硅片衬底上为什么要做外延？

半导体工艺与设备 2024-07-01 08:37

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在半导体产业链中，特别是第三代半导体（宽禁带半导体）产业链中，会有衬底及外延层之分，那外延层的存在有何意义？和衬底的区别是什么呢？

衬底（substrate）是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。衬底是晶圆（把晶圆切开，就可以得到一个个的die，再封装好就成为传说中的芯片）最底下（其实芯片的最底部一般还会镀上一层背金，用做“地”连通，但是是在后道工序中制作的），承载整个支撑作用的底座（芯片里的摩天大楼就是建立在衬底之上的）。

外延（epitaxy）是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。

由于新生单晶层按衬底晶相延伸生长，从而被称之为外延层（厚度通常为几微米，以硅为例：硅外延生长其意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层具有和衬底相同晶向的电阻率与厚度不同的晶格结构完整性好的晶体），而长了外延层的衬底称为外延片（外延片=外延层+衬底）。器件制作在外延层上展开。

外延分为同质外延和异质外延，其中同质外延是在衬底上生长与衬底相同材料的外延层，同质外延的意义在哪儿？——提高产品稳定性和可靠性。虽然同质外延是生长与衬底相同材料的外延层，虽然材料相同，但可以提升晶圆表面的材料纯度和均匀度，通过外延处理的衬底，相比于机械抛光的抛光片，其表面平整度高、洁净度高、微缺陷少、表面杂质少，因此电阻率更加均匀，对于表面颗粒、层错、位错等缺陷也更容易控制。外延不仅仅提高了产品的性能，也能保证产品的稳定性和可靠性。

硅片衬底上再做一层硅原子外延，这样做有什么好处呢？在CMOS硅工艺中，晶圆衬底上进行外延生长（EPI，epitaxial）是一项非常关键的工艺步骤。

1. 提高晶体质量

初始衬底缺陷和杂质：晶圆衬底在制造过程中可能会有一定的缺陷和杂质。外延层的生长可以在衬底上生成一个高质量、缺陷和杂质浓度低的单晶硅层，这对于后续的器件制造非常重要。均匀的晶体结构：外延生长可以保证一个更均匀的晶体结构，减少衬底材料中的晶界和缺陷的影响，从而提高整个晶圆的晶体质量。

2. 改善电气性能

优化器件特性：通过在衬底上生长外延层，可以精确控制硅的掺杂浓度和类型，优化器件的电气性能。例如，外延层的掺杂可以精确调节MOSFET的阈值电压和其他电学参数。减少漏电流：高质量的外延层具有较低的缺陷密度，这有助于减少器件中的漏电流，从而提高器件的性能和可靠性。

3. 支持先进工艺节点

缩小特征尺寸：在更小的工艺节点（例如7nm、5nm）中，器件特征尺寸不断缩小，要求更加精细和高质量的材料。外延生长技术能够满足这些要求，支持高性能和高密度的集成电路制造。提高抗击穿电压：外延层可以设计成具有较高的抗击穿电压，这对于制造高功率和高电压器件非常关键。例如，在功率器件中，外延层可以提高器件的击穿电压，增加安全工作范围。

4. 工艺兼容性和多层结构

多层结构：外延生长技术允许在衬底上生长多层结构，不同层次可以具有不同的掺杂浓度和类型。这对于制造复杂的CMOS器件和实现三维集成非常有帮助。兼容性：外延生长工艺与现有的CMOS制造工艺高度兼容，容易集成到现有的制造流程中，不需要大幅度修改工艺线路。

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