定义
外延片是在经过精细加工和严格处理的衬底之上，运用特定的外延生长技术，精确生长出一层或多层具备一定物理、化学和电学性能，以及特定晶体结构和厚度的半导体薄膜。它是集成电路制造中至关重要的基础材料，为后续制造各种半导体器件提供了关键的物理平台。
同质外延：生长的外延层和衬底是同一种材料。
异质外延：外延生长的薄膜与衬底材料不同，或者生长化学组分，物理结构与衬底完全不同的外延层。如下图，碳化硅异质外延。
结构与组成 • 衬底：常用的单晶硅衬底具有优异的晶体完整性和电学性能，能为外延层提供理想的晶格匹配和生长基础。碳化硅衬底则具有高击穿电场、高热导率等特性，适用于高频、高压、高功率的集成电路应用。蓝宝石衬底凭借良好的绝缘性能和化学稳定性，在光电器件等领域的外延片中应用广泛。 • 外延层：除了与衬底在材料和晶格匹配上有严格要求外，外延层的杂质浓度可通过精确的掺杂工艺进行调控。如在制造高性能晶体管时，可在N型外延层中精确控制磷、砷等杂质原子的浓度，以实现特定的电子迁移率和导电性。外延层的晶体结构缺陷密度极低，可确保载流子在其中的高效传输，减少散射和损耗。
制备方法 • 化学气相沉积（CVD）：以金属有机化学气相沉积（MOCVD）为例，在生长氮化镓（GaN）外延层时，通常以三甲基镓（TMGa）和氨气（NH₃）作为源气体，在高温和催化剂的作用下，TMGa分解出镓原子，NH₃分解出氮原子，它们在衬底表面发生化学反应并沉积，逐渐生长出GaN外延层。通过精确控制反应温度、气体流量、压力等参数，可以精确调控外延层的生长速率、厚度和质量。
• 分子束外延（MBE）：在MBE系统中，有多个分别装有不同元素的蒸发源，如生长砷化镓（GaAs）外延层时，将装有镓（Ga）和砷（As）的蒸发源加热，使Ga和As原子蒸发成束状射向衬底。利用反射式高能电子衍射等技术实时监测衬底表面的原子生长情况，精确控制蒸发源的温度和蒸发时间，就能实现原子级别的精确生长，可生长出厚度仅为几个原子层的超薄外延层，用于制造量子阱、量子点等先进的半导体器件。
在集成电路中的作用 • 提高性能：在高速集成电路中，通过在硅外延层中采用应变工程技术，可使硅原子晶格产生一定的拉伸或压缩应变，能显著提高电子或空穴的迁移率。例如在FinFET结构中，利用应变外延层可使晶体管的驱动电流大幅增加，从而提高芯片的运行速度，降低功耗。 • 实现复杂功能：在系统级芯片（SoC）中，需要在同一外延片上集成多种不同功能的器件。如在CMOS工艺中，通过在外延片上依次生长不同掺杂类型和浓度的外延层，可分别用于制作PMOS和NMOS晶体管，再结合金属互连等工艺，就能实现逻辑运算、存储等多种复杂功能。 • 隔离与绝缘：在功率集成电路中，通常会生长一层厚的绝缘外延层，如二氧化硅（SiO₂）外延层，用于实现高压器件与低压器件之间的电气隔离。这种绝缘外延层具有高击穿电压和低漏电特性，能有效防止不同电位区域之间的电流泄漏和信号串扰，确保电路在高电压、大电流环境下的稳定运行。
来源于光刻技术与光刻机，作者婧晚画安颐
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