半导体外延生长有哪些方式

外延(Epitaxy, 简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层可以是同质外延层(Si/Si)，也可以是异质外延层(SiGe/Si 或SiC/Si等)；同样实现外延生长也有很多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM &RP Epi)等等。本文仅介绍广泛应用于半导体集成电路生产中衬底为硅材料的硅(Si)和锗硅(SiGe)外延工艺。根据生长方法可以将外延工艺分为两大类(表1)：全外延(Blanket Epi)和选择性外延(Selective Epi, 简称SEG)。工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2, 简称DCS) 和三氯硅烷(SiHCl3, 简称TCS)；某些特殊外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，反应中的载气一般选用氢气(H2)。 外延选择性的实现一般通过调节外延沉积和原位(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现，所用气体一般为含氯(Cl)的硅源气体DCS，利用反应中Cl原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般仅应用于低温全外延工艺；而另外一种常用硅源TCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H2鼓泡来导入反应腔，但价格相对便宜，常利用其快速的生长率（可达到5 um/min）来生长比较厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。IV族元素中Ge的晶格常数(5.646A与Si的晶格常数(5.431A差别最小，这使得SiGe与Si工艺易集成。在单晶Si中引入Ge形成的SiGe单晶层可以降低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率fT(cut-off frequency)，这使得它在无线及光通信高频器件方面应用十分广泛；另外在先进的CMOS集成电路工艺中还会利用Ge跟Si的晶格常数失配(4%)引入的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率(mobility)，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度，这正成为各国半导体集成电路工艺研究中的热点。由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在200ohm-cm以上，通常在外延生长的同时还需要掺入杂质气体(dopant)来满足一定的器件电学性能。杂质气体可以分为N型和P型两类：常用N型杂质气体包括磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)，而P型则主要是硼烷(B2H6)。硅及锗硅外延工艺在现代集成电路制造中应用十分广泛，概括起来主要包括：1．硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。2．异质结双极晶体管（Hetero-junction Bipolar Transistor,简称HBT)基区(base)异质结SiGe外延(图1)：其原理是在基区掺入Ge组分，通过减小能带宽度,从而使基区少子从发射区到基区跨越的势垒高度降低，从而提高发射效率γ, 因而，很大程度上提高了电流放大系数β。在满足一定的放大系数的前提下，基区可以重掺杂，并且可以做得较薄，这样就减少了载流子的基区渡越时间，从而提高器件的截止频率fT (Cut-Off Frequency)，这正是异质结在超高速，超高频器件中的优势所在。 3．CMOS源(source)漏(drain)区选择性Si/SiGe外延：进入90nm工艺时代后，随着集成电路器件尺寸的大幅度减小，源漏极的结深越来越浅，需要采用选择性外延技术 (SEG)以增厚源漏极(elevated source/drain)来作为后续硅化(silicide)反应的牺牲层(sacrificial layer) (图2)，从而降低串联电阻，有报道称这项技术导致了饱和电流(Idsat)有15％的增加。 而对于正在研发中的65/45nm技术工艺，有人采用对PMOS源漏极刻蚀后外延SiGe层来引入对沟道的压应力(compressive stress) (图3)，以提高空穴(hole)的迁移率(mobility)，据报道称实现了饱和电流(Idsat)35％的增加。 应变硅(strain silicon)外延：在松弛(relaxed)的SiGe层上面外延一层单晶Si，由于Si跟SiGe晶格常数失配而导致Si单晶层受到下面SiGe层的拉伸应力(tensile stress)而使得电子的迁移率(mobility)得到提升(图4)，这就使得NMOS在保持器件尺寸不变的情况下饱和电流(Idsat)得到增大，而Idsat的增大意味着器件响应速度的提高，这项技术正成为各国研究热点。一般而言，一项完整的外延工艺包括3个环节：首先，根据需要实现的工艺结果对硅片进行预处理，包括去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质，对于重搀杂衬底硅片则必须考虑是否需要背封(backseal)以减少后续外延生长过程中的自搀杂。然后在外延工艺过程中需要对程式进行优化，如今先进的外延设备一般为单片反应腔，能在100秒之内将硅片加热到1100℃以上，利用先进的温度探测装置能将工艺温度偏差控制在2度以内，反应气体则可通过质量流量计(MFC)来使得流量得到精准控制。在进行外延沉积之前一般都需要H2烘烤(bake)这一步，其目的在于原位(in-situ)去除硅片表面的自然氧化层和其他杂质，为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。 最后在外延工艺完成以后需要对性能指标进行评估，简单的性能指标包括外延层厚度和电特性参数, 片内厚度及电特性均匀度(uniformity)，片与片间的重复性(repeatability)，杂质颗粒(particle)数目以及污染(contamination)；在工业生产中经常要求片内膜厚及电性的均匀度<1.5%(1σ)，对硅片厂家来说经常还要考查外延层的扩展电阻率曲线(SRP)以确定是否有污染存在及污染物杂质的量。特别地，对于SiGe工艺我们经常还需要测量Ge的含量及其深度分布，对于有搀杂的工艺我们还需要知道搀杂原子的含量及深度分布。另外晶格缺陷(defect)也是我们必须考虑的问题，一般而言，常常出现的有四种缺陷，包括薄雾(haze)，滑移线(slip line), 堆跺层错(stacking fault) 和穿刺(spike)，这些缺陷的存在对器件性能有很大影响，可以导致器件漏电流增大甚至器件完全失效而成为致命缺陷(killer effect)。一般来讲消除这些缺陷的办法是检查反应腔体漏率是否足够低(<1mTorr/min)，片内工艺温度分布是否均匀，承载硅片的基座或准备的硅片表面是否洁净、平坦等。经过外延层性能指标检测以后我们还需要对外延工艺进一步优化，以满足特定器件的工艺要求。硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。

