半导体衬底和外延区别是什么？

张明 0 2024-04-25

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半导体衬底和外延区别是什么？

硅外延层和衬底是半导体制造过程中的两个重要组成部分。衬底是半导体芯片制造的基础，主要由单晶硅材料制成。硅外延层是在衬底上加工生长的一层硅材料，其材料特性与衬底相同。二者在成份、结构和性质上都有所不同。

衬底

衬底，作为半导体单晶材料制成的晶圆片，它既可以直接进入晶圆制造流程，用于生产半导体器件；也可通过外延工艺加工，产出外延片。半导体衬底就像一块“地基”，它支撑着整个半导体结构，确保它不会破裂或损坏。同时，衬底本身也具备一些特殊的电学、光学和机械特性，这些特性对于半导体的性能至关重要。

如果把集成电路比作建筑高楼大厦，那么衬底无疑是那稳固的地基。为确保其支撑作用的发挥，这些材料在晶体结构上必须展现出高度的一致性，如同高纯度的单晶硅，其纯净与完美是构建坚固地基的基石。只有当地基坚实可靠，才能确保上方建筑的稳固与完美。简单来说，没有合适的衬底，我们就无法构建出稳定且性能良好的半导体器件。

外延

外延，是指在经过精心切磨抛光的单晶衬底上，精准生长一层全新单晶的过程。这层新单晶既可与衬底材质相同（同质外延），也可不同（异质外延）。由于新生单晶层严格遵循衬底晶相延伸生长，因此被称为外延层，其厚度通常控制在几微米级别。以硅为例，外延生长即在特定晶向的硅单晶衬底上，形成一层晶向一致、电阻率和厚度各异、晶格结构完整的新晶体。经过外延生长的衬底则被称为外延片，其核心价值在于外延层，而器件制作正是围绕这一层展开。

外延片的价值体现在其巧妙的材料组合上。例如，通过在成本较低的硅片上生长一层薄薄的GaN外延，便能以相对低廉的第一代半导体材料为衬底，部分实现昂贵且性能卓越的第三代半导体宽禁带特性，实现高性价比。然而，异质外延结构也伴随着一系列挑战，如晶格失配、温度系数不一致及热传导不良等问题，如同将脚手架搭建在塑料地基上，不同材质在温度变化时会产生膨胀收缩差异，且硅的导热性能并不理想。

同质外延，即在衬底上生长与衬底材料相同的外延层，其意义在于进一步提升产品的稳定性和可靠性。尽管材料相同，但通过外延处理，晶圆表面的材料纯度和均匀度得以显著提升。相比机械抛光的抛光片，外延片表面更为平整、洁净，微缺陷和杂质大幅减少，电阻率更加均匀，对表面颗粒、层错、位错等缺陷的控制也更加精确。因此，外延技术不仅优化了产品性能，更确保了产品的稳定与可靠。