半導(dǎo)體制造商主要用拋光Si片(PW)和外延Si片作為IC的原材料。20世紀(jì)80年代早期開始使用外延片，它具有標(biāo)準(zhǔn)PW所不具有的某些電學(xué)特性并消除了許多在晶體生長和其后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片制造商生產(chǎn)并自用，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)。

　　外延沉積既可(同時(shí))一次加工多片，也可加工單片。單片反應(yīng)器可生產(chǎn)出質(zhì)量最好的外延層(厚度、電阻率均勻性好、缺陷少);這種外延片用于150mm“前沿”產(chǎn)品和所有重要200 mm產(chǎn)品的生產(chǎn)。

　　外延產(chǎn)品

　　外延產(chǎn)品應(yīng)用于4個(gè)方面，CMOS互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產(chǎn)品是外延片的最大應(yīng)用領(lǐng)域，并被IC制造商用于不可恢復(fù)器件工藝，包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應(yīng)用方面的閃速存儲器和DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器)。分立半導(dǎo)體用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇異”(exotic)半導(dǎo)體類包含一些特種產(chǎn)品,它們要用非Si材料，其中許多要用化合物半導(dǎo)體材料并入外延層中。掩埋層半導(dǎo)體利用雙極晶體管元件內(nèi)重?fù)诫s區(qū)進(jìn)行物理隔離，這也是在外延加工中沉積的。

　　目前，200 mm晶片中，外延片占1/3。2000年，包括掩埋層在內(nèi)，用于邏輯器件的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(dòng)力

　　上世紀(jì)90年代中期，CMOS外延片用量增加的趨勢已經(jīng)出現(xiàn)。1997～1998年間，半導(dǎo)體“滑坡”，IC公司按器件工藝“藍(lán)圖”(最小線寬縮小速率)更好利用Si表面“現(xiàn)實(shí)”狀態(tài)。無線和因特網(wǎng)應(yīng)用的急劇增長，推動(dòng)200mm和300mm晶片工藝向0.18μm及更小尺寸方面發(fā)展，其中許多(器件)并入了復(fù)雜的單芯片/一個(gè)芯片上的系統(tǒng)。為達(dá)到所需器件性能和成本率目標(biāo)，外延片優(yōu)于拋光片，因?yàn)橥庋悠娜毕菝芏鹊汀⑽s性能好，電學(xué)性能(如鎖存效應(yīng))也好，且易于制造。外延片讓器件制造商很自然地由200mm晶片過渡到300mm晶片而不必改變設(shè)計(jì)從而節(jié)省了時(shí)間和投資。

　　隨著工藝上傾向于重視外延片，市場上相應(yīng)地增加了CMOS器件用外延片的供應(yīng)。1996年前，外延片價(jià)格明顯高于拋光片，這就妨礙了它作為IC原材料的使用。相應(yīng)于90年代晶片出現(xiàn)短缺，Si片制造商紛紛擴(kuò)大其生產(chǎn)能力，但這又受到1996～1998年間工業(yè)蕭條的打擊：于是出現(xiàn)供過于求，導(dǎo)致Si價(jià)格大幅下滑，2～3年間，下降50%。收入劇減，加之難以降低生產(chǎn)成本，迫使晶片制造商縮減擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃、推遲300mm進(jìn)程，減少研發(fā)投資以降低成本。1996年，晶片制造商投資其收入的55%用于擴(kuò)大生產(chǎn)能力，到2000年，則減少到小于10%。

　　這些市場壓力使晶片制造商降低外延片的價(jià)格，使許多IC制造商轉(zhuǎn)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(chǎn)權(quán)成本/性能比”優(yōu)勢中獲益。2000年，直徑200 mm外延片價(jià)格比相同直徑拋光片高20%～30%，而在90年代中期，外延片價(jià)格要高出50%。

　　雖然過去兩年IC市場穩(wěn)步增長，但晶片制造商生產(chǎn)能力未跟上，晶片顯得供不應(yīng)求。下一代200 mm和300 mmPW要求采用新的生長工藝，而這會大大降低成品率、減少產(chǎn)量。IC和器件工藝發(fā)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(xiàn)實(shí)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(jīng)H2和Ar氣氛中退火的晶片，在成本、制造重復(fù)性和產(chǎn)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(jìn)行加工，這可使晶片制造商擴(kuò)大現(xiàn)行襯底生產(chǎn)能力而很少甚至不需要添加另外的設(shè)備。(東芝陶瓷信越半導(dǎo)體、MEMC電子材料公司，瓦克Siltronic公司等)晶片制造商已提出若干新的外延工藝以解決COP和吸雜問題，同時(shí)要努力降低成本和提高產(chǎn)量。

　　為什么要采用外延片

　　——在雙極型器件和集成電路中，主要是為了減小集電極串聯(lián)電阻，以降低飽和壓降與功耗。特別，在集成電路芯片中，還與實(shí)現(xiàn)隔離有關(guān)，這時(shí)往往還要加設(shè)埋層。

　　——在MOSFET及其集成電路中，主要是為了降低導(dǎo)通壓降與功耗，有時(shí)是為了隔離的需要。在CMOS-IC芯片中，現(xiàn)在比較多地傾向于采用SOI襯底片，這主要是為了減弱或者避免閂鎖效應(yīng)，同時(shí)也可以抑制短溝道效應(yīng)，這對于ULSI具有重要的意義。

　　采用外延片可能存在的問題

　　由于工業(yè)發(fā)展的周期性起伏和可變性，準(zhǔn)確預(yù)測半導(dǎo)體市場是困難的。同樣，預(yù)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(dǎo)致Si 片過剩，這使晶片制造商收入下降，因而限制甚至取消另外投資外延片生產(chǎn)計(jì)劃，而外延片供應(yīng)不足或缺乏，又使IC廠轉(zhuǎn)而使用拋光片。與無線及因特網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品需求下降也會減少對外延片的需求。2)外延片沒有產(chǎn)權(quán)成本優(yōu)勢，相對于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(chǎn)品，如能成功(地解決某些質(zhì)量問題)就無需利用外延片。

　　將來的市場

　　雖然市場疲軟，但外延片所受沖擊可望很小，200 mm晶片在2000年第3季度，達(dá)到供/需平衡，2000年間任一方面市場增長都會導(dǎo)致求過于供，即將出現(xiàn)的晶片短缺的程度則難以確定，晶片廠不愿意甚至不能擴(kuò)大生產(chǎn)(包括外延片生產(chǎn))會造成外延片供應(yīng)緊張。200 mm晶片需求預(yù)測表明：與2000年比，2005年的需求量會擴(kuò)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(shí)，外延片可望占到～70%。

　　今天許多高增長率產(chǎn)品，由于有較高的性能要求而需采用外延片。單片外延片生產(chǎn)比較復(fù)雜，因?yàn)橄冗M(jìn)的分立器件(150 mm)和150 mm/200 mm前沿產(chǎn)品受到(晶片)生產(chǎn)能力的限制。如果能證明外延片相對于先進(jìn)的PW(如氫或氬氣退火片)具有產(chǎn)權(quán)成本方面的優(yōu)勢，那么作為下一代200 mm、300 mm產(chǎn)品的材料，其地位是穩(wěn)固的?？梢哉f，將來外延片需求量會有強(qiáng)勁增長，唯一的問題是供應(yīng)不足。