硅片的等级:

MG-Si → SeG-Si → SoG-Si

提炼要经过一下过程:

石英砂→冶金级硅→提炼和精炼→沉积多晶硅锭→单晶硅→硅片切割。

冶金级硅MG-Si

提炼硅的原始材料是SiO2，主要是砂成分，目前采用SiO2的结晶岩即石灰岩，在大型的电弧炉中用碳还原:SiO2+2C→Si+2CO

定期倒出炉，用氧气、氧氯混合气体提纯，然后倒入浅槽在槽中凝固，随后被捣成块状。

MG-Si提纯为SeG-Si

提炼标准方法为:西门子工。

MG-Si被转变为挥发性的化合物，接着采用分馏的方法将其冷凝被提纯。

工艺程序:用Hcl把细碎的MG-Si变成流体

使用催化剂加速反应进行:Si+3Hcl→SiHcl3+H2

MG-Si →SiHcl3 硅胶工业原材料

为提取MG-Si可加热混合气体使SiHcl3 被H2还原，硅以细晶粒的多晶硅形成沉积到电加热棒上如右:SiHcl3+H2 →Si+3Hcl

SeG-Si提纯到SoG-Si

将SeG-Si多晶硅熔融，同时加入器件所需的微量参杂剂，通常采用硼（P型参杂剂）。

在温度可以精细控制的情况下用籽晶能够成熔融的硅中拉出大圆柱形的单晶硅棒。直径过125cm长度为1~2m。

手工录入，忘采纳，有追问亦可。

发明史：

1947年：贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；1950年：结型晶体管诞生；

1950年： R Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺；

1951年：场效应晶体管发明；

1956年：C S Fuller发明了扩散工艺；

1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；

1960年：H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺；

1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管；

1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺；

1964年：Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍；

1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）；1967年：应用材料公司（Applied Materials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司；1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现；

1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明；

1974年：RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802；

1976年：16kb DRAM和4kb SRAM问世；

1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；

1979年：Intel推出5MHz 8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC；

1981年：256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世；

1984年：日本宣布推出1Mb DRAM和256kb SRAM；

1985年：80386微处理器问世，20MHz；

1988年：16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（ULSI）阶段；

1989年：1Mb DRAM进入市场；

1989年：486微处理器推出，25MHz，1μm工艺，后来50MHz芯片采用0.8μm工艺；

1992年：64M位随机存储器问世；

1993年：66MHz奔腾处理器推出,采用0.6μm工艺；

1995年:Pentium Pro, 133MHz，采用0.6-0.35μm工艺；

1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μm工艺；

1999年：奔腾Ⅲ问世，450MHz，采用0.25μm工艺，后采用0.18μm工艺；

2000年: 1Gb RAM投放市场；

2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18μm工艺；

2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μm工艺。

用途：

4N35/4N36/4N37 "光电耦合器 "

AD7520/AD7521/AD7530/AD7521 "D/A转换器 "

AD7541 12位D/A转换器

ADC0802/ADC0803/ADC0804 "8位A/D转换器 "

ADC0808/ADC0809 "8位A/D转换器 "

ADC0831/ADC0832/ADC0834/ADC0838 "8位A/D转换器 "

