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半导体制造材料(5)-硅片

合明科技 👁 2168 Tags:半导体制造材料硅片半导体硅片


半导体制造材料(5)-硅片

硅片又称硅晶圆片, 是制作集成电路的重要材料,通过对硅片进行光刻、离子注入等手 段,可以制成集成电路和各种半导体器件。硅片是以硅为材料制造的片状物体,直径有 6英寸、 8 英寸、 12 英寸、18英寸等规格。单晶硅是硅的单晶体,是一种比较活泼的非金属元素,具有基本完整的点阵结构。不同的方向具有不同的性质,是一种良好的半导材料。纯度要求达到 99.9999%,甚至达到 99.9999999%,杂质的含量降到 10-9的水平。

半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的关键材料,是半导体产业链基础性的一环。目前绝大多数半导体产品仍使用硅基材料制造,在硅片基础上经过光刻、刻蚀、沉积、抛光及清洗等工序的多次反复进行,并经切割、封测等环节后便形成了具有特定结构和功能的芯片。

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全球半导体硅晶圆出货面积

一、硅片生产过程:

硅片本身的制造工艺来讲,首先是要将多晶硅原材料以一定的工艺制备为符合要求的单晶硅锭。单晶硅锭的制备也是影响硅片质量的重要工序,目前主要有直拉法(Czocharlski,CZ)、区熔法(Float Zone, FZ)两种长晶方式,各有优劣。区熔法虽然制备的硅片具有更高的纯度,但由于效率较低、成本较高,因此目前仅应用于部分功率器件,因此直拉法占据了硅片制备的绝大多数比例。而通过直拉法或区熔法生长出符合要求的单晶硅锭后,还需要过再经切割、倒角、激光打码、研磨、清洗、刻蚀、抛光、外延等加工步骤后,形成单晶硅片,这些加工过程对于硅片的平整度、厚度及其均匀性都有着重要影响。

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图1. 单晶硅锭制备示意图

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图2. 单晶硅片制备示意图

二、硅片的分类及应用:

1、根据晶胞排列方式的不同,硅片可分为单晶硅片和多晶硅片。单晶硅是具有固定晶向的结晶体材料,一般用作集成电路的衬底材料和制作太阳能电池片。多晶硅是没有固定晶向的晶体材料,一般用于光伏发电,或者用于拉制单晶硅的原材料。单晶硅用作半导体材料有极高的纯度要求,IC 级别的纯度要求达9N 以上(99.9999999%),区熔单晶硅片纯度要求在 11N(99.999999999%)以上。 

2、根据尺寸大小的不同,硅片可分为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)等种类。英寸为硅片的直径,目前 8英寸和 12 英寸硅片为市场最主流的产品。8 英寸硅片主要应用在 90nm-0.25μm 制程中,多用于传感、安防领域和电动汽车的功率器件、模拟 IC、指纹识别和显示驱动等。12英寸硅片主要应用在 90nm 以下的制程中,主要用于逻辑芯片、储存器和自动驾驶领域。 

3、“大尺寸”为硅片主流趋势。硅片越大,单个产出的芯片数量越多,制造成本越低,因此硅片厂商不断向大尺寸硅片进发。1980年 4英寸占主流,1990年发展为 6英寸,2000年开始8英寸被广泛应用。2008 年后,12 英寸硅片市场份额逐步提升,赶超 8 英寸硅片。2020 年,12 英寸硅片市场份额已提升至 68.1%,为目前半导体硅片市场最主流的产品。后续 18 英寸硅片将成为市场下一阶段的目标,但设备研发难度大,生产成本较高,且下游需求量不足,18 英寸硅片尚未成熟。

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图3. 2021 年全球不同尺寸硅片产能占比

4、根据掺杂浓度不同则可以分为轻掺硅片和重掺硅片。硅片在制造过程中需要掺杂元素(通常为硼族或磷族元素)以实现特定的电学特性,通常掺杂浓度越高,则硅抛光片电阻率越低。目前轻掺硅片广泛应用于存储、逻辑 IC 等各个领域芯片制造,轻掺抛光片可以直接用于芯片生产,因此通常对晶体原生缺陷要求极高,同时也可以进一步生成外延层后再用于 IC 制造;而重掺硅片主要用于功率、电源管理芯片等领域,且通常需制成外延片后用于芯片制造,由于有外延层存在因此对晶体缺陷要求相对较低。从结构上来说,重掺的应用仅局限于特定领域,占比有限;轻掺则占到了硅片市场的绝大多数比例,尤其在逻辑、存储等领域都是绝对主流。

5、根据功能的不同,硅片可划分为正片和控挡片/测试片。其中正片指的是用于正式生产的、最终形成晶圆成品的硅片,具体又包括抛光片和在抛光片基础上进一步处理形成的外延片、退火片等,各自具有不同的特性和应用;而控挡片/测试片则指的是用于测试、暖机、工艺调整、监测稳定性等用途的硅片,通常其品质要求和价值量相较正片都会更低一些。因此,一般单晶硅棒中间较好的部分会用来制作正片,而两侧品质相对较差的头尾部分则可用来制作控挡片/测试片。

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图4. 正片和控挡片/测试片

5、根据加工工序的不同,硅片可分为抛光片、外延片、SOI 硅片等。其中抛光片应用范围最为广泛,是抛光环节的终产物。抛光片是从单晶硅柱上直接切出厚度约1mm的原硅片,切出后对其进行抛光镜面加工,去除部分损伤层后得到的表面光洁平整的硅片。抛光片可单独使用于电动汽车功率器件和储存芯片中,也可用作其他硅片的衬底,成为其他硅片加工的基础。外延片是一种将抛光片在外延炉中加热后,通过气相沉淀的方式使其表面外延生长符合特定要求的多晶硅的硅片。该技术可有效减少硅片中的单晶缺陷,使硅片具有更低的缺陷密度和氧含量,从而提升终端产品的可靠性,常用于制造CMOS 芯片。SOI 片,又名绝缘体上硅片,是一种三明治结构的硅片,其底层是抛光片,中间引入氧化物绝缘埋层(又称 BOX),顶层是活性层也是抛光片。BOX使硅片实现高电绝缘性,从而减小寄生电容和漏电,实现器件的高耐压、低功耗、抗辐照、高可靠等性能。顶层的活性层可以掺杂不同金属元素的硅片从而实现不同的功能。SOI 片多用于5G射频和物联网等下游应用,如功率器件、射频开关、硅光芯片、高端 MEMS 等。

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以上是关于半导体制造材料(5)-硅片的相关内容介绍了,希望能对您有所帮助!

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