外延片

半导体工艺

外延是半导体工艺当中的一种。在bipolar工艺中，硅片最底层是P型衬底硅（有的加点埋层）；然后在衬底上生长一层单晶硅，这层单晶硅称为外延层；再后来在外延层上注入基区、发射区等等。最后基本形成纵向NPN管结构：外延层在其中是集电区，外延上面有基区和发射区。外延片就是在衬底上做好外延层的硅片。因有些厂只做外延之后的工艺生产，所以他们买别人做好外延工艺的外延片来接着做后续工艺。

产品简介

半导体制造商主要用抛光Si片（PW）和外延Si片作为IC的原材料。20世纪80年代早期开始使用外延片，它具有标准PW所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。

历史上，外延片是由Si片制造商生产并自用，在IC中用量不大，它需要在单晶Si片表面上沉积一薄的单晶Si层。一般外延层的厚度为2～20μm，而衬底Si厚度为610μm（150mm直径片）和725μm （200mm片）。

外延沉积既可（同时）一次加工多片，也可加工单片。单片反应器可生产出质量最好的外延层（厚度、电阻率均匀性好、缺陷少）；这种外延片用于150mm“前沿”产品和所有重要200 mm产品的生产。

相关产品

外延产品应用于4个方面，CMOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。CMOS产品是外延片的最大应用领域，并被IC制造商用于不可恢复器件工艺，包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM（动态随机存取存储器）。分立半导体用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇异”（exotic）半导体类包含一些特种产品,它们要用非Si材料，其中许多要用化合物半导体材料并入外延层中。掩埋层半导体利用双极晶体管元件内重掺杂区进行物理隔离，这也是在外延加工中沉积的。

200 mm晶片中，外延片占1/3。2000年，包括掩埋层在内，用于逻辑器件的CMOS占所有外延片的69%，DRAM占11%，分立器件占20%。到2005年，CMOS逻辑将占55%，DRAM占30%，分立器件占15%。

市场动力

上世纪90年代中期，CMOS外延片用量增加的趋势已经出现。1997～1998年间，半导体“滑坡”，IC公司按器件工艺“蓝图”（最小线宽缩小速率）更好利用Si表面“现实”状态。无线和因特网应用的急剧增长，推动200mm和300mm晶片工艺向0.18μm及更小尺寸方面发展，其中许多（器件）并入了复杂的单芯片/一个芯片上的系统。为达到所需器件性能和成本率目标，外延片优于抛光片，因为外延片的缺陷密度低、吸杂性能好，电学性能（如锁存效应）也好，且易于制造。外延片让器件制造商很自然地由200mm晶片过渡到300mm晶片而不必改变设计从而节省了时间和投资。

随着工艺上倾向于重视外延片，市场上相应地增加了CMOS器件用外延片的供应。1996年前，外延片价格明显高于抛光片，这就妨碍了它作为IC原材料的使用。相应于90年代晶片出现短缺，Si片制造商纷纷扩大其生产能力，但这又受到1996～1998年间工业萧条的打击：于是出现供过于求，导致Si价格大幅下滑，2～3年间，下降50%。收入剧减，加之难以降低生产成本，迫使晶片制造商缩减扩产计划、推迟300mm进程，减少研发投资以降低成本。1996年，晶片制造商投资其收入的55%用于扩大生产能力，到2000年，则减少到小于10%。

这些市场压力使晶片制造商降低外延片的价格，使许多IC制造商转向使用150 mm和200 mm外延片，这可使他们从外延片所显示的“产权成本/性能比”优势中获益。2000年，直径200 mm外延片价格比相同直径抛光片高20%～30%，而在90年代中期，外延片价格要高出50%。

虽然过去两年IC市场稳步增长，但晶片制造商生产能力未跟上，晶片显得供不应求。下一代200 mm和300 mmPW要求采用新的生长工艺，而这会大大降低成品率、减少产量。IC和器件工艺发展（最小线宽减小，缺陷密度、吸杂及晶体原生颗粒，COP等问题）与现实的低成本晶片的缺乏不相一致，这样，是选择抛光片还是外延片就提到日程上来了。代替抛光片的办法包括经H2和Ar气氛中退火的晶片，在成本、制造重复性和产品性能方面，这两种办法是有效的。外延片需要大批量晶体进行加工，这可使晶片制造商扩大现行衬底生产能力而很少甚至不需要添加另外的设备。（东芝陶瓷信越半导体、MEMC电子材料公司，瓦克Siltronic公司等）晶片制造商已提出若干新的外延工艺以解决COP和吸杂问题，同时要努力降低成本和提高产量。

采用外延片可能存在的问题

由于工业发展的周期性起伏和可变性，准确预测半导体市场是困难的。同样，预测CMOS用外延片的增长受到若干因素的影响，主要有：1.市场疲软导致Si 片过剩，这使晶片制造商收入下降，因而限制甚至取消另外投资外延片生产计划，而外延片供应不足或缺乏，又使IC厂转而使用抛光片。与无线及因特网相关产品需求下降也会减少对外延片的需求; 2.外延片没有产权成本优势，相对于抛光片也没有成品率或性能方面的“好处”，从而不能保证得到较高的“取得成本”（acguisition cost）200 mm和300 mm产品，如能成功（地解决某些质量问题）就无需利用外延片。

将来的市场

虽然市场疲软，但外延片所受冲击可望很小，200 mm晶片在2000年第3季度，达到供/需平衡，2000年间任一方面市场增长都会导致求过于供，即将出现的晶片短缺的程度则难以确定，晶片厂不愿意甚至不能扩大生产（包括外延片生产）会造成外延片供应紧张。200 mm晶片需求预测表明：与2000年比，2005年的需求量会扩大40%～60%，（7百万～8百万片/月）甚至100%（1千万片/月），在此期间，200 mm外延片由38%用量增长到50%；300 mm晶片开始使用时，外延片可望占到～70%。

许多高增长率产品，由于有较高的性能要求而需采用外延片。单片外延片生产比较复杂，因为先进的分立器件（150 mm）和150 mm/200 mm前沿产品受到（晶片）生产能力的限制。如果能证明外延片相对于先进的PW（如氢或氩气退火片）具有产权成本方面的优势，那么作为下一代200 mm、300 mm产品的材料，其地位是稳固的。可以说，将来外延片需求量会有强劲增长，问题是供应不足。

在双极型器件和集成电路中，主要是为了减小集电极串联电阻，以降低饱和压降与功耗。特别，在集成电路芯片中，还与实现隔离有关，这时往往还要加设埋层。

在MOSFET及其集成电路中，主要是为了降低导通压降与功耗，有时是为了隔离的需要。在CMOS-IC芯片中，比较多地倾向于采用SOI衬底片，这主要是为了减弱或者避免闩锁效应，同时也可以抑制短沟道效应，这对于ULSI具有重要的意义。

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