CA3080/CA3080A OTA跨导运算放大器

CA3140/CA3140A "BiMOS运算放大器 "

DAC0830/DAC0832 "8位D/A转换器 "

ICL7106,ICL7107 "3位半A/D转换器 "

ICL7116,ICL7117 "3位半A/D转换器 "

ICL7650 "载波稳零运算放大器 "

ICL7660/MAX1044 "CMOS电源电压变换器 "

ICL8038 "单片函数发生器 "

ICM7216 "10MHz通用计数器 "

ICM7226 "带BCD输出10MHz通用计数器 "

ICM7555/7555 CMOS单/双通用定时器

ISO2-CMOS MT8880C DTMF收发器

LF351 "JFET输入运算放大器 "

LF353 "JFET输入宽带高速双运算放大器 "

LM117/LM317A/LM317 "三端可调电源 "

LM124/LM124/LM324 "低功耗四运算放大器 "

LM137/LM337 "三端可调负电压调整器 "

LM139/LM239/LM339 "低功耗四电压比较器 "

LM158/LM258/LM358 "低功耗双运算放大器 "

LM193/LM293/LM393 "低功耗双电压比较器 "

LM201/LM301 通用运算放大器

LM231/LM331 "精密电压—频率转换器 "

LM285/LM385 微功耗基准电压二极管

LM308A "精密运算放大器 "

LM386 "低压音频小功率放大器 "

LM399 "带温度稳定器精密电压基准电路 "

LM431 "可调电压基准电路 "

LM567/LM567C "锁相环音频译码器 "

LM741 "运算放大器 "

LM831 "双低噪声音频功率放大器 "

LM833 "双低噪声音频放大器 "

LM8365 "双定时LED电子钟电路 "

MAX038 0.1Hz-20MHz单片函数发生器

MAX232 "5V电源多通道RS232驱动器/接收器 "

MC1403 "2.5V精密电压基准电路 "

MC1404 5.0v/6.25v/10v基准电压

MC1413/MC1416 "七路达林顿驱动器 "

MC145026/MC145027/MC145028 "编码器/译码器 "

MC145403-5/8 "RS232驱动器/接收器 "

MC145406 "RS232驱动器/接收器 "

MC145407 "RS232驱动器/接收器 "

MC145583 "RS232驱动器/接收器 "

MC145740 DTMF接收器

MC1488 "二输入与非四线路驱动器 "

MC1489 "四施密特可控线路驱动器 "

MC2833 "低功率调频发射系统 "

MC3362 "低功率调频窄频带接收器 "

MC4558 "双运算放大器 "

MC7800系列 "1.0A三端正电压稳压器 "

MC78L00系列 0.1A三端正电压稳压器

MC78M00系列 "0.5A三端正电压稳压器 "

MC78T00系列 3.0A正电压稳压器

MC7900系列 1.0A三端负电压稳压器

MC79L00系列 0.1A三端负电压稳压器

MC79M00系列 0.5A三端负电压稳压器

Microchip "PIC系列单片机RS232通讯应用 "

MM5369 3.579545MHz-60Hz 17级分频振荡器

MOC3009/MOC3012 "双向可控硅输出光电耦合器 "

MOC3020/MOC3023 "双向可控硅输出光电耦合器 "

MOC3081/MOC3082/MOC3083 "过零双向可控硅输出光电耦合器 "

MOC8050 "无基极达林顿晶体管输出光电耦合器 "

MOC8111 "无基极晶体管输出光电耦合器 "

MT8870 "DTMF双音频接收器 "

MT8888C DTMF 收发器

NE5532/NE5532A "双低噪声运算放大器 "

NE5534/SE5534 "低噪声运算放大器 "

NE555/SA555 "单时基电路 "

NE556/SA556/SE556 "双时基电路 "

NE570/NE571/SA571 "音频压缩扩展器 "

OP07 "低电压飘移运算放大器 "

OP27 "低噪音精密运算放大器 "

OP37 "低噪音高速精密运算放大器 "

OP77 "低电压飘移运算放大器 "

OP90 "精密低电压微功耗运算放大器 "

PC817/PC827/PC847 "高效光电耦合器 "

PT2262 "无线遥控发射编码器芯片 "

PT2272 "无线遥控接收解码器芯片 "

SG2524/SG3524 "脉宽调制PWM "

ST7537 "电力线调制解调器电路 "

