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。

1.电阻

固定电阻：RES

半导体电阻：RESSEMT

电位计；POT

变电阻；RVAR

可调电阻res1.....

2.电容

定值无极性电容；CAP

定值有极性电容CAP

半导体电容：CAPSEMI

可调电容：CAPVAR

3.电感：INDUCTOR

4.二极管：DIODE.LIB

发光二极管：LED

5.三极管 :NPN1

6.结型场效应管：JFET.lib

7.MOS场效应管

8.MES场效应管

9.继电器：PELAY. LIB

10.灯泡:LAMP

11.运放:OPAMP

12.数码管：DPY_7-SEG_DP (MISCELLANEOUS DEVICES.LIB)

13.开关sw_pb

原理图常用库文件：

Miscellaneous Devices.ddb

Dallas Microprocessor.ddb

Intel Databooks.ddb

Protel DOS Schematic Libraries.ddb

PCB元件常用库：

Advpcb.ddb

General IC.ddb

Miscellaneous.ddb

部分 分立元件库元件名称及中英对照

AND 与门

ANTENNA 天线

BATTERY 直流电源

BELL 铃,钟

BVC 同轴电缆接插件

BRIDGE 1 整流桥(二极管)

BRIDGE 2 整流桥(集成块)

BUFFER 缓冲器

BUZZER 蜂鸣器

CAP 电容

CAPACITOR 电容

CAPACITOR POL 有极性电容

CAPVAR 可调电容

CIRCUIT BREAKER 熔断丝

COAX 同轴电缆

CON 插口

CRYSTAL 晶体整荡器

DB 并行插口

DIODE 二极管

DIODE SCHOTTKY 稳压二极管

DIODE VARACTOR 变容二极管

DPY_3-SEG 3段LED

DPY_7-SEG 7段LED

DPY_7-SEG_DP 7段LED(带小数点)

