文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述為什么外延生長技術(shù)是半導(dǎo)體制造的核心工藝。

外延生長技術(shù)：半導(dǎo)體制造的核心工藝

隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸不斷微縮，對高質(zhì)量薄膜材料的需求愈發(fā)迫切。外延技術(shù)作為一種在半導(dǎo)體工藝制造中常用的單晶薄膜生長方法，能夠在單晶襯底上按襯底晶向生長新的單晶薄膜，為提升器件性能發(fā)揮了關(guān)鍵作用。本文將對外延技術(shù)的定義、分類、原理、常用技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行探討。

在半導(dǎo)體工藝制造領(lǐng)域，隨著CMOS器件特征尺寸持續(xù)減小，高質(zhì)量薄膜材料對于提升器件性能的重要性日益凸顯。外延技術(shù)作為生長高質(zhì)量單晶薄膜的關(guān)鍵手段，為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大支撐。通過在單晶襯底上生長外延層，不僅能夠精確控制薄膜的厚度、摻雜濃度等參數(shù)，還能有效改善器件的性能，如提高雙極型晶體管的高頻性能、解決CMOS器件的閂鎖效應(yīng)等。因此，深入研究外延技術(shù)對于推動(dòng)半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步具有重要意義。

外延的基本概念

1.定義

外延指的是在單晶襯底上，按照襯底晶向生長一層新的單晶薄膜的工藝。生長出的單晶層被稱為外延層，帶有外延層的襯底則被稱作外延片。這種生長方式能夠使外延層與襯底在晶體結(jié)構(gòu)和晶向上保持良好的一致性，從而為半導(dǎo)體器件的制造提供高質(zhì)量的材料基礎(chǔ)。

2.分類

按照外延生長材料的類型，外延可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延。同質(zhì)外延是指外延層與襯底材料相同的外延工藝，例如在Si襯底上外延Si，在GaAs襯底上外延GaAs等。這種外延方式能夠充分利用襯底的特性，生長出與襯底晶格匹配良好的外延層，減少晶格缺陷，提高外延層的質(zhì)量。異質(zhì)外延則是外延層與襯底材料不同的外延工藝，如Si上外延SiGe，GaAs上外延GaAlAs等。異質(zhì)外延為實(shí)現(xiàn)不同材料之間的優(yōu)勢互補(bǔ)提供了可能，通過合理選擇外延層和襯底材料，可以獲得具有特殊性能的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，滿足不同器件的需求。

按照工藝劃分，外延可分為氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、固相外延（SPE）和分子束外延（MBE）等。不同的外延工藝具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，在半導(dǎo)體制造中發(fā)揮著不同的作用。

按照電阻率高低劃分，外延可分為正向外延和反向外延。正向外延是在低阻襯底上外延高阻層（重襯底上外延生長輕摻雜層），而反向外延則是在高阻襯底上外延低阻層（輕摻雜襯底上外延生長重?fù)诫s層）。這種分類方式主要是根據(jù)外延層和襯底的電阻率差異來進(jìn)行的，不同的電阻率分布會(huì)對器件的性能產(chǎn)生重要影響。

按照壓力劃分，可分為常壓外延（100kPa）和低壓（減壓）外延（5 - 20kPa）。壓力對外延生長過程中的氣體傳輸、化學(xué)反應(yīng)以及薄膜質(zhì)量等方面都有著顯著的影響，選擇合適的壓力條件能夠優(yōu)化外延工藝，提高外延層的質(zhì)量和均勻性。

按照溫度劃分，可分為反應(yīng)溫度在1000℃以上的高溫外延和1000℃以下的低溫外延。溫度是外延生長過程中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著化學(xué)反應(yīng)速率、原子擴(kuò)散速率以及外延層的晶體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。不同的外延工藝和材料對溫度的要求各不相同，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行精確控制。

外延在半導(dǎo)體器件中的重要性

在早期半導(dǎo)體工藝制造中，外延被用于改善雙極型晶體管的高頻性能。為了實(shí)現(xiàn)高頻大功率，雙極型晶體管的集電極需要具備高擊穿電壓和低串聯(lián)電阻，然而這兩個(gè)要求對集電極材料的電阻率有著相互矛盾的需求。外延技術(shù)通過在電阻極低的襯底上生長一層高電阻率外延層（正向外延），成功地解決了這一矛盾。將雙極型晶體管制作在外延層上，高電阻率的外延層保證了晶體管有高的擊穿電壓，而低電阻的襯底又降低了串聯(lián)電阻，從而顯著提升了高頻雙極型器件的性能。

