半導(dǎo)體制造材料(5)-硅片

硅片又稱硅晶圓片， 是制作集成電路的重要材料，通過對(duì)硅片進(jìn)行光刻、離子注入等手 段，可以制成集成電路和各種半導(dǎo)體器件。硅片是以硅為材料制造的片狀物體，直徑有 6英寸、 8 英寸、 12 英寸、18英寸等規(guī)格。單晶硅是硅的單晶體，是一種比較活潑的非金屬元素，具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。不同的方向具有不同的性質(zhì)，是一種良好的半導(dǎo)材料。純度要求達(dá)到 99.9999%，甚至達(dá)到 99.9999999%，雜質(zhì)的含量降到 10-9的水平。

半導(dǎo)體硅片是生產(chǎn)集成電路、分立器件、傳感器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵材料，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)性的一環(huán)。目前絕大多數(shù)半導(dǎo)體產(chǎn)品仍使用硅基材料制造，在硅片基礎(chǔ)上經(jīng)過光刻、刻蝕、沉積、拋光及清洗等工序的多次反復(fù)進(jìn)行，并經(jīng)切割、封測(cè)等環(huán)節(jié)后便形成了具有特定結(jié)構(gòu)和功能的芯片。

全球半導(dǎo)體硅晶圓出貨面積

一、硅片生產(chǎn)過程：

硅片本身的制造工藝來講，首先是要將多晶硅原材料以一定的工藝制備為符合要求的單晶硅錠。單晶硅錠的制備也是影響硅片質(zhì)量的重要工序，目前主要有直拉法（Czocharlski，CZ）、區(qū)熔法（Float Zone, FZ）兩種長(zhǎng)晶方式，各有優(yōu)劣。區(qū)熔法雖然制備的硅片具有更高的純度，但由于效率較低、成本較高，因此目前僅應(yīng)用于部分功率器件，因此直拉法占據(jù)了硅片制備的絕大多數(shù)比例。而通過直拉法或區(qū)熔法生長(zhǎng)出符合要求的單晶硅錠后，還需要過再經(jīng)切割、倒角、激光打碼、研磨、清洗、刻蝕、拋光、外延等加工步驟后，形成單晶硅片，這些加工過程對(duì)于硅片的平整度、厚度及其均勻性都有著重要影響。

圖1. 單晶硅錠制備示意圖

圖2. 單晶硅片制備示意圖

二、硅片的分類及應(yīng)用：

1、根據(jù)晶胞排列方式的不同，硅片可分為單晶硅片和多晶硅片。單晶硅是具有固定晶向的結(jié)晶體材料，一般用作集成電路的襯底材料和制作太陽能電池片。多晶硅是沒有固定晶向的晶體材料，一般用于光伏發(fā)電，或者用于拉制單晶硅的原材料。單晶硅用作半導(dǎo)體材料有極高的純度要求，IC 級(jí)別的純度要求達(dá)9N 以上（99.9999999%），區(qū)熔單晶硅片純度要求在 11N（99.999999999%）以上。 

2、根據(jù)尺寸大小的不同，硅片可分為50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6 英寸）、200mm（8 英寸）及 300mm（12 英寸）等種類。英寸為硅片的直徑，目前 8英寸和 12 英寸硅片為市場(chǎng)最主流的產(chǎn)品。8 英寸硅片主要應(yīng)用在 90nm-0.25μm 制程中，多用于傳感、安防領(lǐng)域和電動(dòng)汽車的功率器件、模擬 IC、指紋識(shí)別和顯示驅(qū)動(dòng)等。12英寸硅片主要應(yīng)用在 90nm 以下的制程中，主要用于邏輯芯片、儲(chǔ)存器和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。 

3、“大尺寸”為硅片主流趨勢(shì)。硅片越大，單個(gè)產(chǎn)出的芯片數(shù)量越多，制造成本越低，因此硅片廠商不斷向大尺寸硅片進(jìn)發(fā)。1980年 4英寸占主流，1990年發(fā)展為 6英寸，2000年開始8英寸被廣泛應(yīng)用。2008 年后，12 英寸硅片市場(chǎng)份額逐步提升，趕超 8 英寸硅片。2020 年，12 英寸硅片市場(chǎng)份額已提升至 68.1%，為目前半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)最主流的產(chǎn)品。后續(xù) 18 英寸硅片將成為市場(chǎng)下一階段的目標(biāo)，但設(shè)備研發(fā)難度大，生產(chǎn)成本較高，且下游需求量不足，18 英寸硅片尚未成熟。