TDA1521 2×12W Hi-Fi 音频功率放大器

TDA2030 14W Hi-Fi 音频功率放大器

TDA2616 2×12W Hi-Fi 音频功率放大器

TDA7000T FM 单片调频接收电路

TDA7010T FM 单片调频接收电路

TDA7021T FM MTS单片调频接收电路

TDA7040T "低电压锁相环立体声解码器 "

TDA7050 "低电压单/双声道功率放大器 "

TL062/TL064 "低功耗JFET输入运算放大器 "

TL071/TL072/TL074 "低噪声JFET输入运算放大器 "

TL082/TL084 JFET 宽带高速运算放大器

TL494 "脉宽调制PWM "

TL594 "精密开关模式脉宽调制控制 "

TLP521/1-4 "光电耦合器 "

TOP100-4 TOPSwitch 三端PWM开关电源电路

TOP200-4 TOPSwitch 三端PWM开关电源电路

TOP209/TOP210 TOPSwitch 三端PWM开关电源电路

TOP221-7 TOPSwitch-Ⅱ 三端PWM开关电源电路

TOP232-4 TOPSwitch-FX 五端柔韧设计开关电源电路

TOP412/TOP414 TOPSwitch 三端PWM DC-DC 开关电源

ULN2068 1.5A/50V 4路达林顿驱动电路

ULN2803 500mA/50V 8路达林顿驱动电路

ULN2803/ULN2804 线性八外围驱动器阵列

VFC32 "电压—频率/频率—电压转换器 "

常用ic资料2

AD711 高精度、底价格、高速 BiFET 运放

CA3130 15MHz, BiMOS 运放 with MOSFET Input/CMOS Output

LH0032 Ultra Fast FET-输入 单运放

LF351 Wide B与门width JFET 输入 单运放

LF411 Low Offset, Low Drift JFET 输入 单运放

LM108 高精度、单运放

LM208 高精度、单运放

LM308 高精度、单运放

LM833 双 音频 运放, 低噪音

LM358 双 运放

LM359 双, 高速, Programmable, Current Mode (Norton) Amplifier

LM324 QUADRUPLE 运放

LM391 音频 Power Driver

LM393 双 Differential Comparator

NE5532 双 音频 运放, 低噪音

NE5534 Single 音频 运放, 低噪音

OP27 低噪音、高精度、高速 运放

OP37 低噪音、高精度、高速 运放

TL071 Single JFET-输入 运放 , 低噪音

TL072 双 JFET-输入 运放 , 低噪音

TL074 Quad JFET-输入 运放 , 低噪音

TL081 Single JFET-输入 运放

TL082 双 JFET-输入 运放

TL084 Quad JFET-输入 运放

TLC271 LinCMOS..PROGRAMMABLE LOW-POWER 运放

TLC272 LinCMOS.... PRECISION 双 运放

TLC274 LinCMOS.... PRECISION QUAD 运放

MN3004 512 STAGE 低噪音 BBD

L165 3A POWER 运放 (20W)

LM388 1.5W 音频 功率放大

LM1875 20W 音频 功率放大

TDA1516BQ 24 W BTL or 2 x 12 w 立体声 汽车用 功率放大器

TDA1519C 22 W BTL or 2 X 11 W 立体声 功率放大

TDA1563Q 2 x 25 W high efficiency car radio 功率放大

TDA2002 单声道、功率放大 8W [NTE1232]

TDA2005 双 功率放大 20W

TDA2004 10 + 10W STEREO 立体声 汽车用 功率放大器

TDA2030 Single 功率放大 14W

STK4036 II 模块电路, AF PO, 双 电源 50W

STK4036 XI 模块电路, AF PO, 双 电源 50W

STK4038 II AF 功率放大 60 W

STK4040 II AF 功率放大 70 W

STK4040 XI AF 功率放大 70 W

STK4042 II AF 功率放大 80 W

STK4042 XI AF 功率放大 80 W

STK4044 II 模块电路, AF 功率放大、单声道 100W

STK4044 II 模块电路, AF 功率放大、单声道 100W

STK4046 XI 模块电路, AF 功率放大、单声道 120W

STK4048 XI 模块电路, AF 功率放大、单声道 150W

STK4050 V 模块电路, AF 功率放大、单声道 200W

LM3914 10-Step Dot/Bar显示驱动器, Linear scale

LM3915 10-Step Dot/Bar显示驱动器, Logarithmic scale

LM3916 10-Step Dot/Bar显示驱动器

UAA180 LED driver Light or light spot display operation for max. 12 emitting diodes

