广义而言，半导体基板即为晶圆。我们可以直接在晶圆表面堆叠晶体管，即半导体电路的基本元件，也可以构建新的一层，将其作为基板并在上面形成器件。特别是用于通信、军事和光学元件等特殊用途的晶体管，或是高性能和高质量的晶体管，它们都需要用到外延晶片。在本文中，我们将介绍这种在晶圆之上由超纯硅构成的超高纯层（也被称为“外延层）的形成过程、用途和特征。
1.外延层，超纯晶圆上的“超高纯”层
图1.初始籽晶和附加工艺流程所在的外延层
晶圆制造过程独立于半导体制造过程。它将熔融硅转化为纯度近100%的高纯度晶圆，并将其切割成板状。晶圆制造涉及各种材料，包括从集成电路最常用的硅和锗，到用于高速模拟的砷化镓。
总体而言，晶圆制造工艺流程大多相似，仅在工艺条件和方法上略有不同。硅片可分为三类超纯硅片、（P型/N型）掺杂硅片以及经过附加工艺处理的外延片。其中，P型硅片最为常用。这是因为只要在P型基板上完成N-Well（半导体制造工艺），就可以简单地制造互补金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOSFET）。外延片是对超纯晶圆施加附加工艺（即所谓的外延工艺）后的产物，此时的超纯晶圆称为籽晶（中间产物）。
2.形成外延层的前提条件：晶体结构
图2.外延层与非晶层
在英语中，外延（epitaxial）一词的前缀“epi-”表示“在上面”，而外延层则是指向上形成的层。外延一词代表外延生长，这意味着新层不断堆叠生长形成单晶。单晶为固态，其中同一类型的所有晶体沿着特定的晶轴有规律地形成，同时籽晶位于下方且晶格方向保持不变。
在晶体管结构中，充当漏极电流流动路径的基板应具有晶体结构；然而，由于在半导体制造工艺前期所使用的大多数沉积方法都会有非晶（无定型）层，因此需要依靠特殊条件和方法生成外延层，以避免出现非晶态。
要用作籽晶层，晶格应具备晶体结构，同时依照下层晶格结构向上生长。因此，重要的是形成晶格排列规则且晶格常数一致或相似的层。由此，通过特殊方法在籽晶层上形成的新层或基板便是外延层，而外延层所覆盖的晶圆被称为外延片。
3.晶格内电子流动条件
半导体器件的功能包括促使电子流动，检测和判断流动情况，并将判断结果以开/关形式呈现。在籽晶上进行附加工艺（超高纯）处理是为了制造一个无任何缺陷的层，以此促进电子在零缺陷场中的流动。
要想增加电子在某个方向上的流动速度，晶格必须呈规则排列。当原子之间的距离恒定时则更为有利。换句话说，多晶或非晶（无定型）晶格的排列会削弱电子流动速率并形成电子陷阱，从而增加了栅极电压和漏极电流预测和管理难度。
4.晶格常数
图4.外延层和单晶结构的晶格常数
晶格常数是指硅原子之间的键（共价键）间距。当任何一种其它元素进入硅原子间时，原子的电荷量发生变化，导致原子间距（晶格常数）发生变化。尽可能避免晶格常数的改变是非常重要的。这是因为晶格常数不一致会影响上下层的热膨胀系数，很可能导致晶圆翘曲。此外，当堆叠二氧化硅或二氧化铪作为栅极氧化层时，若是通过外延生长制造出晶格常数一致的超高纯层，而非在含杂质的硅基板上进行堆叠，可以将接触面之间的电子陷阱和接触面之间的失配情况（粘结程度减弱等）降至最低。
尽管外延层品质优良，但由于制作工艺复杂、成本较高，且外延工艺需要依靠单晶生长，处理速度缓慢，因此外延层仅在特殊情况下使用。
5.晶格匹配和失配情况
当晶体结构中的籽晶层和外延层具有相同间距时，我们称之为同质外延，反之，我们称之为异质外延。在异质外延的情况下，当外延层的晶格间距较大时，需要施加压应力使其与籽晶层间距相匹配。相反，当外延层晶格间距小于下层籽晶层晶格间距时，需要施加拉应力来增加间距。
原子的结合形成晶体结构，或称晶格。如果晶体结构中原子间距不匹配，则会出现包括空洞、突起在内的缺陷，进而引发质量问题。通过在基板上生成新的外延基板可以克服这些问题。重要的是，如果在外延层形成的同时进行掺杂操作，则可按需形成杂质层，并将其作为基板，制作半导体部件。
陈锺文半导体专栏作家
韩国忠北半导体高等学校老师
