Verdict結論
拋光晶圓是將單晶晶棒切片後僅經研磨的晶圓,表層會直接殘留COP(晶體原生凹坑)等源自晶棒的缺陷。磊晶晶圓則是在其上成長數μm~數十μm的單晶矽層,由於表層是新形成的,沒有COP,且基板與表層的雜質濃度、導電型可獨立設計。代價是多了磊晶成長,價格較高。
主要差異
| 比較項目 | 拋光晶圓 | 磊晶晶圓 |
|---|---|---|
| 表層的形成方式 | 將晶棒切片後研磨的表面 | 在基板上以氣相成長的全新單晶層 |
| COP(晶體原生缺陷) | 表層存在源自晶體的COP | 磊晶層中沒有(覆蓋下方的COP) |
| 濃度分布 | 沿用晶棒濃度(沿軸向變化) | 基板與表層可獨立設計(p+基板/p-磊晶等) |
| 氧濃度 | 含有源自CZ的間隙氧,有利於吸雜 | 磊晶層幾乎不含氧(由基板側補足) |
| 閘極氧化層耐壓(GOI) | 容易受COP影響 | 良好 |
| 成本 | 便宜(作為基準的標準品) | 因多了磊晶成長製程而較貴 |
| 主要用途 | 泛用邏輯、記憶體、一般用途 | 先進CMOS、功率元件、影像感測器、SiC元件 |
| 介於兩者之間的選項 | 退火晶圓(以熱處理消除表層COP) | ― |
功率半導體必須使用磊晶晶圓的原因
在垂直型功率MOSFET或IGBT中,耐壓由漂移層的厚度與雜質濃度決定。磊晶晶圓能在低電阻基板上,精密成長出目標濃度與厚度的高電阻層,正是直接實現此結構的手段。反過來說,磊晶層膜厚均勻性與電阻率均勻性的變異,就會直接成為元件耐壓與導通電阻的變異。在SiC元件中,磊晶成長階段也肩負降低基板基面差排的角色。
第三種選擇:退火晶圓
對於只需消除表層COP、不需要濃度設計自由度的用途,過去會選用在氫氣或氬氣氣氛中施以1,200℃左右熱處理的退火晶圓。原因是原子的擴散與重新排列會填補表層的空洞,能以比磊晶成長更便宜的方式得到無缺陷層。退火晶圓曾廣泛用於DRAM等記憶體用途,但隨著無缺陷晶體(完美晶體)量產技術的確立,其定位已有所改變。
選用時應思考「買的是什麼」
選擇拋光晶圓,代表直接接受晶棒的品質;選擇磊晶晶圓,則是以額外成本買下表層的晶體品質與濃度分布。判斷依據包括閘極絕緣層的耐壓要求、所需的濃度分布、吸雜能力要在何處確保,以及產品的價格帶。即使設計相同,改變晶圓種類也會同時影響良率與成本,因此這是元件廠商與矽晶圓廠商共同敲定規格的領域。
常見問題
磊晶晶圓大約貴多少?
磊晶成長採單片處理、每1片逐一花費時間,因此相對於拋光晶圓有明確的價格加成。加成幅度依磊晶層厚度、規格與尺寸而異,並非一律,但在量產時,「元件是否需要磊晶層」會造成足以改變成本結構的差異。
有了磊晶層就不需要吸雜嗎?
並非不需要。磊晶層本身幾乎不含氧,因此本質吸雜(intrinsic gettering)的作用由基板側負責。分工方式是由CZ基板的氧析出物(BMD)捕獲金屬雜質,並在其上方的磊晶層製作元件。
影像感測器為何使用磊晶晶圓?
因為必須盡可能減少造成暗電流的金屬雜質與晶體缺陷。磊晶層晶體品質高、雜質濃度可精密控制,且能在基板側發揮吸雜作用,因此能做出適合處理微弱光訊號之感測器的結構。