半导体制造之外延工艺详解

外延工艺是指在衬底上生长完全排列有序的单晶体层的工艺。一般来讲，外延工艺是在单晶衬底上生长一层与原衬底相同晶格取向的晶体层。外延工艺广泛用于半导体制造，如集成电路工业的外延硅片。MOS 晶体管的嵌入式源漏外延生长，LED衬底上的外延生长等。根据生长源物相狀态的不同，外延生长方式可以分为固相外延、液相外延、气相外延。在集成电路制造中，常用的外延方式是固相外延和气相外延。

固相外延，是指固体源在衬底上生长一层单晶层，如离子注入后的热退火实际上就是一种固相外延过程。离于注入加工时，硅片的硅原子受到高能注入离子的轰击，脱离原有晶格位置，发生非晶化，形成一层表面非晶硅层；再经过高温热退火，非晶原子重新回到晶格位置，并与衬底内部原子晶向保持一致。

气相外延的生长方法包括化学气相外延生长（CVE）、分子束外延（ MBD)、原子层外（ALE）等。在集成电路制造中，最常用的是化学气相外延生长(CVE)。化学气相外延与化学气相沉积（CVD） 原理基本相同，都是利用气体混合后在晶片表面发生化学反应，沉积薄膜的工艺；不同的是，因为化学气相外延生长的是单晶层，所以对设备内的杂质含量和硅片表面的洁净度要求都更高。早期的化学气相外延硅工艺需要在高温条件下（大于 1000°C）进行。随着工艺设备的改进，尤其是真空交换腔体（Load Lock Chamber）技术的采用，设备腔内和硅片表面的洁净度大大改进，硅的外延已经可以在较低温度 （600~700°C）下进行。 在集成电路制造中，CVE 主要用于外延硅片工艺和 MOS 晶体管嵌人式源漏外延工艺。外延硅片工艺是在硅片表面外延一层单晶硅，与原来的硅衬底相比，外延硅层的纯度更高，晶格缺陷更少，从而提高了半导体制造的成品率。另外，硅片上生长的外延硅层的生长厚度和掺杂浓度可以灵活设计，这给器件的设计带来了灵活性，如可以用于减小衬底电阻，增强衬底隔离等。 嵌入式源漏外延工艺是在逻辑先进技术节点广泛采用的技术，是指在 MOS 晶体管的源漏区域外延生长掺杂的锗硅或硅的工艺。引入嵌入式源漏外延工艺的主要优点包括：可以生长因晶格适配而包含应力的赝晶层，提升沟道载流子迁移率；可以原位掺杂源漏，降低源漏结寄生电阻，减少高能离子注入的缺陷。

审核编辑：汤梓红