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，就可以得到一個(gè)個(gè)的die，再封裝好就成為傳說中的芯片）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)過切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上生長一層新單晶的過程，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，從而被稱之為外延層（厚度通常為幾微米，以硅為例：硅外延生長其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長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。

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（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)：晶圓襯底在制造過程中可能會(huì)有一定的缺陷和雜質(zhì)。外延層的生長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：通過在襯底上生長外延層，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)：外延生長技術(shù)允許在襯底上生長多層結(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。

來源：先進(jìn)半導(dǎo)體材料