圖3. 2021 年全球不同尺寸硅片產(chǎn)能占比

4、根據(jù)摻雜濃度不同則可以分為輕摻硅片和重?fù)焦杵?。硅片在制造過程中需要摻雜元素（通常為硼族或磷族元素）以實(shí)現(xiàn)特定的電學(xué)特性，通常摻雜濃度越高，則硅拋光片電阻率越低。目前輕摻硅片廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)、邏輯 IC 等各個(gè)領(lǐng)域芯片制造，輕摻拋光片可以直接用于芯片生產(chǎn)，因此通常對(duì)晶體原生缺陷要求極高，同時(shí)也可以進(jìn)一步生成外延層后再用于 IC 制造；而重?fù)焦杵饕糜诠β?、電源管理芯片等領(lǐng)域，且通常需制成外延片后用于芯片制造，由于有外延層存在因此對(duì)晶體缺陷要求相對(duì)較低。從結(jié)構(gòu)上來說，重?fù)降膽?yīng)用僅局限于特定領(lǐng)域，占比有限；輕摻則占到了硅片市場(chǎng)的絕大多數(shù)比例，尤其在邏輯、存儲(chǔ)等領(lǐng)域都是絕對(duì)主流。

5、根據(jù)功能的不同，硅片可劃分為正片和控?fù)跗?測(cè)試片。其中正片指的是用于正式生產(chǎn)的、最終形成晶圓成品的硅片，具體又包括拋光片和在拋光片基礎(chǔ)上進(jìn)一步處理形成的外延片、退火片等，各自具有不同的特性和應(yīng)用；而控?fù)跗?測(cè)試片則指的是用于測(cè)試、暖機(jī)、工藝調(diào)整、監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性等用途的硅片，通常其品質(zhì)要求和價(jià)值量相較正片都會(huì)更低一些。因此，一般單晶硅棒中間較好的部分會(huì)用來制作正片，而兩側(cè)品質(zhì)相對(duì)較差的頭尾部分則可用來制作控?fù)跗?測(cè)試片。

圖4. 正片和控?fù)跗?測(cè)試片

5、根據(jù)加工工序的不同，硅片可分為拋光片、外延片、SOI 硅片等。其中拋光片應(yīng)用范圍最為廣泛，是拋光環(huán)節(jié)的終產(chǎn)物。拋光片是從單晶硅柱上直接切出厚度約1mm的原硅片，切出后對(duì)其進(jìn)行拋光鏡面加工，去除部分損傷層后得到的表面光潔平整的硅片。拋光片可單獨(dú)使用于電動(dòng)汽車功率器件和儲(chǔ)存芯片中，也可用作其他硅片的襯底，成為其他硅片加工的基礎(chǔ)。外延片是一種將拋光片在外延爐中加熱后，通過氣相沉淀的方式使其表面外延生長(zhǎng)符合特定要求的多晶硅的硅片。該技術(shù)可有效減少硅片中的單晶缺陷，使硅片具有更低的缺陷密度和氧含量，從而提升終端產(chǎn)品的可靠性，常用于制造CMOS 芯片。SOI 片，又名絕緣體上硅片，是一種三明治結(jié)構(gòu)的硅片，其底層是拋光片，中間引入氧化物絕緣埋層（又稱 BOX），頂層是活性層也是拋光片。BOX使硅片實(shí)現(xiàn)高電絕緣性，從而減小寄生電容和漏電，實(shí)現(xiàn)器件的高耐壓、低功耗、抗輻照、高可靠等性能。頂層的活性層可以摻雜不同金屬元素的硅片從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。SOI 片多用于5G射頻和物聯(lián)網(wǎng)等下游應(yīng)用，如功率器件、射頻開關(guān)、硅光芯片、高端 MEMS 等。

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