基本介紹
- 中文名：外延片
- 外文名：epitaxial wafer
- 拼音：wài yán piàn
- 工藝：半導體工藝
產品簡介,相關產品,
產品簡介
半導體製造商主要用拋光Si片（PW）和外延Si片作為IC的原材料。20世紀80年代早期開始使用外延片，它具有標準PW所不具有的某些電學特性並消除了許多在晶體生長和其後的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
歷史上，外延片是由Si片製造商生產並自用，在IC中用量不大，它需要在單晶Si片表面上沉積一薄的單晶Si層。一般外延層的厚度為2～20μm，而襯底Si厚度為610μm（150mm直徑片和725μm（200mm片）。
相關產品
外延產品套用於4個方面，CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產品是外延片的最大套用領域，並被IC製造商用於不可恢復器件工藝，包括微處理器和邏輯晶片以及存儲器套用方面的閃速存儲器和DRAM（動態隨機存取存儲器）。分立半導體用於製造要求具有精密Si特性的元件。“奇異”（exotic）半導體類包含一些特種產品,它們要用非Si材料，其中許多要用化合物半導體材料併入外延層中。掩埋層半導體利用雙極電晶體元件內重摻雜區進行物理隔離，這也是在外延加工中沉積的。
200 mm晶片中，外延片占1/3。2000年，包括掩埋層在內，用於邏輯器件的CMOS占所有外延片的69%，DRAM占11%，分立器件占20%。到2005年，CMOS邏輯將占55%，DRAM占30%，分立器件占15%。
市場動力
上世紀90年代中期，CMOS外延片用量增加的趨勢已經出現。1997～1998年間，半導體“滑坡”，IC公司按器件工藝“藍圖”（最小線寬縮小速率）更好利用Si表面“現實”狀態。無線和網際網路套用的急劇增長，推動200mm和300mm晶片工藝向0.18μm及更小尺寸方面發展，其中許多（器件）併入了複雜的單晶片/一個晶片上的系統。為達到所需器件性能和成本率目標，外延片優於拋光片，因為外延片的缺陷密度低、吸雜性能好，電學性能（如鎖存效應）也好，且易於製造。外延片讓器件製造商很自然地由200mm晶片過渡到300mm晶片而不必改變設計從而節省了時間和投資。
隨著工藝上傾向於重視外延片，市場上相應地增加了CMOS器件用外延片的供應。1996年前，外延片價格明顯高於拋光片，這就妨礙了它作為IC原材料的使用。相應於90年代晶片出現短缺，Si片製造商紛紛擴大其生產能力，但這又受到1996～1998年間工業蕭條的打擊：於是出現供過於求，導致Si價格大幅下滑，2～3年間，下降50%。收入劇減，加之難以降低生產成本，迫使晶片製造商縮減擴產計畫、推遲300mm進程，減少研發投資以降低成本。1996年，晶片製造商投資其收入的55%用於擴大生產能力，到2000年，則減少到小於10%。
這些市場壓力使晶片製造商降低外延片的價格，使許多IC製造商轉向使用150 mm和200 mm外延片，這可使他們從外延片所顯示的“產權成本/性能比”優勢中獲益。2000年，直徑200 mm外延片價格比相同直徑拋光片高20%～30%，而在90年代中期，外延片價格要高出50%。
雖然過去兩年IC市場穩步增長，但晶片製造商生產能力未跟上，晶片顯得供不應求。下一代200 mm和300 mmPW要求採用新的生長工藝，而這會大大降低成品率、減少產量。IC和器件工藝發展（最小線寬減小，缺陷密度、吸雜及晶體原生顆粒，COP等問題）與現實的低成本晶片的缺乏不相一致，這樣，是選擇拋光片還是外延片就提到日程上來了。代替拋光片的辦法包括經H2和Ar氣氛中退火的晶片，在成本、製造重複性和產品性能方面，這兩種辦法是有效的。外延片需要大批量晶體進行加工，這可使晶片製造商擴大現行襯底生產能力而很少甚至不需要添加另外的設備。（東芝陶瓷信越半導體、MEMC電子材料公司，瓦克Siltronic公司等）晶片製造商已提出若干新的外延工藝以解決COP和吸雜問題，同時要努力降低成本和提高產量。
採用外延片可能存在的問題
由於工業發展的周期性起伏和可變性，準確預測半導體市場是困難的。同樣，預測CMOS用外延片的增長受到若干因素的影響，主要有：1）市場疲軟導致Si 片過剩，這使晶片製造商收入下降，因而限制甚至取消另外投資外延片生產計畫，而外延片供應不足或缺乏，又使IC廠轉而使用拋光片。與無線及網際網路相關產品需求下降也會減少對外延片的需求。2）外延片沒有產權成本優勢，相對於拋光片也沒有成品率或性能方面的“好處”，從而不能保證得到較高的“取得成本”（acguisition cost）200 mm和300 mm產品，如能成功（地解決某些質量問題）就無需利用外延片。
將來的市場
雖然市場疲軟，但外延片所受衝擊可望很小，200 mm晶片在2000年第3季度，達到供/需平衡，2000年間任一方面市場增長都會導致求過於供，即將出現的晶片短缺的程度則難以確定，晶片廠不願意甚至不能擴大生產（包括外延片生產）會造成外延片供應緊張。200 mm晶片需求預測表明：與2000年比，2005年的需求量會擴大40%～60%，（7百萬～8百萬片/月）甚至100%（1千萬片/月），在此期間，200 mm外延片由38%用量增長到50%；300 mm晶片開始使用時，外延片可望占到～70%。
今天許多高增長率產品，由於有較高的性能要求而需採用外延片。單片外延片生產比較複雜，因為先進的分立器件（150 mm）和150 mm/200 mm前沿產品受到（晶片）生產能力的限制。如果能證明外延片相對於先進的PW（如氫或氬氣退火片）具有產權成本方面的優勢，那么作為下一代200 mm、300 mm產品的材料，其地位是穩固的。可以說，將來外延片需求量會有強勁增長，唯一的問題是供應不足。
為什麼要採用外延片？
