Silicon Based Epitaxial Thin Films
什么是外延工藝
外延被定義為“一種晶體物質(zhì)在另一種晶體物質(zhì)上的規(guī)則取向生長”。同質(zhì)外延（在與襯底相同材料上生長外延層）和異質(zhì)外延（在與襯底不同的材料上生長外延層）這兩種工藝都用于半導(dǎo)體器件制造。根據(jù)界面條件和晶格參數(shù)，異質(zhì)外延膜可以形成應(yīng)變或弛豫的晶格結(jié)構(gòu)。
膜中的應(yīng)變可以是雙軸的或單軸的，這取決于不同材料在器件中的排列方式。
外延膜可以通過多種不同的方法形成，包括蒸發(fā)、濺射、分子束外延、液相外延和化學(xué)氣相外延。
關(guān)鍵要點(diǎn)
外延工藝可以在同種材料的襯底上生長出更高純度的層。在外延過程中，生長的方向由底層晶體決定。外延工藝影響器件的質(zhì)量、特性、電學(xué)性能等。
目標(biāo)
在外延工藝中，目標(biāo)是使電子通過器件的傳輸更加有效。在外延工藝中，目標(biāo)是使電子通過器件的傳輸更加有效。在半導(dǎo)體器件的構(gòu)建中，外延層被包含在內(nèi)，以細(xì)化并使結(jié)構(gòu)均勻化。
工藝
外延工藝允許在同種材料的襯底上生長出更高純度的層。在某些半導(dǎo)體材料中，如HBT或MOSFET，外延工藝被用于生長與襯底不同的材料層。正是外延工藝使得在高摻雜材料層上生長低摻雜密度層成為可能。
外延影響因素
1.影響因素
溫度：影響外延生長速率和外延層密度。外延工藝所需的溫度高于室溫，具體值取決于外延類型。
壓力：影響外延生長速率和外延層密度。
缺陷：外延中的缺陷會(huì)導(dǎo)致晶圓出現(xiàn)故障。為了實(shí)現(xiàn)無缺陷的外延層生長，應(yīng)維持外延工藝所需的物理?xiàng)l件。
期望位置：外延生長應(yīng)在晶體的正確位置上進(jìn)行。應(yīng)適當(dāng)覆蓋那些需要排除在外延工藝之外的區(qū)域，以防止生長。
自摻雜：由于外延工藝在高溫下進(jìn)行，摻雜原子可能會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生變化。
外延生長的密度是指在外延生長層中單位體積內(nèi)材料的原子數(shù)量。溫度、壓力和半導(dǎo)體襯底的類型等因素會(huì)影響外延生長。通常，外延層的密度會(huì)隨著上述因素的變化而變化。外延層生長的速度稱為外延生長速率。
如果外延生長的位置和方向正確，生長速率會(huì)較高，反之則較低。與外延層密度類似，外延生長速率也依賴于溫度、壓力和襯底材料類型等物理因素。外延生長速率在高溫和低壓下會(huì)增加。外延生長速率還取決于襯底結(jié)構(gòu)的方向、反應(yīng)物的濃度以及所采用的生長技術(shù)。
SiGe epi
用于生產(chǎn)未摻雜和摻雜外延硅和Si1-xGex的化學(xué)反應(yīng)包括：
SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl (~1200°C)
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl (~1150°C)
SiH2Cl2 → Si + 2HCl (~1100°C)
SiH4 → Si + 2H2 (~1050°C)
GeH4 → Ge + 2H2
B2H6 → 2B + 3H2
PH3 → P + 3/2H2
AsH3 → As + 3/2H2
外延工藝方法
外延工藝有多種方法：液相外延、混合氣相外延、固相外延、原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、分子束外延等。
兩種外延工藝對比：CVD vs MBE1
1.化學(xué)氣相沉積（CVD）
化學(xué)工藝
當(dāng)氣態(tài)前驅(qū)體在生長室或反應(yīng)器中遇到加熱的襯底時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)
對薄膜生長過程有精確控制
在需要高質(zhì)量外延層的應(yīng)用中被廣泛使用
是最常用的方法
半導(dǎo)體制造中的外延工藝至關(guān)重要，它優(yōu)化了半導(dǎo)體器件和集成電路的性能。這是影響器件質(zhì)量、特性及電學(xué)性能的主要工藝之一。
2.分子束外延（MBE）
物理工藝
在真空條件下加熱待沉積的材料
對生長層厚度和成分有精確控制
在需要極精細(xì)外延層的應(yīng)用中被廣泛使用
成本較高
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