半導體制造之外延工藝詳解

外延工藝是指在襯底上生長完全排列有序的單晶體層的工藝。一般來講，外延工藝是在單晶襯底上生長一層與原襯底相同晶格取向的晶體層。外延工藝廣泛用于半導體制造，如集成電路工業的外延硅片。MOS 晶體管的嵌入式源漏外延生長，LED襯底上的外延生長等。根據生長源物相狀態的不同，外延生長方式可以分為固相外延、液相外延、氣相外延。在集成電路制造中，常用的外延方式是固相外延和氣相外延。

固相外延，是指固體源在襯底上生長一層單晶層，如離子注入后的熱退火實際上就是一種固相外延過程。離于注入加工時，硅片的硅原子受到高能注入離子的轟擊，脫離原有晶格位置，發生非晶化，形成一層表面非晶硅層；再經過高溫熱退火，非晶原子重新回到晶格位置，并與襯底內部原子晶向保持一致。

氣相外延的生長方法包括化學氣相外延生長（CVE）、分子束外延（ MBD)、原子層外（ALE）等。在集成電路制造中，最常用的是化學氣相外延生長(CVE)?；瘜W氣相外延與化學氣相沉積（CVD） 原理基本相同，都是利用氣體混合后在晶片表面發生化學反應，沉積薄膜的工藝；不同的是，因為化學氣相外延生長的是單晶層，所以對設備內的雜質含量和硅片表面的潔凈度要求都更高。早期的化學氣相外延硅工藝需要在高溫條件下（大于 1000°C）進行。隨著工藝設備的改進，尤其是真空交換腔體（Load Lock Chamber）技術的采用，設備腔內和硅片表面的潔凈度大大改進，硅的外延已經可以在較低溫度 （600~700°C）下進行。 在集成電路制造中，CVE 主要用于外延硅片工藝和 MOS 晶體管嵌人式源漏外延工藝。外延硅片工藝是在硅片表面外延一層單晶硅，與原來的硅襯底相比，外延硅層的純度更高，晶格缺陷更少，從而提高了半導體制造的成品率。另外，硅片上生長的外延硅層的生長厚度和摻雜濃度可以靈活設計，這給器件的設計帶來了靈活性，如可以用于減小襯底電阻，增強襯底隔離等。 嵌入式源漏外延工藝是在邏輯先進技術節點廣泛采用的技術，是指在 MOS 晶體管的源漏區域外延生長摻雜的鍺硅或硅的工藝。引入嵌入式源漏外延工藝的主要優點包括：可以生長因晶格適配而包含應力的贗晶層，提升溝道載流子遷移率；可以原位摻雜源漏，降低源漏結寄生電阻，減少高能離子注入的缺陷。

審核編輯：湯梓紅