晶圓和外延片的區(qū)別是什么？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，晶圓是“基底”或“地基”，而外延片是在這個(gè)“地基”上“長(zhǎng)”出來(lái)的一層優(yōu)質(zhì)、更符合要求的單晶薄膜后的產(chǎn)物。我們可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻來(lái)理解：

• 晶圓：就像一塊原始的、平整的土地。它本身是硅材料，純度很高，但可能并不完美，或者其電學(xué)性質(zhì)不適合直接建造某些“建筑”（電子器件）。

• 外延片：就像在這塊土地上，用更先進(jìn)的技術(shù)鋪設(shè)了一層特別肥沃、結(jié)構(gòu)完美、厚度均勻的優(yōu)質(zhì)土壤層。這層新土壤是為了讓特定的“作物”（電子器件）能長(zhǎng)得更好。

下面我們從定義、制造過(guò)程、目的和特點(diǎn)等方面進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。

詳細(xì)對(duì)比表格

深入解析

1. 晶圓 - 地基

• 制造過(guò)程：將多晶硅在高溫下熔化，用籽晶拉出巨大的單晶硅棒，然后像切香腸一樣將硅棒切割、拋光，得到表面極其光滑的圓盤，這就是晶圓。

• 局限性：雖然晶圓是單晶硅，但在生長(zhǎng)和加工過(guò)程中難免會(huì)引入一些晶體缺陷（如位錯(cuò)）和雜質(zhì)。此外，為了控制成本，襯底晶圓的電阻率等參數(shù)可能無(wú)法直接滿足某些高性能器件的要求。

2. 外延片 - 優(yōu)質(zhì)土壤層

• 為什么需要外延？

  1. 創(chuàng)造更完美的活性層：外延生長(zhǎng)過(guò)程可以在高真空和嚴(yán)格控制的環(huán)境下進(jìn)行，生長(zhǎng)出的外延層其晶體缺陷遠(yuǎn)少于下面的襯底。器件主要制作在這個(gè)高質(zhì)量的外延層上，性能更優(yōu)、可靠性更高。

  2. 靈活控制電學(xué)參數(shù)：可以在低電阻率的襯底上生長(zhǎng)一層高電阻率的外延層，或者反之。這種靈活性對(duì)于設(shè)計(jì)器件的擊穿電壓、導(dǎo)通電阻等關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要。例如，功率器件需要高電阻率的外延層來(lái)承受高電壓。

  3. 實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：可以在硅襯底上生長(zhǎng)其他材料的單晶層（如鍺硅，SiGe），從而制造出具有特殊性能的新型器件。

• 如何制造外延片？
  最主流的方法是 氣相外延。將晶圓放入反應(yīng)室中，加熱到高溫，然后通入含有硅源的氣體（如硅烷 SiH?）。這些氣體在熾熱的晶圓表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出的硅原子會(huì)按照晶圓襯底原有的原子排列結(jié)構(gòu)（晶格）“整齊地”一層層生長(zhǎng)上去，形成新的單晶層。通過(guò)向反應(yīng)氣體中加入摻雜劑（如磷烷PH?、硼烷B?H?），可以精確控制外延層的導(dǎo)電類型和電阻率。

總結(jié)

• 關(guān)系：先有晶圓，才有外延片。外延片是對(duì)晶圓的一種深加工。

• 核心區(qū)別：晶圓是均質(zhì)的襯底材料；外延片是具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)（不同電學(xué)參數(shù)）的多層結(jié)構(gòu)，其頂部的外延層是器件制造的核心區(qū)域。

• 價(jià)值：外延工藝極大地提升了晶圓的材料質(zhì)量，是制造現(xiàn)代高性能、高可靠性半導(dǎo)體芯片（尤其是模擬和功率芯片）的關(guān)鍵技術(shù)。可以說(shuō)，沒(méi)有外延技術(shù)，很多先進(jìn)的電子產(chǎn)品都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。