四技光電三A 光電半導體 分組報告 主題 ： 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

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1 四技光電三A 光電半導體 分組報告 主題 ： 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
光電半導體 分組報告 主題 ： 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

2 ․何為磊晶? 了解 磊晶 (Epitaxy) ＊從字義上來看是源自於希臘的兩個字 ＊ 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 ․磊晶目的? 了解 磊晶 (Epitaxy) ＊源自於雙載子電晶體的載體層 ＊比晶圓晶體有較低的氧碳濃度
--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 ․磊晶應用? 了解 磊晶 (Epitaxy) ~矽磊晶層在雙載子電晶體的應用~ 射極 基極 集極 Al•Cu•Si(鋁.銅.矽)
SiO2 (二氧化矽) n + p n + p+ p+ N型磊晶層 電子流 n + 深埋層 P型晶片 ↑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 ․磊晶應用? 了解 磊晶 (Epitaxy) ~矽磊晶層在CMOS的應用~ 金屬 1, Al•Cu W BPSG n+ n+ p+ p+
STI USG P型井區 N型井區 P型磊晶矽 P型晶圓 ↑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)

6 了解 磊晶 (Epitaxy) 氣相磊晶(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。
→一般常用的矽源材料氣體(Silicon Source Gases)是矽烷(SiH4)、二氯矽烷(DCS,Si H2Cl2) 、三氯矽烷(TCS,SiHCl3)

7 磊晶矽成長步驟的化學反應式為： SiH4 → Si + 2H2 SiH2Cl2 → Si + 2HCl
(加熱 攝氏1000度) SiH4 → Si H2 矽烷 磊晶矽 氫 (加熱 攝氏1100度) SiH2Cl2 → Si HCl 二氯矽烷 磊晶矽 氯化氫 (加熱 攝氏1100度) SiHCl3 → H2 → Si HCl 二氯矽烷 氫 磊晶矽 氯化氫

8 ＊磊晶矽也可使用氣相摻雜物，如砷化 氫(ASH3)、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： AsH3 → As + 3/2H2 PH3 → P + 3/2H2 B2H6 → 2B + 3H2
(加熱 約攝氏1000度) AsH3 → As /2H2 砷化氫 砷 氫 (加熱 約攝氏1000度) PH3 → P /2H2 三氫化磷 磷 氫 (加熱 約攝氏1000度) B2H6 → 2B H2 氫化硼 硼 氫

10 了解 磊晶 (Epitaxy) 磊晶成長步驟 磊晶矽成長和摻雜製成 SiH2Cl2 AsH3 H2 HCl Si AsH3 As H

11 矽源材料氣體在不同溫度下磊晶矽 成長速率 質量傳輸控制區 表面反應控制區 1000/T(K) 1300 1200 1100 1000 900
800 700 1.0 0.5 SiH4 0.2 質量傳輸控制區 0.1 SiHCl3 0.05 表面反應控制區 0.02 SiH2Cl2 0.01 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1000/T(K) ↑本圖轉用自歐亞書局出版半導體製程技術導論 P108 圖4.21

12 了解 磊晶 (Epitaxy) 磊晶的硬體設備 磊晶系統 單一晶圓系統

13 桶狀式反應器(Barrel Reactor)
輻射加熱線圈 晶圓 ↑本圖轉用自歐亞書局出版半導體製程技術導論 P110 圖4.22

14 垂 直 式反應器(Vertical Reactor)
晶圓 反應物 加熱線圈 反應物及副產品 ↑本圖轉用自歐亞書局出版半導體製程技術導論 P110 圖4.22

15 水平式反應器(Horizontal Reactor)
加熱線圈 晶圓 反應物 反應物及副產品 ↑本圖轉用自歐亞書局出版半導體製程技術導論 P110 圖4.22

16 了解 磊晶 (Epitaxy) 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 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,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
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

18 磊晶層可能的缺陷 表面成核造成堆疊錯誤 由基片堆疊錯誤造成的堆疊錯誤 差排 雜質微粒 尖凸物 磊晶層 基片
↑本圖轉用自歐亞書局出版半導體製程技術導論 P113 圖4.24

19 了解 磊晶 (Epitaxy) 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
4.超高真空化學氣相沉積法(UHV,到10-9托) 5.選擇性磊晶

20 結語&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 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.B2H6(氫化硼)做為P-型矽摻雜物 7.PH3(三氫化磷)和AsH(砷化氫)做為N-型矽摻雜物

21 感謝大家聆聽,請發問問題!!