雜和氣相摻雜兩種摻雜方法的對比、各自對摻雜濃度工藝控制等。基本要求：了解由拋光工藝和外延摻雜工藝構成的外延輔助工藝。對氯化氫拋光工藝，要求清楚的知道采用拋光工藝的目的；氯化氫拋光工藝的工藝方法，掌握氯化氫拋光的工藝步驟，知道氯化氫拋光工藝與外延工藝是在一個反應系統中、并且氯化氫拋光工藝與外延生長工藝可連續不間斷進行；了解氯化氫拋光是化學氣相拋光，掌握其腐蝕反應控制條件；應知道氯化氫拋光工藝中的化學反應實際上是外延生長反應的逆反應，因此，拋光腐蝕速率表達式可用外延生長速率表達式描述，但應清楚同一個式子表達的意思是完全不同的；了解在低蝕率和高蝕率時的極限條件下，拋光腐蝕速率與氯化氫氣體分壓的不同關系；應掌握實際氯化氫拋光工藝的氯化氫氣體分壓的選擇。對于外延摻雜工藝，應知道半導體集成電路制造對外延層的電性要求，即具有準確的導電類型、具有精確的電阻率；知道如何選擇外延摻雜的摻雜劑；清楚外延摻雜原理，從動力學原理能分析摻雜與外延的相同處和不同處；能建立起外延摻雜模型，并對該模型進行正確的分析討論，從而得到外延摻雜濃度表達式；能清楚的知道液相摻雜和氣相摻雜兩種摻雜方法各自的特點，當使用它們摻雜時，各自對摻雜濃度的工藝控制。§2.4外延層質量參數及檢測簡介0.5學時課程內容：1外延層質量參數1.1外延層電阻率ρepi1.2外延層的雜質濃度分布1.3外延層厚度1.4少數載流子壽命1.5外延層中的缺陷1.5.1表面缺陷1.5.2體內缺陷2外延層質量參數的檢驗2.1ρepi的檢驗2.1.1三探針法測ρepi-對（外延層/襯底）導電類型相同者2.1.2四探針法測ρepi-對（外延層/襯底）導電類型相異者2.2用電容-電壓法測外延層中的雜質濃度分布2.3外延層厚度檢驗2.3.1可用的方法2.3.2用層錯法測量外延層厚度2.4外延層中的缺陷檢驗2.4.1采用顯微觀測法檢驗表面缺陷2.4.2采用先化學腐蝕、后顯微觀測法檢驗體內缺陷課程重點：本節簡單介紹了外延層質量參數及外延層質量參數的檢驗。關于外延層質量參數介紹了外延層電阻率、外延層中的雜質濃度分布、外延層厚度、外延層中的少數載流子壽命、外延層中的缺陷五類；關于外延層質量參數的檢驗，給出了除少數載流子壽命檢驗之外的四類、八種檢測方法。課程難點：注意外延層電阻率ρepi以及與外延層中摻入雜質總量的關系，在何條件下可認為與雜質濃度有關；注意外延層中的雜質濃度分布，以及理想時其分布應為常量分布，而實際上在兩個界面附近應為變化分布的特點；注意外延層厚度，以及厚度的選擇決定于制造不同晶體管和集成電路外延層厚度的要求；注意外延層中少數載流子壽命，以及它與外延層中非需要雜質含量的關系；注意外延層中的缺陷、以及缺陷的類型，特別是體內缺陷（結構缺陷）位錯和層錯的特點。關于各類質量參數的測量方法，以及它們的專一性和對應性。基本要求：要求熟知外延層的質量參數，包括外延層電阻率ρepi，以及與外延層中摻入雜質總量的關系，在認為外延層中摻雜濃度恒定條件下，可認為與摻入雜質濃度有關；要求了解外延層中的雜質濃度分布，知道一般把界面看作是理想界面時，認為外延層中的雜質濃度分布為恒定值，而實際上在界面附近由于存在雜質的流入或流出，使界面附近的雜質濃度分布不為恒定值；要求知道在選擇外延層厚度時，如何考慮不同的晶體管制造和不同的集成電路制造對這一參數的要求；了解外延層中少數載流子壽命，以及它與外延層中非需要雜質含量的關系；熟知外延層中的缺陷類型，知道外延層表面缺陷的種類、知道外延層體內缺陷的種類，知道外延層體內缺陷位錯和層錯各自的生長或生成環境。要求熟知外延層的質量參數的檢測，要求會使用適當的方法去檢驗各種外延層的質量參數。