在CMOS器件中，外延同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。CMOS器件中電源和地之間由于寄生PNP和NPN雙極型晶體管相互影響，可能會(huì)產(chǎn)生低阻抗通路，導(dǎo)致“閂鎖效應(yīng)”（Latch - Up），使器件損壞。通過在CMOS器件中增加低電阻率的外延層，可以避開雙極型晶體管的發(fā)射極，使其不能“開啟”，從而有效地解決了“閂鎖效應(yīng)”。此外，在先進(jìn)CMOS工藝制造中，廣泛采用SiGe源漏選擇性外延工藝給PMOS器件溝道施加壓應(yīng)力，能夠提高器件的空穴遷移率，進(jìn)而提升器件性能。

硅氣相外延基本原理

一、外延設(shè)備的構(gòu)成

典型的外延設(shè)備由多個(gè)關(guān)鍵部分組成，包括氣體分布系統(tǒng)、反應(yīng)腔、支撐并加熱硅片的基座、控制系統(tǒng)以及尾氣系統(tǒng)。氣體分布系統(tǒng)中，氣體質(zhì)量流量控制器（MFC）和真空閥用于嚴(yán)格控制氣體流動(dòng)到反應(yīng)腔，確保反應(yīng)氣體能夠精確、穩(wěn)定地輸送到反應(yīng)區(qū)域。基座一般由石墨或者覆蓋著碳化硅或氮化硅的多晶硅組成，它需要具備足夠的強(qiáng)度，并且不能與反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，以保證在高溫、復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)環(huán)境下能夠穩(wěn)定支撐硅片并均勻加熱。

二、反應(yīng)源

硅氣相外延常用的反應(yīng)源有四氯化硅（SiCl?）、三氯硅烷（SiHCl?，TCS）、二氯硅烷（SiH?Cl?，DCS）、硅烷（SiH?）以及其他硅烷。早期集成電路制造常采用四氯化硅（SiCl?）作為反應(yīng)源，但由于其外延生長Si的熱預(yù)算很高，會(huì)帶來諸多不利影響，而現(xiàn)今集成電路制造工藝對熱預(yù)算要求盡可能低，所以目前SiCl?主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的外延工藝中。三氯硅烷與SiCl?特性相似，但其所需的熱預(yù)算比SiCl?低很多，且生長速率較高，適合用于生長厚的外延層。二氯硅烷則廣泛應(yīng)用于在更低溫度下生長高質(zhì)量的薄外延層，其生長的外延層缺陷密度低，是選擇性外延常用的一種反應(yīng)源。硅烷的熱分解反應(yīng)是硅外延生長中較為簡單的化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)方程式為SiH?→Si(s) + 2H?(g)，這種工藝常用于多晶硅的淀積，也可在低于900℃的溫度下外延生長很薄的外延層，且淀積速率很快。此外，像乙硅烷（Si?H?）或者丙硅烷（Si?H?）等其他硅烷，因其外延生長溫度更低，適合淀積很薄的外延層，且淀積速率快。

三、外延生長模型

為了更好地理解外延的生長過程，建立了詳細(xì)的外延生長模型。在這個(gè)模型中，外延生長可劃分為六個(gè)具體步驟：

傳輸：反應(yīng)物氣體經(jīng)過氣相質(zhì)量輸運(yùn)轉(zhuǎn)移到Si表面。在這一步驟中，反應(yīng)氣體在氣流的帶動(dòng)下，通過復(fù)雜的氣體動(dòng)力學(xué)過程，從氣體分布系統(tǒng)輸送到硅片表面，為后續(xù)的反應(yīng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

吸附：反應(yīng)物吸附在Si表面。當(dāng)反應(yīng)氣體分子到達(dá)硅片表面后，會(huì)與硅片表面的原子發(fā)生相互作用，通過物理吸附或化學(xué)吸附的方式附著在硅片表面，為進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)做準(zhǔn)備。

化學(xué)反應(yīng)：反應(yīng)物在Si表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生長Si外延層及副產(chǎn)物。吸附在硅片表面的反應(yīng)物分子在高溫等條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，硅原子逐漸結(jié)合形成外延層，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的副產(chǎn)物。

脫吸：副產(chǎn)物脫離襯底。反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物需要從硅片表面脫離，以便為新的反應(yīng)騰出空間，保證外延生長過程的持續(xù)進(jìn)行。

