半导体“硅（Si）外延生长”工艺技术的详解；

硅外延片是指在硅单晶衬底上外延生长一层或多层硅单晶薄膜的材料，用于制造半导体分立器件和集成电路。根据衬底片的掺杂浓度不同，分为轻掺杂衬底外延片和重掺杂衬底外延片。前者通过生长高质量的外延层，可以提高CMOS栅氧化层完整性、改善沟道漏电、提高集成电路可靠性，后者结合了重掺杂衬底片和外延层的特点，在保证器件反向击穿电压的同时又能有效降低器件的正向功耗。

外延片是在抛光片衬底上生长一层单晶硅，这层单晶硅称为外延层。外延产品主要应用于主要用于分立器件以及集成电路的制造，可用于制备MOSFET、双极型晶体管、IGBT器件、肖特基二极管、电荷藕合器件、CMOS图像传感器等多种产品。

一、单晶硅外延片的优点

薄膜单晶体的外延生长主要是在经过切、磨、抛等精细加工的单晶衬底上生长一层合乎要求的单晶层，其实质是一种利用衬底作为籽晶的薄膜单晶生长方法。利用这种工艺所制备的单晶硅外延薄膜具有以下优点：

1、可以有效解决大功率晶体管的高击穿电压和低串联电阻之间的矛盾；

2、可更好的利用“吸杂(gettering)”作用，将金属元素等不利杂质原子引入到材料体内或背面，而在半导体硅表面形成高质量的器件制造区，进而制备高成品率和高质量的器件；

3、可以有选择性地外延，外延的元素种类、成分、杂质浓度、位置等都可通过相应的技术进行调控，进而制备具有特殊结构或性能的器件。

二、单晶硅外延片的制备工艺及流程

下图给出了利用化学气相沉积（CVD）方法制备单晶硅外延薄膜的过程示意图，在该过程中发生的化学反应的简化方程为：SiHCl3+H2→Si+3 HCl(g)，PH3→P+H2(g)

以单晶硅为衬底外延生长单晶硅薄膜的同质外延过程中常用的硅源包括：SiH4，SiH2Cl2，SiHCl3和SiCl4等。其基本原理为硅源与氢气发生反应还原出Si，如：SiCl4+2 H2→Si+4 HCl。与此同时，还可同步进行掺杂，常用的n型掺杂剂包括PCl3，PH3和AsCl3等，而常用的P型掺杂剂有BCl3和B2H6等。

三、影响单晶硅外延片生长行为的因素

在硅外延生长过程中，影响其生长速率的因素主要有以下几种：

1、温度

若处于高温区，外延过程主要受质量传输作用控制，外延层的生长速率随温度的升高而增加的较为缓慢；

若处于低温区，外延过程由表面反应控制，外延层的生长速率随温度的升高而线性增加。

2、气体与载气之比

硅单晶的外延生长速率一般随着气体与载气之比先增加后降低，因此存在一个生长速率。该极值所对应的气体与载气之比值与气体的种类等因素相关。

3、气体流量

硅单晶的外延生长速率随气体流量的增加而单调增加，不过当气体流量达到一临界值以上后，生长速率将随之趋于饱和，不再有显著的增加。

4、晶体结构-晶向

晶体生长所沿晶向不同，其生长速率也有差异。硅晶体沿晶向<100>、<110>和<111>的生长速率分别约为1.65μm/min、1.52μm/min和1.39μm/min。此外，若衬底取向与上述晶向之间存在一个微小偏离时晶体可以表现出更高的生长速率。如下表：

四、单晶硅外延片的掺杂及缺陷

在硅外延生长过程中，掺杂的杂质的来源包括衬底、邻片、气体、基座以及其他系统等。外延层中总的掺杂量为：N总=N衬底±N气±N邻片±N扩散±N基座±N系统。其中N气、N基座和N系统属于外掺杂，而N背扩散、N衬底和N邻片属于自掺杂。为了有效控制硅单晶外延薄膜的杂质含量，需要在该工艺过程中清洁系统和基座，降低自掺杂。

一旦在外延生长过程中对某些工艺参数的控制出现偏差，则很有可能导致硅外延层上出现缺陷。具体而言，可能出现的表面缺陷包括：云雾状表面，角锥体，亮点，塌边、划痕及滑移线等；可能出现的内部缺陷则包括：层错、位错、夹层等。

五、单晶硅外延片电阻率的控制

电阻率是外延单晶硅薄膜的一个重要电学性质，主要可以通过下面几种方法对硅外延层的电阻率进行控制：

1、在衬底材料中使用蒸发速率较小的掺杂元素，如Sb等；

2、在外延生长前高温加热衬底，使衬底表面形成杂质元素的耗尽层；

3、采用背封技术；

4、采用低温外延技术和不含卤原子的硅源；

5、采用两段外延生长技术等。

六、单晶硅外延片生长工艺技术的介绍

总结一下

硅外延片行业技术壁垒较高，生产工艺流程较为复杂，需经过衬底材料制备、切割、研磨、外延片生长、光刻、离子注入、检测等流程。外延片生长为硅外延片制造关键环节，采用气相外延法，将含硅氢气放入熔炉中，经过高温分解，产生出硅原子，在衬底硅表面上外延生长。在技术创新推动下，外延片生长工艺已逐渐发展成熟，低温外延、分子束外延、液相外延、减压外延、选择外延等工艺获得广泛应用。

同时、也因为硅外延片在半导体行业发展中占据重要地位，所以，随着半导体硅片市场需求不断增长，硅外延片行业发展空间不断加大。与海外先进企业相比，我国硅外延片行业在技术领域仍存在一定差距，未来行业发展存在提升空间。伴随经济快速发展以及技术不断突破，我国硅外延片市场需求逐渐释放，这将为行业发展带来动力支持。