硅片襯底上為什么要做外延？

2024-06-27 09:43
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，特別是第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)體）產(chǎn)業(yè)鏈中，會(huì)有襯底及外延層之分，那外延層的存在有何意義？和襯底的區(qū)別是什么呢？
襯底（substrate）是由半導(dǎo)體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進(jìn)入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導(dǎo)體器件，也可以進(jìn)行外延工藝加工生產(chǎn)外延片。襯底是晶圓（把晶圓切開(kāi)，就可以得到一個(gè)個(gè)的die，再封裝好就成為傳說(shuō)中的芯片）最底下（其實(shí)芯片的最底部一般還會(huì)鍍上一層背金，用做“地”連通，但是是在后道工序中制作的），承載整個(gè)支撐作用的底座（芯片里的摩天大樓就是建立在襯底之上的）。
外延（epitaxy）是指在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上生長(zhǎng)一層新單晶的過(guò)程，新單晶可以與襯底為同一材料，也可以是不同材料（同質(zhì)外延或者是異質(zhì)外延）。
由于新生單晶層按襯底晶相延伸生長(zhǎng)，從而被稱之為外延層（厚度通常為幾微米，以硅為例：硅外延生長(zhǎng)其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長(zhǎng)一層具有和襯底相同晶向的電阻率與厚度不同的晶格結(jié)構(gòu)完整性好的晶體），而長(zhǎng)了外延層的襯底稱為外延片（外延片=外延層+襯底）。器件制作在外延層上展開(kāi)。
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外延分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延，其中同質(zhì)外延是在襯底上生長(zhǎng)與襯底相同材料的外延層，同質(zhì)外延的意義在哪兒？——提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性。雖然同質(zhì)外延是生長(zhǎng)與襯底相同材料的外延層，雖然材料相同，但可以提升晶圓表面的材料純度和均勻度，通過(guò)外延處理的襯底，相比于機(jī)械拋光的拋光片，其表面平整度高、潔凈度高、微缺陷少、表面雜質(zhì)少，因此電阻率更加均勻，對(duì)于表面顆粒、層錯(cuò)、位錯(cuò)等缺陷也更容易控制。外延不僅僅提高了產(chǎn)品的性能，也能保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。
硅片襯底上再做一層硅原子外延，這樣做有什么好處呢？在CMOS硅工藝中，晶圓襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)（EPI，epitaxial）是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工藝步驟。
1. 提高晶體質(zhì)量
初始襯底缺陷和雜質(zhì)：晶圓襯底在制造過(guò)程中可能會(huì)有一定的缺陷和雜質(zhì)。外延層的生長(zhǎng)可以在襯底上生成一個(gè)高質(zhì)量、缺陷和雜質(zhì)濃度低的單晶硅層，這對(duì)于后續(xù)的器件制造非常重要。均勻的晶體結(jié)構(gòu)：外延生長(zhǎng)可以保證一個(gè)更均勻的晶體結(jié)構(gòu)，減少襯底材料中的晶界和缺陷的影響，從而提高整個(gè)晶圓的晶體質(zhì)量。
2. 改善電氣性能
優(yōu)化器件特性：通過(guò)在襯底上生長(zhǎng)外延層，可以精確控制硅的摻雜濃度和類型，優(yōu)化器件的電氣性能。例如，外延層的摻雜可以精確調(diào)節(jié)MOSFET的閾值電壓和其他電學(xué)參數(shù)。減少漏電流：高質(zhì)量的外延層具有較低的缺陷密度，這有助于減少器件中的漏電流，從而提高器件的性能和可靠性。
3. 支持先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)
縮小特征尺寸：在更小的工藝節(jié)點(diǎn)（例如7nm、5nm）中，器件特征尺寸不斷縮小，要求更加精細(xì)和高質(zhì)量的材料。外延生長(zhǎng)技術(shù)能夠滿足這些要求，支持高性能和高密度的集成電路制造。提高抗擊穿電壓：外延層可以設(shè)計(jì)成具有較高的抗擊穿電壓，這對(duì)于制造高功率和高電壓器件非常關(guān)鍵。例如，在功率器件中，外延層可以提高器件的擊穿電壓，增加安全工作范圍。
4. 工藝兼容性和多層結(jié)構(gòu)
多層結(jié)構(gòu)：外延生長(zhǎng)技術(shù)允許在襯底上生長(zhǎng)多層結(jié)構(gòu)，不同層次可以具有不同的摻雜濃度和類型。這對(duì)于制造復(fù)雜的CMOS器件和實(shí)現(xiàn)三維集成非常有幫助。兼容性：外延生長(zhǎng)工藝與現(xiàn)有的CMOS制造工藝高度兼容，容易集成到現(xiàn)有的制造流程中，不需要大幅度修改工藝線路。



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