ELECTRO 电解电容

FUSE 熔断器

INDUCTOR 电感

INDUCTOR IRON 带铁芯电感

INDUCTOR3 可调电感

JFET N N沟道场效应管

JFET P P沟道场效应管

LAMP 灯泡

LAMP NEDN 起辉器

LED 发光二极管

METER 仪表

MICROPHONE 麦克风

MOSFET MOS管

MOTOR AC 交流电机

MOTOR SERVO 伺服电机

NAND 与非门

NOR 或非门

NOT 非门

NPN NPN三极管

NPN-PHOTO 感光三极管

OPAMP 运放

OR 或门

PHOTO 感光二极管

PNP 三极管

NPN DAR NPN三极管

PNP DAR PNP三极管

POT 滑线变阻器

PELAY-DPDT 双刀双掷继电器

RES1.2 电阻

RES3.4 可变电阻

RESISTOR BRIDGE 桥式电阻

RESPACK 电阻

SCR 晶闸管

PLUG ? 插头

PLUG AC FEMALE 三相交流插头

SOCKET 插座

SOURCE CURRENT 电流源

SOURCE VOLTAGE 电压源

SPEAKER 扬声器

SW 开关

SW-DPDY 双刀双掷开关

SW-SPST 单刀单掷开关

SW-PB 按钮

THERMISTOR 电热调节器

TRANS1 变压器

TRANS2 可调变压器

TRIAC 三端双向可控硅

TRIODE 三极真空管

VARISTOR 变阻器

ZENER 齐纳二极管

DPY_7-SEG_DP 数码管

SW-PB 开关

其他元件库

Protel Dos Schematic 4000 Cmos .Lib （40.系列CMOS管集成块元件库）

4013 D 触发器

4027 JK 触发器

Protel Dos Schematic Analog Digital.Lib（模拟数字式集成块元件库）

AD系列 DAC系列 HD系列 MC系列

Protel Dos Schematic Comparator.Lib（比较放大器元件库）

Protel Dos Shcematic Intel.Lib（INTEL公司生产的80系列CPU集成块元件库）

Protel Dos Schematic Linear.lib（线性元件库）

例555

Protel Dos Schemattic Memory Devices.Lib（内存存储器元件库）

Protel Dos Schematic SYnertek.Lib（SY系列集成块元件库）

Protes Dos Schematic Motorlla.Lib（摩托罗拉公司生产的元件库）

Protes Dos Schematic NEC.lib（NEC公司生产的集成块元件库）

Protes Dos Schematic Operationel Amplifers.lib（运算放大器元件库）

Protes Dos Schematic TTL.Lib（晶体管集成块元件库 74系列）

Protel Dos Schematic Voltage Regulator.lib（电压调整集成块元件库）

Protes Dos Schematic Zilog.Lib（齐格格公司生产的Z80系列CPU集成块元件库）

元件属性对话框中英文对照

Lib ref 元件名称

Footprint 器件封装

Designator 元件称号

Part 器件类别或标示值

Schematic Tools 主工具栏

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Drawing Tools 绘图工具栏

部分分立元件库元件名称及中英对照

Power Objects 电源工具栏

Digital Objects 数字器件工具栏

Simulation Sources 模拟信号源工具栏

PLD Toolbars 映象工具栏

7407 驱动门

1N914 二极管

74Ls00 与非门

74LS04 非门

74LS08 与门

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7SEG 4针BCD-LED 输出从0-9 对应

于4 根线的BCD码

7SEG 3-8 译码器电路

BCD-7SEG[size=+0]转换电路

ALTERNATOR 交流发电机

AMMETER-MILLI mA安培计

AND 与门

BATTERY 电池/电池组

BUS 总线

CAP 电容

CAPACITOR 电容器

CLOCK 时钟信号源

CRYSTAL 晶振

D-FLIPFLOP D 触发器

FUSE 保险丝

GROUND 地

LAMP 灯

LED-RED 红色发光二极管

LM016L 2 行16 列液晶可显示2 行

16 列英文字符，有8 位数据总线D0-D7，

RS，R/W，EN 三个控制端口（共14 线），

工作电压为5V。没背光，和常用的1602B

功能和引脚一样（除了调背光的二个线脚）

LOGIC ANALYSER 逻辑分析器

LOGICPROBE 逻辑探针

LOGICPROBE[BIG] 逻辑探针用来显示连

接位置的逻辑状态

LOGICStatE 逻辑状态用鼠标点击,可改

变该方框连接位置的逻辑状态

LOGICTOGGLE 逻辑触发

MASTERSWITCH 按钮手动闭合,立即自

动打开

MOTOR 马达

OR 或门

POT-LIN 三引线可变电阻器

POWER 电源

RES 电阻

RESISTOR 电阻器

SWITCH 按钮 手动按一下一个状态

SWITCH-SPDT 二选通一按钮

VOLTMETER 伏特计

VOLTMETER-MILLI mV伏特计

VTERM 串行口终端

Electromechanical 电机

Inductors 变压器

Laplace Primitives 拉普拉斯变换

Memory Ics

Microprocessor Ics

Miscellaneous 各种器件AERIAL-天线；

ATAHDD；ATMEGA64；BATTERY；CELL；

CRYSTAL-晶振；FUSE；METER-仪表；

Modelling Primitives 各种仿真器件是典型

的基本元器模拟，不表示具体型号，只用于

仿真，没有PCB

Optoelectronics 各种发光器件发光二极

管，LED，液晶等等

PLDs &FPGAs

Resistors 各种电阻

Simulator Primitives 常用的器件

Speakers &Sounders

Switches &Relays

开关，继电器，键盘

Switching Devices 晶阊管

Transistors 晶体管（三极管，场效应管）

TTL 74 series

TTL 74ALS series

TTL 74AS series

TTL 74F series

TTL 74HC series

TTL 74HCT series

TTL 74LS series

TTL 74S series

Analog Ics 模拟电路集成芯片

Capacitors 电容集合

CMOS 4000 series

Connectors 排座，排插

Data Converters ADC,

DACDebugging Tools 调试工具

ECL 10000 Series

AND 与门

ANTENNA 天线

BATTERY 直流电源

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BVC 同轴电缆接插件

BRIDEG 1 整流桥(二极管)

BRIDEG 2 整流桥(集成块)

BUFFER 缓冲器

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CAP 电容

CAPACITOR 电容

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CIRCUIT BREAKER 熔断丝

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PHOTO 感光二极管

Device.lib 包括电阻、电容、二极管、

三极管和PCB的连接器符号

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器件

DIODE.LIB 包括二极管和整流桥

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ANALOG.LIB 包括电源调节器、运

放和数据采样IC

CAPACITORS.LIB 包括电容

COMS.LIB 包括 4000 系列

ECL.LIB 包括 ECL10000 系列

OPAMP.LIB 包括 运算放大器

RESISTORS.LIB 包括 电阻

FAIRCHLD .LIB 包括 FAIRCHLD 半

导体公司的分立器件

LINTEC.LIB 包括 LINTEC 公司

的运算放大器

NATDAC.LIB 包括 国家半导体公

司的数字采样器件

NATOA.LIB 包括 国家半导体公

司的运算放大器

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SCR 和TRIAC

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PNP 三极管

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POT 滑线变阻器

PELAY-DPDT 双刀双掷继电器

RES1.2 电阻

RES3.4 可变电阻

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RESPACK ? 电阻

SCR 晶闸管

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SW 开关

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SW-SPST 单刀单掷开关

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TRANS1 变压器

TRANS2 可调变压器

TRIAC 三端双向可控硅

TRIODE 三极真空管

VARISTOR 变阻器

ZENER 齐纳二极管

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