§2.5有關外延層層錯0.5學時課程內容：1外延層層錯外延層層錯的形成模式外延層層錯的結構外延層層錯的腐蝕形貌1.3.1外延層層錯是面缺陷1.3.2腐蝕時在缺陷處體現優先腐蝕1.4幾點說明1.4.1層錯的腐蝕形貌并非一定是完整圖形1.4.2層錯的腐蝕形貌圖形可能大小不一1.4.3不同器件制造對層錯密度的要求2外延層層錯產生的原因及對器件性能的影響2.1外延層層錯產生原因2.1.1襯底的表面質量2.1.2外延用的氣體純度2.1.3外延工藝條件控制2.1.4外延系統的清潔度2.2外延層層錯對器件制造及參數的影響2.2.1雜質沿層錯有增強擴散的作用2.2.2層錯處易吸附雜質2.2.3外延層層錯影響器件制造的穩定性和工藝質量的穩定性課程重點：本節介紹了〈111〉向硅外延過程中形成的外延層層錯，指出其形成模式為硅原子按層排列的次序發生錯亂而導致的缺陷；對所討論的外延層層錯的結構，指出是以{111}面圍成的四面體結構；由于外延層層錯是面缺陷，其晶格鍵的失配僅發生在所圍成的三個面上（四面體內是完美結構、四面體外也是完美結構），而化學腐蝕時在缺陷處導致優先腐蝕，則對所討論的外延層層錯的表面腐蝕形貌為三條槽溝圍城的正三角形；對外延層層錯的表面腐蝕形貌作了兩點說明，其一是由于外延生長時生長速率可能不均勻，而導致某些層錯面被淹沒，則腐蝕后的外延層層錯的表面圖形形貌可能有不完整的，其二是外延層層錯不一定都起始于襯底表面，則腐蝕后的外延層層錯的表面圖形可能大小不一，但起始于襯底表面的外延層層錯的表面圖形最大（如上一節介紹，利用該圖形進行外延層厚度的測量）；給出了分離器件制造和集成電路制造對層錯密度的要求。本節介紹了外延層層錯產生的原因及外延層層錯的存在對器件性能的影響，指出凡是能產生一個錯排原子的因素都是外延層層錯產生的原因，諸如襯底表面的質量不合格、外延用的氣體純度不合格、外延時工藝條件控制出現失當以及外延系統的清潔度達不到器件生產要求等，都將導致外延層的層錯產生；對于外延層層錯的存在對器件性能的影響，指出由于雜質沿層錯有增強擴散的作用，對外延層層錯穿過結的情況，將導致結的伏安特性曲線變軟、導致淺結器件的集電區與發射區的穿通，指出由于層錯處易吸附雜質的作用而導致電阻率的局部降落，還指出由于外延層層錯存在的隨機性，將導致影響器件制造的穩定性和工藝質量的穩定性。課程難點：〈111〉向硅外延過程中形成的外延層層錯，其形成模式與硅原子按層排列的次序發生錯亂的關系；所討論的外延層層錯的結構與以{111}面圍成的四面體結構有如何的對應關系；外延層層錯的表面形貌與化學腐蝕時在外延層層錯面的缺陷處導致優先腐蝕的對應關系；為什么外延生長時的生長速率的不均勻，可導致某些層錯面被淹沒，而使外延層層錯的表面圖形形貌出現不完整的圖形形貌，這些不完整的外延層層錯的圖形形貌也是層錯；為什么外延層層錯不一定都起始于襯底表面可導致腐蝕后的外延層層錯的表面圖形出現大小不一的狀況，如何理解起始于襯底表面的外延層層錯的表面圖形最大這一事實；為什么分離器件制造和集成電路制造對層錯密度的要求不同。關于外延層層錯產生的原因及外延層層錯的存在對器件性能的影響。指為什么凡是能產生一個錯排原子的因素都是外延層層錯產生的原因，在器件生產工藝中都有哪些因素；外延層層錯的存在如何對器件性能造成影響，器件性能與雜質沿層錯有增強擴散的作用以及層錯處易吸附雜質的作用有什么關系；為什么說由于外延層層錯存在將影響器件制造的穩定性和工藝質量的穩定性。