四技光電三A 光電半導體

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四技光電三四技光電三四技光電三

四技光電三A 光電半導體

光電半導體光電半導體

光電半導體分組報告分組報告分組報告分組報告

主題主題主題

主題：：：：磊晶成長磊晶成長磊晶成長磊晶成長

指導老師：蔡夢華助理教授

報告人：第三組黃冠翔 4970B048 黃國棠 4980B001 蘇慶倫 4980B003 楊佳諶 4980B004 宋綱祥 4980B005

指導老師：蔡夢華助理教授

(2)

了解磊晶磊晶磊晶磊晶 (Epitaxy)

＊從字義上來看是源自於希臘的兩個字

․何為磊晶?

＊ epi:在某物之上

＊ taxies:安排好的，有秩序的

＊磊晶製程是在單晶片上長一層薄

的單晶層

(3)

了解磊晶磊晶磊晶磊晶 (Epitaxy)

․磊晶目的?

＊源自於雙載子電晶體的載體層

--在高集極崩潰電壓時用來降低集極電阻

＊比晶圓晶體有較低的氧碳濃度

所以可增強動態隨機記憶體(DRAM)

互補型金氧半電晶體積體電路(CMOS IC)

的性能

(4)

了解磊晶磊晶 (Epitaxy) 磊晶磊晶

․磊晶應用?

~矽磊晶層在雙載子電晶體的應用~

SiO

Al•Cu•Si(鋁.銅.矽) 基極集極

射極

N型磊晶層

p n⁺

n⁺

P型晶片電子流

n ⁺

深埋層

p⁺ p⁺

SiO_{2 (二氧}

化矽)

↑本圖轉用自歐亞書局出版半導體製程技術導論 P106 圖4.19(a)

(5)

了解磊晶磊晶 (Epitaxy) 磊晶磊晶

․磊晶應用?

~矽磊晶層在CMOS的應用~

金屬 1, Al•Cu

P型晶圓 P型井區 N型井區

STI n⁺ n⁺ USG p⁺ p⁺ W BPSG

P型磊晶矽

↑本圖轉用自歐亞書局出版半導體製程技術導論 P106 圖4.19(b)

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了解磊晶磊晶磊晶磊晶 (Epitaxy) 氣相磊晶

氣相磊晶氣相磊晶

氣相磊晶(MOCVD) (MOCVD) (MOCVD) (MOCVD)

→高溫(約1000度C)CVD的矽磊晶層成長是半導體工業用來長單晶矽層的方法。

半導體工業用來長單晶矽層的方法。

→一般常用的矽源材料氣體

(Silicon Source Gases)是矽烷(SiH⁴

)、二氯矽烷(DCS,Si

H

²

Cl

²

) 、三氯矽烷(TCS,SiHCl

³

)

(7)

磊晶矽成長步驟的化學反應式為：

(加熱加熱加熱加熱攝氏攝氏攝氏攝氏1000度度度度)

SiH⁴

→

Si + 2H²

矽烷矽烷矽烷

矽烷磊晶矽磊晶矽磊晶矽磊晶矽氫氫氫氫 (加熱加熱加熱攝氏加熱攝氏攝氏攝氏1100度度度)度

SiH Cl

→

Si + 2HCl SiH²Cl²

→

Si + 2HCl

二氯矽烷二氯矽烷

二氯矽烷二氯矽烷磊晶矽磊晶矽磊晶矽磊晶矽氯化氫氯化氫氯化氫氯化氫 (加熱加熱加熱加熱攝氏攝氏攝氏攝氏1100度度度)度

SiHCl3

→

H2

→

Si + 3HCl

二氯矽烷二氯矽烷

二氯矽烷二氯矽烷氫氫氫氫磊晶矽磊晶矽磊晶矽磊晶矽氯化氫氯化氫氯化氫氯化氫

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＊磊晶矽也可使用氣相摻雜物，如砷化氫(A

^SH³)、三氫化磷(PH³)和氫化硼

(B²H⁶)與矽源材料氣體在反應器內成

長薄膜時進行摻雜的動作。

＊在高溫中，這些摻雜的氫化物受熱分

解而釋放出砷、磷、硼進入磊晶矽薄

膜中。這就可以達成磊晶層的臨場摻

雜(In-situ Dooing)。

(9)

臨場摻雜的化學反應式為：

((((加熱加熱加熱加熱約攝氏約攝氏約攝氏1000約攝氏100010001000度度度度))))

AsH³

→

As + 3/2H²

砷化氫砷化氫砷化氫

砷化氫砷砷砷砷氫氫氫氫 (加熱加熱加熱加熱約攝氏約攝氏約攝氏約攝氏1000度度度)度

PH³

→

P + 3/2H2 PH³

→

P + 3/2H2

三氫化磷三氫化磷

三氫化磷三氫化磷磷磷磷磷氫氫氫氫

(加熱加熱加熱加熱約攝氏約攝氏約攝氏約攝氏1000度度度)度

B2H6

→

2B + 3H2

氫化硼氫化硼氫化硼

氫化硼硼硼硼硼氫氫氫氫

(10)

