二维干货：外延技术的基本常识

什么是外延生长？

外延生长是半导体材料和器件制造中的关键工艺之一。这项技术通过在特定条件下，在经过精心制备的单晶衬底上，沿着原有的晶向生长出一层符合特定要求的新单晶层的工艺过程。这层新生长的单晶层称为外延层。外延生长技术为调控器件性能、实现选择性生长、控制杂质分布、制备多层结构以及在相对低温下生长半导体薄膜提供了有效手段。外延生长可根据其在器件制作中的作用、衬底和外延层材料的化学成分、生长过程中原子输送的方式以及生长机理的不同进行分类。在半导体器件制作中，外延技术的应用已成为提高器件性能和成品率的关键之一。

外延生长的优势

外延生长是半导体材料和器件制造中的一项重要工艺。这项技术通过在精心准备的单晶衬底上，沿着原有的晶向生长出一层符合特定要求的新单晶层。这一新生长的单晶层被称为外延层。外延生长技术为器件设计和制造带来了多方面的优势：

1. 性能调控: 利用外延生长，可以在低电阻率的衬底上生长出一层较薄但电阻率较高的外延层，解决了器件中击穿电压和电阻之间的矛盾。

2. 灵活性增强: 外延技术支持选择性生长，为集成电路和特殊结构器件的定制提供了便利条件。

3. 杂质控制: 外延技术可精确控制外延层中的杂质分布，从而改善器件的性能和稳定性。

4. 多层结构制备: 采用适当的外延技术可以实现异质、薄层、超薄层组分可变的外延层生长，为多层异质结构器件的制造提供了条件。

5. 低温制备: 外延生长可在低于衬底熔点的温度下制备半导体薄膜，有助于节能减排和保护材料的性质。

外延生长的分类

外延生长技术是半导体材料和器件制造中的关键工艺之一，根据不同的分类标准，可以将外延生长技术分为以下几种类型：

1. 作用分类：根据外延层在器件制作过程中的作用，可分为正外延和反外延。正外延是指器件直接制作在外延层上，而反外延是指器件制作在衬底上，外延层仅起支撑和隔离作用。

2. 化学成分分类：根据衬底和外延层材料的化学成分是否相同，可分为同质外延和异质外延。同质外延是指衬底和外延层属于同种材料，而异质外延是指衬底和外延层材料不同。

3. 输送原子方式分类：根据在生长过程中向衬底输送原子的方式，可分为气相外延、液相外延和固相外延。

4. 生长机理分类：根据外延生长的机理不同，可分为直接外延生长和间接外延生长。直接外延生长是指原子直接从源转移到衬底上形成外延层，而间接外延生长则是指原子或分子通过化学反应得到，然后在衬底上生长外延层。

外延生长的历史

外延技术的发展可以追溯到20世纪60年代初期。该技术的出现为半导体器件制造中的许多挑战提供了解决方案，显著提升了器件性能。最初，外延技术主要应用于硅高频大功率晶体管的生产，以解决击穿电压与串联电阻之间的矛盾。随着技术的不断推进和应用的扩展，硅外延技术逐渐成为硅器件制造过程中不可或缺的一环。

为了满足器件性能和制造效率的需求，对硅外延提出了诸多要求：包括提高产量、增大外延片尺寸、确保外延层厚度和电阻率均匀分布、控制自掺杂、精确控制掺杂浓度、改善衬底与外延层界面杂质分布等。同时，对特殊需求的研发，如生长亚微米厚的薄层外延、实现选择性外延生长等，也推动了外延技术的进步。

为此，外延研究者进行了大量的探索和创新工作。他们根据边界层理论，开展了低压外延等系列研究，改善了外延层的厚度和电阻率均匀性。采用新型外延源材料，如SiCl4 + SiH₄混合源和SiH₂Cl₂源，降低了外延生长温度。通过采用二步外延生长法，有效抑制了自掺杂，提高了界面处杂质过渡分布的陡度。此外，应用HCI、Br₂、抛光、红外加热等技术，改善了外延层的晶体完整性。还开展了吸杂技术的研究，进一步提高了外延片的质量。提出利用补偿效应，有效控制了外延生长过程中的边缘翘突、自掺杂和外扩散效应等问题，从而改善了外延层的厚度一致性、掺杂的均匀性和材料完美性。

为满足对温度、自掺杂的抑制以及薄层外延片等方面的需求，外延研究人员正在探索硅的分子束外延、等离子增强、光能增强和超高真空化学气相淀积等新的外延生长技术。

外延生长的作用

外延技术在二维器件工艺中扮演着重要的角色。它的作用可以概括如下：

1. 性能优化：外延技术可以在二维材料的基底上生长出符合要求的外延层，从而优化器件的性能。例如，在二维半导体器件中，外延层的生长可以改善载流子传输和减小电阻，从而提高器件的电性能。

2. 异质结构制备：通过外延技术，可以在二维材料上生长出不同化学成分或晶体结构的外延层，形成异质结构。这种异质结构对于制备二维器件中的 PN 结、调制控制器件等具有重要意义。

3. 界面控制：外延生长技术可以精确控制外延层与基底之间的界面性质，如界面的结晶质量、杂质分布等。这对于提高二维器件的性能和稳定性至关重要。

4. 器件集成：外延技术使得在同一片基底上生长不同结构、不同性质的外延层成为可能，从而实现多功能器件的集成制备，提高器件的集成度和整体性能。

5. 材料探索：外延技术也为新型二维材料的探索和研究提供了平台。通过在不同衬底上生长外延层，可以实现对二维材料性质的调控和优化，为材料科学的发展提供新思路和方法。