逸出：脫吸的副產(chǎn)物逸出反應(yīng)室。脫離硅片表面的副產(chǎn)物在氣流的作用下，從反應(yīng)腔中排出，避免副產(chǎn)物在反應(yīng)腔內(nèi)積累對反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。

加接：生成的Si原子加接到Si襯底晶格點(diǎn)陣上，延續(xù)Si襯底晶向。新生成的硅原子會(huì)按照硅襯底的晶向，有序地加入到晶格點(diǎn)陣中，從而實(shí)現(xiàn)外延層的生長，保持與襯底晶向的一致性。

在外延生長進(jìn)程中，外延層展現(xiàn)出橫向二維逐層生長的特性，這一特性與晶面獨(dú)特的“平臺(tái) - 臺(tái)階 - 扭轉(zhuǎn)位置”構(gòu)造緊密相連。晶面的微觀結(jié)構(gòu)可看作由平整的原子平臺(tái)、平臺(tái)邊緣的臺(tái)階以及臺(tái)階拐角處的扭轉(zhuǎn)位置共同構(gòu)成。當(dāng)吸附原子（如硅原子）抵達(dá)平臺(tái)區(qū)域的A位置時(shí)，若能量較低而保持靜止，后續(xù)吸附的原子會(huì)在其周圍無序堆積，逐步形成短鏈狀的硅串或島狀結(jié)構(gòu)。隨著硅串或硅島數(shù)量增多并相互連接，極易在晶面內(nèi)引入大量晶格缺陷（如位錯(cuò)、層錯(cuò)），嚴(yán)重破壞外延層的單晶質(zhì)量。

當(dāng)吸附原子具備較高能量時(shí)，會(huì)借助表面擴(kuò)散機(jī)制向能量更低的穩(wěn)定位置遷移。其中，臺(tái)階邊緣的B位置因存在未完全飽和的Si - Si鍵，能與遷移原子形成部分共價(jià)鍵作用，其能量狀態(tài)比平臺(tái)中央的A位置更低，成為原子遷移的優(yōu)先選擇。而位于臺(tái)階拐角處的扭轉(zhuǎn)位置C，原子在此處可同時(shí)與兩個(gè)方向的晶格原子形成鍵合（約完成50%的Si - Si鍵），能量狀態(tài)最為穩(wěn)定。因此，當(dāng)原子遷移至扭轉(zhuǎn)位置時(shí)，幾乎不再發(fā)生二次遷移，而是直接作為生長節(jié)點(diǎn)，推動(dòng)外延層沿襯底晶向有序延伸。這種“平臺(tái)吸附 - 臺(tái)階遷移 - 扭轉(zhuǎn)固定”的生長模式，是確保外延層保持單晶特性的核心機(jī)制。

注意，若原子遷移過程受到動(dòng)力學(xué)因素抑制（如低溫或高速生長），將導(dǎo)致生長模式偏離理想的逐層外延。具體表現(xiàn)為：

淀積速率的閾值效應(yīng)：在特定溫度下，存在一個(gè)臨界淀積速率值。當(dāng)實(shí)際生長速率超過該閾值時(shí)，氣相中源源不斷供給的原子會(huì)使平臺(tái)表面迅速飽和，大量原子因來不及遷移至扭轉(zhuǎn)位置而直接在平臺(tái)上無序堆積，最終形成多晶或亞微晶結(jié)構(gòu)；反之，當(dāng)生長速率低于閾值時(shí)，原子有充足時(shí)間完成表面擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)單晶外延。

溫度對遷移能力的調(diào)控：在固定淀積速率條件下，溫度通過影響原子表面遷移率發(fā)揮關(guān)鍵作用。高溫環(huán)境能顯著提升原子動(dòng)能，使其擴(kuò)散系數(shù)增大（如硅原子在1000℃時(shí)的表面遷移距離是800℃時(shí)的10倍以上），從而快速定位至扭轉(zhuǎn)位置完成有序生長；而低溫會(huì)導(dǎo)致原子“凍結(jié)”在初始吸附位置，被迫以島狀模式生長，最終形成多晶薄膜。這種溫度 - 速率的協(xié)同作用，構(gòu)成了外延工藝窗口優(yōu)化的核心依據(jù)。

