本文介紹SiGe外延工藝及其在外延生長、應變硅應用以及GAA結構中的作用。

在現代半導體技術中，隨著器件尺寸的不斷縮小，傳統的硅基材料逐漸難以滿足高性能和低功耗的需求。SiGe（硅鍺）作為一種復合材料，因其獨特的物理和電學特性，在半導體芯片制造中得到了廣泛應用。

SiGe外延工藝的重要性

1.1 外延工藝簡介

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外延(Epitaxy, 簡稱Epi)是指在單晶襯底上生長一層與襯底具有相同晶格排列的單晶材料。外延層可以是同質外延層（如Si/Si），也可以是異質外延層（如SiGe/Si或SiC/Si）。實現外延生長的方法有很多，包括分子束外延(MBE)，超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD)，常壓及減壓外延(ATM & RP Epi)等。本文主要介紹廣泛應用于半導體集成電路生產中襯底為硅材料的硅(Si)和鍺硅(SiGe)外延工藝。

1.2 SiGe外延的優勢

通過在外延過程中引入一定比例的鍺（Ge），形成的SiGe單晶層不僅能夠降低帶隙寬度，還可以增大晶體管的特征截止頻率fT(cut-off frequency)，這使得它在無線和光通信高頻器件方面應用十分廣泛。此外，在先進的CMOS集成電路工藝中，利用Ge與Si的晶格常數失配(約4%)引入的晶格應力來提高電子或者空穴的遷移率，從而增大器件的工作飽和電流以及響應速度。

完整的SiGe外延工藝流程

2.1 預處理

根據需要實現的工藝結果對硅片進行預處理，主要包括去除表面的自然氧化層及硅片表面的雜質。對于重摻雜襯底硅片，則必須考慮是否需要背封(backseal)以減少后續外延生長過程中的自摻雜現象。

2.2 生長氣體與條件

含硅氣體：硅烷（SiH?）、二氯硅烷（DCS, SiH?Cl?）和三氯硅烷（TCS, SiHCl?）是最常用的三種含硅氣體源。其中，SiH?適用于低溫全外延工藝，而TCS因其快速生長率被廣泛用于厚硅外延層的制備。 含Ge氣體：鍺烷（GeH?）是添加鍺的主要來源，它與硅源一起使用以形成SiGe合金。 ?選擇性外延：通過調節外延沉積和原位刻蝕的相對速率大小來實現選擇性生長，所用氣體一般為含氯(Cl)的硅源氣體DCS，利用反應中Cl原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物來實現外延生長的選擇性；由于SiH?不含Cl原子而且活化能低，一般僅應用于低溫全外延工藝；而另外一種常用硅源TCS蒸氣壓低，在常溫下呈液態，需要通過H?鼓泡來導入反應腔，但價格相對便宜，常利用其快速的生長率（可達到5 μm/min）來生長比較厚的硅外延層，這在硅外延片生產中得到了廣泛的應用

應變硅在外延層的應用

在外延生長過程中，在松弛(relaxed)的SiGe層上面外延一層單晶Si，由于Si與SiGe晶格常數失配，Si單晶層會受到下面SiGe層的拉伸應力，這使得NMOS晶體管中的電子遷移率得到顯著提升。這種技術不僅提高了飽和電流(Idsat)，還提升了器件響應速度。對于PMOS器件，則是在源漏極區域刻蝕后外延SiGe層來引入對溝道的壓應力(compressive stress)，以提高空穴(hole)的遷移率(mobility)，實現了飽和電流的增加。

SiGe作為GAA結構中的犧牲層

在環繞柵極納米片（Gate-All-Around, GAA）晶體管制造中，SiGe層扮演著犧牲層的角色。通過高選擇性的各向同性刻蝕技術，如準原子層刻蝕（quasi-ALE），可以精確地去除SiGe層，形成納米片或納米線結構。