2022.06.18

外延片

外延片

外延片(EPI)指的是在衬底上生长出的半导体薄膜，薄膜主要由P型，量子阱，N型三个部分构成。现在主流的外延材料是氮化镓(GaN)，衬底材料主要有蓝宝石。硅，碳化在三种，量子阱般为5个通常用的生产工艺为金属有机物气相外延(MOCVD)，这是LED产业的核心部分，需要较高的技术以及较大的资金投入。

目前在硅衬底上可以做普通外延层，多层结构外延层，超高阻外延层，超厚外延层，外延层电阻率可达一千欧姆以上，导电类型为：P/P++, N/N++, N/N+, N/N+/N++, N/P/P, P/N/N+等多种类型。

硅外延晶片是用于制造广泛的半导体器件的核心材料，在消费、工业、军事和空间电子学中都有应用。

直径		4″	5″	6″	8″
外延层	掺杂	Boron, Phos, Arsenic
	晶向	<100>, <111>
	导电类型	P/P++, N/N++, N/N+, N/N+/N++, N/P/P, P/N/N+
	电阻率	0.001-50 Ohm-cm
	电阻率均匀性	Standard<6%, Maximum Capabilities <2%
	外延层厚度 (um)	0.1-100
	厚度均匀性	Standard<3%, Maximum Capabilities <1%
衬底	晶向	<100>, <111>
	导电类型/掺杂元素	P Type/Boron , N Type/Phos, N Type/As, N Type/Sb
	厚度 (um)	300-725
	电阻率	0.001-100 Ohm-cm
	表面状态	P/P, P/E
	颗粒度	<30@.0.5um

一些最重要的微电子应用了多种生产证明和行业标准的硅外延工艺技术：

二极管

?肖特基二极管

?超快二极管

?齐纳二极管

?PIN二极管

?瞬态电压抑制器（TVS）

?和其他

晶体管

?功率IGBT

?动力DMO

?MOSFET

?中等功率

?小信号

?和其他

集成电路

双极集成电路

?EEPROM

?放大器

?微处理器

?微控制器

?射频识别

?和其他

对于集成电路制造商硅峰提供在衬底上具有埋入离子注入或扩散层的硅外延沉积服务。

根据生长方法可以将外延工艺分为两大类(表1)：全外延(Blanket Epi)和选择性外延(Selective Epi, 简称SEG)。工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2, 简称DCS) 和三氯硅烷(SiHCl3, 简称TCS)；某些特殊外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，反应中的载气一般选用氢气(H2)。” ~1 X. i9 V% A7 I

外延选择性的实现一般通过调节外延沉积和原位(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现，所用气体一般为含氯(Cl)的硅源气体DCS，利用反应中Cl原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般仅应用于低温全外延工艺；而另外一种常用硅源TCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H2鼓泡来导入反应腔，但价格相对便宜，常利用其快速的生长率（可达到5 um/min）来生长比较厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。IV族元素中Ge的晶格常数(5.646A与Si的晶格常数(5.431A差别最小，这使得SiGe与Si工艺易集成。在单晶Si中引入Ge形成的SiGe单晶层可以降低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率fT(cut-off frequency)，这使得它在无线及光通信高频器件方面应用十分广泛；另外在先进的CMOS集成电路工艺中还会利用Ge跟Si的晶格常数失配(4%)引入的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率(mobility)，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度，这正成为各国半导体集成电路工艺研究中的热点。

由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在200ohm-cm以上，通常在外延生长的同时还需要掺入杂质气体(dopant)来满足一定的器件电学性能。杂质气体可以分为N型和P型两类：常用N型杂质气体包括磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)，而P型则主要是硼烷(B2H6)。