外延生長速率的影響因素

反應(yīng)源

不同硅源的熱分解行為和表面反應(yīng)活性直接決定生長速率排序。以常見硅源為例：

硅烷（SiH?）：在低溫（600 - 900℃）下即可發(fā)生熱分解（反應(yīng)式：SiH? → Si + 2H?），其氣相擴(kuò)散系數(shù)大（約0.1 cm2/s），且分解后產(chǎn)生的Si*活性基團(tuán)能快速吸附于襯底表面，因此生長速率最高（可達(dá)數(shù)μm/min）。

鹵代硅烷（如SiCl?、SiHCl?）：需更高溫度（1100 - 1200℃）才能通過氫還原反應(yīng)釋放硅原子（如SiCl? + 2H? → Si + 4HCl），且反應(yīng)過程伴隨HCl副產(chǎn)物的刻蝕效應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)際生長速率低于硅烷。

速率排序規(guī)律：SiH? > SiH?Cl?> SiHCl?> SiCl?，這一順序與硅源中Si - Cl鍵的鍵能呈負(fù)相關(guān)（SiCl?鍵能3.8 eV > SiHCl?鍵能3.3 eV），鍵能越高，需更多能量打破化學(xué)鍵，導(dǎo)致反應(yīng)速率降低。

溫度

溫度通過控制反應(yīng)速率的限速步驟，使外延生長呈現(xiàn)雙區(qū)域特性：

高溫區(qū)（質(zhì)量輸運(yùn)控制區(qū)）：

此時(shí)表面化學(xué)反應(yīng)速率極快，硅源分子的氣相擴(kuò)散成為限速步驟。生長速率主要取決于反應(yīng)氣體穿過邊界層（厚度δ≈0.1 - 1 mm）的擴(kuò)散通量，可由菲克定律描述：

其中，D為擴(kuò)散系數(shù)，C?為氣相主體濃度。由于擴(kuò)散系數(shù)對溫度的依賴較弱（D ∝ T^(3/2)），高溫區(qū)生長速率對溫度波動(dòng)不敏感，但對反應(yīng)腔幾何結(jié)構(gòu)（如氣體入口設(shè)計(jì)、襯底間距）和氣流速度（雷諾數(shù)Re）高度敏感。

低溫區(qū)（表面反應(yīng)控制區(qū)）：

硅源分子的熱分解效率下降，表面化學(xué)反應(yīng)成為限速步驟。生長速率遵循阿倫尼烏斯定律：

其中，活化能E?（如SiCl?氫還原反應(yīng)E?≈2.3 eV）決定溫度敏感性。

制備厚外延層（如功率器件的高阻漂移層）時(shí)，優(yōu)先選擇高溫區(qū)工藝，利用質(zhì)量輸運(yùn)控制的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)均勻生長；

生長納米級超薄外延層（如FinFET源漏應(yīng)變層）時(shí)，采用低溫區(qū)工藝，通過精確控溫實(shí)現(xiàn)原子級厚度控制，但需注意抑制多晶化傾向。

3.反應(yīng)劑濃度

以 SiCl?為例，外延工藝主要分成兩個(gè)過程，第一過程為氫氣還原 SiCl?，第二過程是 Si 外延層的生長。硅外延生長速率由這兩個(gè)過程中較慢的一個(gè)決定。當(dāng) SiCl?濃度較小時(shí)，氫氣還原 SiCl?受限，氧化 - 還原反應(yīng)釋放硅原子的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅原子在襯底上有序排列生長單晶硅的速率，表面的氧化 - 還原反應(yīng)速率控制了外延層的生長速率，此時(shí)屬于表面化學(xué)反應(yīng)控制類型的生長。隨著 SiCl?濃度的增加，氧化 - 還原反應(yīng)速率加快，外延生長速率也相應(yīng)增加，當(dāng)濃度大到一定程度時(shí)，氧化 - 還原反應(yīng)釋放出硅原子的速率會(huì)超過硅原子在襯底上有序排列生長單晶硅的速率，此時(shí)由氧化 - 還原反應(yīng)速率控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒柙佑行蚺帕猩L單晶的速率控制，在這種情況下易生成多晶硅。當(dāng)增大 SiCl?濃度大于0.1 時(shí)，外延生長速率會(huì)逐漸減小，這是因?yàn)樯L的硅膜在高溫下被副產(chǎn)物 HCl 刻蝕，發(fā)生了 “逆向反應(yīng)”。當(dāng) SiCl?濃度大于0.27 時(shí)，只存在 HCl 對硅膜的腐蝕反應(yīng)。