了解磊晶磊晶磊晶磊晶 (Epitaxy) 磊晶成長步驟

磊晶成長步驟磊晶成長步驟磊晶成長步驟

SiH₂Cl₂

AsH

磊晶矽成長和摻雜製成

Si

AsH₃

As

AsH₃ H

HCl H₂

↑本圖轉用自歐亞書局出版半導體製程技術導論 P108 圖4.20

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矽源材料氣體在不同溫度下磊晶矽成長速率

0.1 0.2 0.5 1.0

1300 1200 1100 1000 900 800 700

SiH₄

SiHCl

質量傳輸控質量傳輸控質量傳輸控質量傳輸控制區

制區制區制區

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

0.01 0.02 0.05 0.1

SiH₂Cl₂ SiHCl₃

表面反應控制區表面反應控制區表面反應控制區表面反應控制區

1000/T(K)

(12)

了解磊晶磊晶磊晶磊晶 (Epitaxy) 磊晶的硬體設備

磊晶的硬體設備磊晶的硬體設備磊晶的硬體設備

批量型磊晶系統批量型磊晶系統批量型磊晶系統批量型磊晶系統磊晶系統

磊晶系統磊晶系統磊晶系統

批量型磊晶系統批量型磊晶系統批量型磊晶系統批量型磊晶系統

桶狀式反應器桶狀式反應器桶狀式反應器桶狀式反應器垂直式反應器垂直式反應器垂直式反應器垂直式反應器水平式反應器水平式反應器水平式反應器水平式反應器單一晶圓系統

單一晶圓系統單一晶圓系統

單一晶圓系統

(13)

桶狀式反應器桶狀式反應器桶狀式反應器

桶狀式反應器(Barrel Reactor)

輻射加熱線圈

晶圓

(14)

垂垂垂

垂直直直直式式式式反應器反應器反應器反應器(Vertical Reactor)

加熱線圈

晶圓加熱線圈反應物反應物

反應物及副產品

(15)

水平式反應器水平式反應器水平式反應器

水平式反應器 (Horizontal Reactor)

加熱線圈

晶圓反應物

反應物

反應物及副產品

(16)

了解磊晶磊晶磊晶磊晶 (Epitaxy) 磊晶製成磊晶製成

磊晶製成磊晶製成

過程為

：1.先氫氣沖洗,溫度(約攝氏1150)升高然將, 2.氯化氫氣體輸入反應器以清潔反應器內部,

可以幫助可移動離子數量減少,避免鈉污染, 3.將矽的源材料氣體和摻雜物輸入反應器中開 3.將矽的源材料氣體和摻雜物輸入反應器中開

始磊晶薄膜成長

4.完成之後再使用氫氣沖洗,等反應器溫度冷卻後再用氮氣沖洗直到和常溫相同為止

5.之後打開反應室,晶圓卸載和再裝載

(17)

磊晶製程磊晶製程磊晶製程

磊晶製程, ,, ,單晶圓磊晶系統單晶圓磊晶系統單晶圓磊晶系統單晶圓磊晶系統

過程為：

1.先使用氫氣沖洗清潔,使反應器溫度升高

2.將矽源材料放入反應器進行磊晶薄膜成長

晶薄膜成長

3.之後用氫氣沖洗,停止加熱 4.晶圓卸載和再裝載

5.用氯化氫清潔反應室

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磊晶層可能的缺陷磊晶層可能的缺陷磊晶層可能的缺陷磊晶層可能的缺陷

差排

表面成核造成堆疊錯誤

雜質微粒

尖凸物

由基片堆疊錯誤造成的堆疊錯誤

尖凸物

基片磊晶層

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了解磊晶磊晶磊晶磊晶 (Epitaxy) 磊晶的未來趨勢

磊晶的未來趨勢磊晶的未來趨勢磊晶的未來趨勢

1.大晶圓尺寸

2.單晶圓磊晶成長

3.降低磊晶成長的溫度 3.降低磊晶成長的溫度

4.超高真空化學氣相沉積法(UHV,到10-9托)

5.選擇性磊晶

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結語結語結語

結語& && &摘要摘要摘要摘要

1.矽是不昂貴半導體,價格便宜,強介電值和容易氧化成長.

2.<100> 和 <111>晶向平面

3.切片,切邊,研磨,蝕刻和化學機械研磨製程

磨製程

4.為雙載體和高效能的CMOS, DRAM.

5.矽烷,二氯矽烷,三氯矽烷做為矽源材料氣體

6.B

²

H

⁶⁽⁽⁽^(氫化硼^氫化硼^氫化硼)^氫化硼⁾⁾⁾

做為P PP P- -- -型型型矽摻雜物型

7.PH

³⁽⁽⁽^{(三氫化磷}^三氫化磷^{三氫化磷)}^三氫化磷⁾⁾⁾

和AsH

⁽⁽^(砷化氫⁽^砷化氫^砷化氫)^砷化氫⁾⁾⁾

做為N NN N- -- -型型型矽摻雜物型

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