外延(Epitaxy, 簡稱Epi)工藝是指在單晶襯底上生長一層跟襯底具有相同晶格排列的單晶材料，外延層可以是同質(zhì)外延層(Si/Si)，也可以是異質(zhì)外延層(SiGe/Si 或SiC/Si等)；同樣實現(xiàn)外延生長也有很多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化學(xué)氣相沉積(UHV/CVD)，常壓及減壓外延(ATM & RP Epi)等等。本文僅介紹廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)中襯底為硅材料的硅(Si)和鍺硅(SiGe)外延工藝。
根據(jù)生長方法可以將外延工藝分為兩大類(表1)：全外延(Blanket Epi)和選擇性外延(Selective Epi, 簡稱SEG)。工藝氣體中常用三種含硅氣體源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2, 簡稱DCS) 和三氯硅烷(SiHCl3, 簡稱TCS)；某些特殊外延工藝中還要用到含Ge和C的氣體鍺烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；選擇性外延工藝中還需要用到刻蝕性氣體氯化氫(HCl)，反應(yīng)中的載氣一般選用氫氣(H2)。
外延選擇性的實現(xiàn)一般通過調(diào)節(jié)外延沉積和原位(in-situ)刻蝕的相對速率大小來實現(xiàn)，所用氣體一般為含氯(Cl)的硅源氣體DCS，利用反應(yīng)中Cl原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物來實現(xiàn)外延生長的選擇性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般僅應(yīng)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(tài)，需要通過H2鼓泡來導(dǎo)入反應(yīng)腔，但價格相對便宜，常利用其快速的生長率（可達(dá)到5 um/min）來生長比較厚的硅外延層，這在硅外延片生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。IV族元素中Ge的晶格常數(shù)(5.646A與Si的晶格常數(shù)(5.431A差別最小，這使得SiGe與Si工藝易集成。在單晶Si中引入Ge形成的SiGe單晶層可以降低帶隙寬度，增大晶體管的特征截止頻率fT(cut-off frequency)，這使得它在無線及光通信高頻器件方面應(yīng)用十分廣泛；另外在先進(jìn)的CMOS集成電路工藝中還會利用Ge跟Si的晶格常數(shù)失配(4%)引入的晶格應(yīng)力來提高電子或者空穴的遷移率(mobility)，從而增大器件的工作飽和電流以及響應(yīng)速度，這正成為各國半導(dǎo)體集成電路工藝研究中的熱點。由于本征硅的導(dǎo)電性能很差，其電阻率一般在200ohm-cm以上，通常在外延生長的同時還需要摻入雜質(zhì)氣體(dopant)來滿足一定的器件電學(xué)性能。雜質(zhì)氣體可以分為N型和P型兩類：常用N型雜質(zhì)氣體包括磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)，而P型則主要是硼烷(B2H6)。
硅及鍺硅外延工藝在現(xiàn)代集成電路制造中應(yīng)用十分廣泛，概括起來主要包括：
1．硅襯底外延：硅片制造中為了提高硅片的品質(zhì)通常在硅片上外延一層純凈度更高的本征硅；或者在高攙雜硅襯底上生長外延層以防止器件的閂鎖（latch up）效應(yīng)。
2．異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（Hetero-junction Bipolar Transistor,簡稱HBT)基區(qū)(base)異質(zhì)結(jié)SiGe外延(圖1)：其原理是在基區(qū)摻入Ge組分，通過減小能帶寬度,從而使基區(qū)少子從發(fā)射區(qū)到基區(qū)跨越的勢壘高度降低，從而提高發(fā)射效率γ, 因而，很大程度上提高了電流放大系數(shù)β。在滿足一定的放大系數(shù)的前提下，基區(qū)可以重?fù)诫s，并且可以做得較薄，這樣就減少了載流子的基區(qū)渡越時間，從而提高器件的截止頻率fT (Cut-Off Frequency)，這正是異質(zhì)結(jié)在超高速，超高頻器件中的優(yōu)勢所在。
3．CMOS源(source)漏(drain)區(qū)選擇性Si/SiGe外延：進(jìn)入90nm工藝時代后，隨著集成電路器件尺寸的大幅度減小，源漏極的結(jié)深越來越淺，需要采用選擇性外延技術(shù) (SEG)以增厚源漏極(elevated source/drain)來作為后續(xù)硅化(silicide)反應(yīng)的犧牲層(sacrificial layer) (圖2)，從而降低串聯(lián)電阻，有報道稱這項技術(shù)導(dǎo)致了飽和電流(Idsat)有15％的增加。
而對于正在研發(fā)中的65/45nm技術(shù)工藝，有人采用對PMOS源漏極刻蝕后外延SiGe層來引入對溝道的壓應(yīng)力(compressive stress) (圖3)，以提高空穴(hole)的遷移率(mobility)，據(jù)報道稱實現(xiàn)了飽和電流(Idsat)35％的增加。
應(yīng)變硅(strain silicon)外延：在松弛(relaxed)的SiGe層上面外延一層單晶Si，由于Si跟SiGe晶格常數(shù)失配而導(dǎo)致Si單晶層受到下面SiGe層的拉伸應(yīng)力(tensile stress)而使得電子的遷移率(mobility)得到提升(圖4)，這就使得NMOS在保持器件尺寸不變的情況下飽和電流(Idsat)得到增大，而Idsat的增大意味著器件響應(yīng)速度的提高，這項技術(shù)正成為各國研究熱點。