晶圆制备–外延(Epitaxy) （转）

上一篇文章专题介绍晶圆制备，如何制备集成电路制造专用的衬底晶圆片？我们一般6/8寸的logic、MS制程用的都是抛光片(polish wafer)，这种圆片都是在坩埚里面单晶直拉法拉的晶棒(ingot)，然后切割(saw)成一片片的wafer，再经过抛光退火形成最终的Wafer卖给FAB。

但是这种CZ法(单晶直拉法)做出来的wafer最大的问题就是因为坩埚会带入含碳或含氧的杂质，而这些杂质会在晶格生长过程中产生缺陷，我们称之为原生缺陷或者叫生长缺陷(grown-in defect)，而这种缺陷经过APM清洗(SC1: NH4OH: H2O2: H2O=1:1:5)之后会产生很多缺陷，而最初人们不知道是什么于是定义为颗粒(Particle)，但是后来发现这种颗粒随着APM清洗非但没有减少反而大小和数量都增加了，后来的研究发现这是晶格生长过程中的晶格原生缺陷(COP: Crystal Originated Particle)，而且以前的GOI fail几乎就是这种原因。(后面再讲COP缺陷的形成机理吧~~不然就偏题了)

如何消除这种晶格生长过程中的原生缺陷？除了前面讲抛光片里面的退火处理外，最完美的解决方案就是外延了(台湾语叫磊晶, Epitaxy，简称EPI)。外延这个词来源于希腊语【"Epi"上面】以及【“taxis”整理安排】的组合"Epitaxy"。

就是在抛光片上面再长一层高质量的单晶硅，因为没有了坩埚(主要含氧和碳)，所以就没有坩埚引入的杂质诱生的原生缺陷。而外延的缺陷是由衬底决定的，它会沿着衬底径向继续沿径向结构累加原子。我们通常的外延衬底片都是polish wafer也是硅，这种外延与衬底是同种材料的称之为同质外延(Homoepitaxy)，也就是我们广义上简称的外延。如果外延与衬底材料不一样，则为异质外延(Heteroepitaxy)，比如SOS(Silicon on Sapphire, 蓝宝石)衬底。

外延主要应用于双极性(BJT)、BiCMOS、或者高要求/低漏电的CMOS、或者高压CMOS制程里，通常厚度在3~7um。减少了CMOS电路的栅锁效应(Latch-up)，提高BJT的放大系数以及高压器件的耐压等作用。当然外延也有缺点，比如工艺复杂价格昂贵(翻倍)，安全问题(SiH4和H2都是易燃易爆的)，扩散和自掺杂效应，图形冲坏(shift)。

外延是个化学气相沉积(CVD)过程，主要用硅的气态化合物(SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH4)与H2发生还原反应生成硅(Si)，一般包含五个步骤：1) 反应物被运输到衬底上，2)反应物被吸附到衬底上，3) 表面发生化学反应生成薄膜和副产物，4) 反应物从表面被放出，5) 副产物从表面被运走。主要是前三个步骤，气流流过与衬底形成滞留层，其厚度与气流速度以及表面形貌有关，气流越快则滞留层越薄。而反应气体需要闯过滞留层才能到达Si表面发生发生反应，而且副产物需要及时被带走，否则副产物的HCl又反过来蚀刻Si (可逆反应，可以利用此原理来做vapor clean)。所以说反应速率正比于气体中的摩尔分数，低温时反应物进入表面但是反应太慢，所以对温度敏感性不强。高温时，由于反应比较激烈，所以质量输运(Mass Transportation)占主导。而质量输运的主要因素就是滞留层宽度，而滞留层宽度与气体流速有关，所以反应腔室的设计如何保证均匀的层流(laminar)是很重要的，否则发生湍流(turbulent)就有厚度均匀性问题了。

外延反应主要气体是SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH4。最常用的是SiCl4与H2发生还原反应。