基本要求：要求了解〈111〉向硅外延過程中形成的外延層層錯，清楚其形成模式為硅原子按層排列的次序發生錯亂時而導致的缺陷；對所討論的外延層層錯的結構，清楚的知道是以{111}面圍成的四面體結構；了解外延層層錯是面缺陷，其晶格鍵的失配僅發生在所圍成的三個面上（四面體內是完美結構、四面體外也是完美結構），而化學腐蝕時在缺陷處導致優先腐蝕，則知道對所討論的外延層層錯的表面形貌為三條槽溝圍城的正三角形；了解對外延層層錯的表面腐蝕形貌作的兩點說明，知道由于外延生長時生長速率可能不均勻，而導致某些層錯面被淹沒，則腐蝕后的外延層層錯的表面圖形形貌可能有不完整的，還知道外延層層錯不一定都起始于襯底表面，則腐蝕后的外延層層錯的表面圖形可能大小不一，但起始于襯底表面的外延層層錯的表面圖形最大，會利用該圖形進行外延層厚度的測定；清楚的知道分離器件制造和集成電路制造對層錯密度的要求有什么不同，而為什么集成電路制造對層錯密度的要求更高。清楚外延層層錯產生的原因及外延層層錯的存在對器件性能的影響。知道凡是能產生一個錯排原子的因素都是外延層層錯產生的原因，能夠列舉導致外延層層錯產生的所有因素，比如襯底表面的質量不合格、外延用的氣體純度不合格、外延時工藝條件控制出現失當以及外延系統的清潔度達不到器件生產要求等引起的外延層的層錯產生；知道外延層層錯的存在對器件性能的影響，了解外延層層錯在工藝制造中可能產生影響原因，諸如雜質沿層錯有增強擴散的作用，這對外延層層錯穿過結的情況，將導致結的伏安特性曲線變軟、導致淺結器件的集電區與發射區的穿通；了解由于層錯處易吸附雜質的作用而導致電阻率的局部降落的原因；還必須知道由于外延層層錯存在的隨機性，將導致影響器件制造的穩定性和工藝質量的穩定性的事實與原因。第二章外延工藝原理作業：思考題5個，習題5個第三章：氧化工藝（7學時）§3.1二氧化硅膜的結構及其性質3學時課程內容：§3.1.1二氧化硅膜的結構1二氧化硅膜的基本結構單元2基本結構單元的連接形式3二氧化硅的結構形式分類3.1結晶形二氧化硅3.2無定形二氧化硅§3.1.2無定形二氧化硅的結構及特征1無定形二氧化硅的結構1.1結構松散、存在不均勻不規則的結構空隙1.2無定形二氧化硅中存在大量非橋聯氧原子2無定形二氧化硅的特征2.1無定形二氧化硅的密度小2.2無定形二氧化硅無固定熔點2.3無定形二氧化硅的網絡結合強度弱2.4無定形二氧化硅中極易引入雜質2.4.1本征無定形二氧化硅2.4.2非本征無定形二氧化硅3雜質在二氧化硅中的作用3.1兩類雜質的定義3.1.1網絡形成劑3.1.2網絡改變劑3.2網絡改變劑在二氧化硅中的作用3.2.1使非橋聯氧原子數目增加3.2.2影響器件電性能的可靠性及穩定性3.3網絡形成劑在二氧化硅中的作用3.3.1網絡形成劑硼在二氧化硅中的作用3.3.2網絡形成劑磷在二氧化硅中的作用§3.1.3二氧化硅膜的性質1二氧化硅膜的物理性質1.1為無色透明的固體1.2熱膨脹系數小1.3軟化溫度為1500度1.4電阻率隨制備方法不同而異1.5介電強度大1.6折射率為1.461.7密度為(2.0-2.3)g/立方厘米1.8雜質擴散系數隨雜質不同而不同、隨溫度變化而變化2雜質在二氧化硅中的擴散2.1在雜質進入的區域形成玻璃相2.2混合玻璃相的作用3二氧化硅膜的化學性質3.1化學穩定性好3.2氫氟酸對二氧化硅有腐蝕反應3.3二氧化硅有不良反應4二氧化硅-硅界面特性4.1二氧化硅生成時對界面雜質再分布的影響4.1.1雜質在界面的分凝效應4.1.2分凝效應的描述4.1.3分凝效應在工藝中的應用4.2二氧化硅生成后對p型硅表面的反型效應4.2.1實際器件中出現的反型結構4.2.2器件結構中出現p型硅表面的反型的條件4.2.3器件表面的反型對器件性能的影響4.2.4控制反型溝道形成的措施課程重點：本節前強調了氧化過程是制備二氧化硅膜的過程；氧化工藝是制備二氧化硅膜的工藝；從工藝看，有熱生長氧化工藝、低溫淀積氧化工藝以及其它氧化工藝；不同的氧化工藝方法所制備的二氧化硅膜的質量不同，而二氧化硅膜的質量將影響其掩蔽擴散的能力、將影響器件的可靠性和穩定性、將影響器件的電性能、將對器件的制造工藝有影響。