CA3161E BCD to Seven Segment Decoder/Driver

CA3162E A/D Converter for 3-Digit Display

ICL7136 3 1/2 Digit LCD, Low Power Display, A/D Converter

LM1800 PLL Stereo Decoder [NTE743]

CA3090P Stereo Multiplex Decoder (Comp.to NTE789 From NTE)

MC1310P FM Stereo Demodulator (Comp. to NTE801 From NTE)

555 时钟

556 双 555

MN3101 时钟/ 驱动

XR2206 Monolithic Function Generator

4N25 6-PIN 光电晶体管 OPTOCOUPLERS

4N26

4N27

4N28

4N35 6-PIN 光电晶体管 OPTOCOUPLERS

4N36

4N37

78xx 系列 3端稳压器 +5V 到 +24V1A

78Lxx 系列 3端稳压器 +5V 到 +24V 0.1A

78Mxx 系列 3端稳压器 +5V 到 +24V 0.5A

78Sxx 系列 3端稳压器 +5V 到 +24V 2A

79xx 系列 3端负电压稳压器 -5V 到 -24V 1A

79Lxx 系列 3端负电压稳压器 -5V 到 -24V 0.1A

LM117 +1.2V...+37V 1.5A 正电压可调稳压器

LM217 +1.2V...+37V 1.5A 正电压可调稳压器

LM317 +1.2V...+37V 1.5A 正电压可调稳压器

LM137 -1.2V...-37V 1.5A 负电压可调稳压器

LM237 -1.2V...-37V 1.5A 负电压可调稳压器

LM337 -1.2V...-37V 1.5A 负电压可调稳压器

LM138 +1.2V --32V 5-安培 可调

LM338 +1.2V -- 32V 5-安培 可调

LM723 高精度可调

L200 2 A / 2.85 to 36 V.可调

74LS00 Quad 2-Input 与非门

74LS04 Hex 反相器

74LS08 Quad 2 input 与门

74LS10 Triple 3-Input 与非门

74LS13 SCHMITT TRIGGERS 双 门/HEX 反相器

74LS14 SCHMITT TRIGGERS 双 门/HEX 反相器

74LS27 TRIPLE 3-INPUT NOR 门

74LS30 8-Input 与非门

74LS32 Quad 2 input OR

74LS42 ONE-OF-TEN DECODER

74LS45 BCD to Decimal Decoders/Drivers

74LS47 BCD to 7 seg decoder/driver

74LS90 Decade 与门 Binary 记数器

74LS92 Divide by 12 记数器

74LS93

Binary 记数器

74LS121 Monostable multivibrator

74LS154 4-Line to 16-Line Decoder/Demultiplexer

74LS192 BCD up / down 记数器

74LS193 4 bit binary up / down 记数器

74HC237 3-to-8 line decoder/demultiplexer with address latches

74LS374 3-STATE Octal D-Type Transparent Latches 与门 Edge-Triggered Flip-Flops

74LS390 双 DECADE 记数器 双 4-STAGE BINARY 记数器

4001 Quad 2-input NOR 门

4002 双 4-input NOR 门

4007 双 Complementary Pair 与门 反相器

4011 Quad 2-Input NOR Buffered

4013 双 D-Type Flip-Flop

4016 Quad Analog Switch/Quad Multiplexer

4017 Decade 记数器/Divider

4022 Divide-by-8 记数器/Divider with 8 Decoded Outputs

4023 Triple 3-input 与非门

4025 Triple 3-input NOR 门

4026 DEC. COUN./DIVIDER WITH DECODED 7-SEG. DISPLAY OUTPUTS

4028 BCD to Decimal Decoder

4029 Binary/Decade Up/Down 记数器

4040 12-Stage Ripple-Carry Binary

4046 Phase-Locked Loop

4051 Single 8-Channel Analog

4052 Differential 4-Channel Analog

4053 Triple 2-Channel Multipl/Demul

4054 显示驱动

4055 显示驱动

4056 显示驱动

4060 14-Stage Ripple-Carry Binary C

4066 Quad Bilateral Switch

4067 Cmos Analog Multiplexer / Demultiplexer [266kb]

4068 8-input 与非门

4069 Hex 反相器

4071 Quad 2-input OR 门

4072 双 4-input OR 门

4075 Triple 3-input OR 门

4081 Quad 2-Input 与门 门

4082 双 4-input 与门 门

4093 Quad 2-Input Schm.Trigger

4511 BCD-to-7-Segment Latch Decade Driver

4518 双 BCD 记数器

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