氣流速率

與CVD工藝類似，在外延腔體中的氣流速率對淀積速率也有影響。氣體流速越大，邊界層越薄，腔體中反應(yīng)劑更容易擴(kuò)散穿過邊界層到達(dá)襯底表面，外延生長速率也越快。但當(dāng)氣流大到一定程度時(shí)，邊界層變得很薄，氣相質(zhì)量輸運(yùn)到襯底表面的反應(yīng)劑數(shù)量超過外延溫度下的表面化學(xué)反應(yīng)需要的數(shù)量，此時(shí)外延生長轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婊瘜W(xué)反應(yīng)速率控制，外延層的生長速率基本不隨氣體流量增大而加快。

晶面

不同晶面的共價(jià)鍵密度不同，其成鍵結(jié)合能力存在差別，也會(huì)對生長速率產(chǎn)生一定影響。在共價(jià)鍵密度小的晶面，比如(111)晶面，其成鍵結(jié)合能力差，外延生長速率較慢；反過來，在共價(jià)鍵密度大的晶面，比如(100)晶面，其成鍵結(jié)合能力強(qiáng)，外延生長速率則快。

常用外延技術(shù)

1.減壓（低壓）化學(xué)氣相淀積（RPCVD）

常壓外延作為相對成熟的外延工藝，在半導(dǎo)體工藝制造水平不斷提高的背景下，逐漸暴露出一些問題，如外延圖形漂移過大，掩埋層中雜質(zhì)向外延層擴(kuò)散等。而RPCVD作為一種低壓外延技術(shù)（1x103 - 2x10?Pa），能夠有效解決這些問題。采用低壓外延技術(shù)可減小自摻雜效應(yīng)，因?yàn)樵诘蛪呵闆r下，分子平均自由程增大，加快了雜質(zhì)的擴(kuò)散速率，使襯底逸出的雜質(zhì)能快速地穿過邊界層被排出反應(yīng)腔，重新進(jìn)入外延層的機(jī)會(huì)減小，有效降低了自摻雜效應(yīng)對外延層中雜質(zhì)濃度和分布的影響，可以實(shí)現(xiàn)陡峭的雜質(zhì)分布。另外，RPCVD還可改善外延層電阻率的均勻性，減小埋層圖形的漂移和畸變。與常壓外延相比，低壓外延的生長速率只下降了15% - 17%，但其外延生長溫度可以降低100 - 150℃，顯著提高了圖形轉(zhuǎn)移和掩埋層的質(zhì)量。

2.選擇性外延（SEG）

硅選擇性外延利用了硅在絕緣體上很難成核并繼續(xù)生長成薄膜的特性，可以選擇性地在硅表面特定區(qū)域生長外延層而其他區(qū)域不生長。硅在SiO?上成核的可能性最小，而在Si上的可能性最大，這是因?yàn)镾i晶核/SiO?界面會(huì)產(chǎn)生較大的晶格失配，與Si晶核/Si襯底的同質(zhì)成核相比，在SiO?上生成晶核的能量增加。此外，要進(jìn)行外延生長的地方通常是窗口內(nèi)或者硅表面的凹陷處，這些地方成核能較低，因此，落在SiO?上的原子因不易成核而遷移到更易成核的硅表面凹陷處。在先進(jìn)CMOS制造中，選擇性外延可用于導(dǎo)電溝道的應(yīng)變工程，通過在器件源漏區(qū)域外延生長鍺硅（SiGe）以增加導(dǎo)電溝道的壓應(yīng)力來提高PMOS的空穴遷移率，或者在溝槽中選擇性外延生長高遷移率溝道材料，比如Ge、InGaAs等。

3.橫向超速外延（ELO）

橫向超速外延是基于選擇性外延工藝發(fā)展而來的一種外延技術(shù)。當(dāng)硅選擇外延生長的外延層厚度超過SiO?島的臺(tái)階高度時(shí)，除了沿著垂直硅襯底表面的縱向?qū)由L以外，也會(huì)沿橫向生長，這種外延技術(shù)稱為橫向超速外延（ELO）。橫向與縱向生長速率之比受到窗口或臺(tái)階的高度以及襯底晶向等因素的影響。通過控制這些因素，可以實(shí)現(xiàn)對橫向和縱向生長速率的調(diào)控，從而獲得具有特定結(jié)構(gòu)和性能的外延層。

