廣義而言，半導(dǎo)體基板即為晶圓。我們可以直接在晶圓表面堆疊晶體管，即半導(dǎo)體電路的基本元件，也可以構(gòu)建新的一層，將其作為基板并在上面形成器件。特別是用于通信、軍事和光學(xué)元件等特殊用途的晶體管，或是高性能和高質(zhì)量的晶體管，它們都需要用到外延晶片。在本文中，我們將介紹這種在晶圓之上由超純硅構(gòu)成的超高純層(也被稱(chēng)為“外延層)的形成過(guò)程、用途和特征。

1.外延層，超純晶圓上的“超高純”層

圖1.初始籽晶和附加工藝流程所在的外延層

晶圓制造過(guò)程獨(dú)立于半導(dǎo)體制造過(guò)程。它將熔融硅轉(zhuǎn)化為純度近100%的高純度晶圓，并將其切割成板狀。晶圓制造涉及各種材料，包括從集成電路最常用的硅和鍺，到用于高速模擬的砷化鎵。

總體而言，晶圓制造工藝流程大多相似，僅在工藝條件和方法上略有不同。硅片可分為三類(lèi)超純硅片、(P型/N型)摻雜硅片以及經(jīng)過(guò)附加工藝處理的外延片。其中，P型硅片最為常用。這是因?yàn)橹灰赑型基板上完成N-Well(半導(dǎo)體制造工藝)，就可以簡(jiǎn)單地制造互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CMOSFET)。外延片是對(duì)超純晶圓施加附加工藝(即所謂的外延工藝)后的產(chǎn)物，此時(shí)的超純晶圓稱(chēng)為籽晶(中間產(chǎn)物)。

2.形成外延層的前提條件：晶體結(jié)構(gòu)

圖2.外延層與非晶層

在英語(yǔ)中，外延(epitaxial)一詞的前綴“epi-”表示“在上面”，而外延層則是指向上形成的層。外延一詞代表外延生長(zhǎng)，這意味著新層不斷堆疊生長(zhǎng)形成單晶。單晶為固態(tài)，其中同一類(lèi)型的所有晶體沿著特定的晶軸有規(guī)律地形成，同時(shí)籽晶位于下方且晶格方向保持不變。

在晶體管結(jié)構(gòu)中，充當(dāng)漏極電流流動(dòng)路徑的基板應(yīng)具有晶體結(jié)構(gòu)；然而，由于在半導(dǎo)體制造工藝前期所使用的大多數(shù)沉積方法都會(huì)有非晶(無(wú)定型)層，因此需要依靠特殊條件和方法生成外延層，以避免出現(xiàn)非晶態(tài)。

要用作籽晶層，晶格應(yīng)具備晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)依照下層晶格結(jié)構(gòu)向上生長(zhǎng)。因此，重要的是形成晶格排列規(guī)則且晶格常數(shù)一致或相似的層。由此，通過(guò)特殊方法在籽晶層上形成的新層或基板便是外延層，而外延層所覆蓋的晶圓被稱(chēng)為外延片。

3.晶格內(nèi)電子流動(dòng)條件

圖3-1.不同層平均電子流動(dòng)速率對(duì)比-單晶層：快

圖3-2.不同層平均電子流動(dòng)速率對(duì)比-多晶層：中等

圖3-3.不同層平均電子流動(dòng)速率對(duì)比-無(wú)定形(非晶)層：慢

(單晶層＞多晶層＞無(wú)定形(非晶)層)

半導(dǎo)體器件的功能包括促使電子流動(dòng)，檢測(cè)和判斷流動(dòng)情況，并將判斷結(jié)果以開(kāi)/關(guān)形式呈現(xiàn)。在籽晶上進(jìn)行附加工藝(超高純)處理是為了制造一個(gè)無(wú)任何缺陷的層，以此促進(jìn)電子在零缺陷場(chǎng)中的流動(dòng)。

要想增加電子在某個(gè)方向上的流動(dòng)速度，晶格必須呈規(guī)則排列。當(dāng)原子之間的距離恒定時(shí)則更為有利。換句話(huà)說(shuō)，多晶或非晶(無(wú)定型)晶格的排列會(huì)削弱電子流動(dòng)速率并形成電子陷阱，從而增加了柵極電壓和漏極電流預(yù)測(cè)和管理難度。

4.晶格常數(shù)

圖4.外延層和單晶結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)

晶格常數(shù)是指硅原子之間的鍵(共價(jià)鍵)間距。當(dāng)任何一種其它元素進(jìn)入硅原子間時(shí)，原子的電荷量發(fā)生變化，導(dǎo)致原子間距(晶格常數(shù))發(fā)生變化。盡可能避免晶格常數(shù)的改變是非常重要的。這是因?yàn)榫Ц癯?shù)不一致會(huì)影響上下層的熱膨脹系數(shù)，很可能導(dǎo)致晶圓翹曲。此外，當(dāng)堆疊二氧化硅或二氧化鉿作為柵極氧化層時(shí)，若是通過(guò)外延生長(zhǎng)制造出晶格常數(shù)一致的超高純層，而非在含雜質(zhì)的硅基板上進(jìn)行堆疊，可以將接觸面之間的電子陷阱和接觸面之間的失配情況(粘結(jié)程度減弱等)降至最低。

盡管外延層品質(zhì)優(yōu)良，但由于制作工藝復(fù)雜、成本較高，且外延工藝需要依靠單晶生長(zhǎng)，處理速度緩慢，因此外延層僅在特殊情況下使用。

5.晶格匹配和失配情況

圖5-1.兩種異質(zhì)外延情況-外延層晶格常數(shù)非常大時(shí)

圖5-2.兩種異質(zhì)外延情況-外延層晶格常數(shù)非常小時(shí)

當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)中的籽晶層和外延層具有相同間距時(shí)，我們稱(chēng)之為同質(zhì)外延，反之，我們稱(chēng)之為異質(zhì)外延。在異質(zhì)外延的情況下，當(dāng)外延層的晶格間距較大時(shí)，需要施加壓應(yīng)力使其與籽晶層間距相匹配。相反，當(dāng)外延層晶格間距小于下層籽晶層晶格間距時(shí)，需要施加拉應(yīng)力來(lái)增加間距。

原子的結(jié)合形成晶體結(jié)構(gòu)，或稱(chēng)晶格。如果晶體結(jié)構(gòu)中原子間距不匹配，則會(huì)出現(xiàn)包括空洞、突起在內(nèi)的缺陷，進(jìn)而引發(fā)質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)在基板上生成新的外延基板可以克服這些問(wèn)題。重要的是，如果在外延層形成的同時(shí)進(jìn)行摻雜操作，則可按需形成雜質(zhì)層，并將其作為基板，制作半導(dǎo)體部件。

審核編輯：湯梓紅