為清楚二氧化硅膜的質量，本節介紹了二氧化硅膜的結構及二氧化硅膜的物理性質、二氧化硅膜的化學性質、二氧化硅膜掩蔽雜質擴散的性質、二氧化硅-硅界面的性質。關于二氧化硅膜的結構，主要介紹了二氧化硅膜的基本結構單元；由二氧化硅膜的基本結構單元間連接構成的二氧化硅網絡，其中由于基本單元連接的不同，二氧化硅網絡又分為結晶形二氧化硅和無定形二氧化硅。對用于半導體器件制造中的無定形二氧化硅進行了分析和特性分析，其中，對于無定形二氧化硅結構指出：該二氧化硅結構松散、存在不均勻不規則的結構空隙、且存在大量非橋聯氧原子；對于無定形二氧化硅特性分析指出：無定形二氧化硅密度小、無定形二氧化硅無固定熔點、無定形二氧化硅網絡結合強度弱和在無定形二氧化硅中極易引入雜質；由含雜和不含雜，把無定形二氧化硅又分為本征無定形二氧化硅（不含雜的無定形二氧化硅）和非本征無定形二氧化硅（含雜的無定形二氧化硅）兩種。對于非本征無定形二氧化硅，首先指明雜質是以雜質氧化物的形式進入二氧化硅中的，雜質在二氧化硅中都是電離的，然后根據雜質在二氧化硅中位置的不同定義了兩類雜質并討論了它們的作用。對于兩類雜質的定義指出：雜質離子在二氧化硅中能取代硅離子位置的稱為網絡形成劑，雜質離子在二氧化硅中僅占據網絡空隙的稱為網絡改變劑。對于兩類雜質在二氧化硅中的作用指出：網絡改變劑多為金屬離子，它們在二氧化硅中的作用是使網絡中非橋聯氧原子數目增加、網絡強度變弱、金屬離子的可動性使得器件的電性能不可靠和不穩定；網絡形成劑多為三、五族的摻雜雜質，它們在二氧化硅中的作用恰恰相反，即三族雜質（硼）在二氧化硅中取代硅離子位置后，使非橋聯氧原子數目減少、網絡強度變強、同時引入了負電離中心，而五族雜質（磷）在二氧化硅中取代硅離子位置后，使非橋聯氧原子數目增加、網絡強度變弱、同時引入了正電離中心。本節還介紹了二氧化硅膜的性質。在物理性質介紹中給出了二氧化硅膜的外部形態、熱膨脹性質、軟化溫度、電阻率與制備工藝的關系、介電強度狀況、折射率、密度及雜質在二氧化硅中的擴散系數等八條性質；在化學性質介紹中，討論了二氧化硅膜化學穩定性質（不與絕大部分酸、堿起反應）、二氧化硅膜的可加工性質（僅氫氟酸能很好的腐蝕二氧化硅）和二氧化硅膜與金屬電極的不良反應（在較高溫度下）。為了清楚二氧化硅掩蔽擴散的作用，討論了雜質在二氧化硅中的行為，指出：在有雜質氧化物進入的二氧化硅區域中形成混合玻璃相、由于混合玻璃相與二氧化硅邊界極其清晰-認為是混合玻璃相限制了雜質在二氧化硅中的運動速度（有屏蔽雜質的能力）。結合實際工藝中的問題討論了二氧化硅-硅界面特性，其中包括雜質在二氧化硅-硅界面的分凝效應和二氧化硅中的電荷引起的p型硅表面的反型效應。關于雜質在二氧化硅-硅界面的分凝效應，首先給出了分凝效應的定義，進而討論了如何描述分凝效應，最后對分凝效應在器件制造中的應用作了介紹；關于二氧化硅中的電荷引起的p型硅表面的反型效應，首先指出在二氧化硅-硅界面的二氧化硅中存在大量正電荷，這必然對p型硅表面具有削弱、耗盡和反型的作用，然后討論了實際器件中可能出現反型的結構（包括npn和pnp兩種結構），進而給出了p型硅表面的反型條件（不滿足條件不反型），討論了器件的p型硅表面反型對性能帶來的影響，提出了控制使p型硅表面不反型的幾個工藝措施。課程難點：二氧化硅膜的質量對哪些器件制造工藝及器件電性能有影響，