4.分子束外延（MBE）

分子束外延是在超高真空下，使外延層組分元素受熱蒸發(fā)（電阻加熱或電子束加熱）形成原子或分子蒸氣流，然后到達(dá)加熱的襯底表面，進(jìn)而形成外延層。分子束外延能夠生長元素半導(dǎo)體單晶，如Si和Ge，以及化合物半導(dǎo)體SiGe、GaAs和GaN單晶等。一個(gè)典型的分子束外延系統(tǒng)由超高真空系統(tǒng)、生長系統(tǒng)、測量、分析、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。與其他外延技術(shù)相比，分子束外延具有生長速率較慢且可控、表面及界面平整、外延溫度相對低等特點(diǎn)。較低的生長速率使得分子或原子有充分的時(shí)間到達(dá)成核點(diǎn)，從而制備出高質(zhì)量的薄膜。外延溫度相對較低，減少了系統(tǒng)的放氣，降低了擴(kuò)散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)的影響，降低了來自襯底雜質(zhì)的再分布以及熱缺陷的產(chǎn)生。其中固態(tài)分子束外延采用固態(tài)源超高真空蒸發(fā)技術(shù)，與普通熱蒸發(fā)技術(shù)相比，對薄膜的化學(xué)組成及摻雜濃度精確可控，并且可實(shí)現(xiàn)厚度原子級的精確控制?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，分子束外延被廣泛用于生長組分及摻雜分布陡峻的突變異質(zhì)結(jié)和復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，包括量子阱器件、超晶格、激光器等，所有這些都得益于外延生長過程中對成分的精確控制。例如，利用分子束外延技術(shù)可以產(chǎn)生許多由GaAs和AlGa???As交替組成的超晶格外延層結(jié)構(gòu)，其厚度低至10?。分子束外延不僅在半導(dǎo)體領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，在光學(xué)等其他領(lǐng)域也有用武之地，如公交車上的車站預(yù)告板、體育場內(nèi)的超大顯示屏，其發(fā)光元件往往由分子束外延制造。

金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積（MOCVD）

金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機(jī)化合物和Ⅴ、Ⅵ族元素的氫化物等作為外延層生長的反應(yīng)源，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延生長各種Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的外延層。其組分和摻雜可通過反應(yīng)源的流量進(jìn)行精確控制。通常MOCVD系統(tǒng)中的晶體生長都是在常壓或低壓（10 - 100 Torr）下通H?的冷壁石英（或不銹鋼）反應(yīng)腔中進(jìn)行，襯底溫度為500 - 1200℃，用直流加熱石墨基座（襯底基片在石墨基座上方），H?通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到外延生長區(qū)。金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積能實(shí)現(xiàn)外延層生長界面成分的突變，實(shí)現(xiàn)陡峭的界面，適用于各種異質(zhì)結(jié)外延層的生長。MOCVD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件、超導(dǎo)薄膜材料、半導(dǎo)體器件、高介電材料等薄膜材料的制備中。在光電器件領(lǐng)域，如發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（Laser Diode）及太陽能電池（Solar Cells）的制造中，MOCVD發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過精確控制反應(yīng)源流量和生長條件，能夠制備出高質(zhì)量的化合物半導(dǎo)體薄膜，滿足光電器件對材料性能的嚴(yán)格要求。同時(shí)，在新型微電子器件的研發(fā)中，MOCVD也為探索新的材料體系和器件結(jié)構(gòu)提供了有力的技術(shù)支持。

總結(jié)

外延技術(shù)作為半導(dǎo)體制造中的核心工藝，在提升半導(dǎo)體器件性能方面發(fā)揮著不可替代的作用。通過在單晶襯底上生長高質(zhì)量的外延層，能夠精確控制薄膜的各項(xiàng)參數(shù)，解決半導(dǎo)體器件制造中的諸多難題，如改善雙極型晶體管的高頻性能、克服CMOS器件的閂鎖效應(yīng)等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，對高質(zhì)量薄膜材料的需求日益增長，外延技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。外延層缺陷仍然是影響半導(dǎo)體器件性能的重要因素，在后續(xù)的文章中我們也還會(huì)對外延層缺陷進(jìn)行探討。未來，外延技術(shù)將繼續(xù)在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大動(dòng)力，同時(shí)也將在其他相關(guān)領(lǐng)域，如光學(xué)、傳感器等，展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景，促進(jìn)多學(xué)科的交叉融合和協(xié)同發(fā)展。