收藏：半导体硅片分类及制造流程
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2022-07-17 08:33
本文参考自“国信证券：半导体系列报告”。半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）、可用来 制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。半导体材料的研 究始于 19 世纪，至今已发展至第四代半导体材料，各个代际半导体材料之间互相补充。
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第一代半导体：以硅（Si）、锗（Ge）等为代表，是由单一元素构成的元素 半导体材料。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和 整个信息产业的飞跃。
第二代半导体：以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，也包括三元化 合物半导体，如 GaAsAl、GaAsP，还包括一些固溶体半导体、非静态半导体 等。随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，第二 代半导体材料显示出其优越性，砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系 统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。
第三代半导体：以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）为代表的 宽禁带半导体材料。具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐 射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件， 在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、 消费类电子等领域有广阔的应用前景。
第四代半导体：以氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）为代表的 超宽禁带半导体材料，禁带宽度超过 4eV；以及以锑化物（GaSb、InSb）为 代表的超窄禁带半导体材料。超宽禁带材料凭借其比第三代半导体材料更宽 的禁带，在高频功率器件领域有更突出的特性优势；超窄禁带材料由于易激 发、迁移率高，主要用于探测器、激光器等器件的应用中。
硅材料制造全球绝大部分的半导体产品，也是占比最大的半导体制造材料。在 1950 年代初期，锗是主要的半导体材料。但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能 较差，到 1960 年代逐渐被硅材料取代。由于硅器件的漏电流要低得多，且二氧化 硅是一种高质量的绝缘体，很容易作为硅器件的一部分进行整合，至今半导体器 件和集成电路仍然主要用硅材料制成，硅产品构成了全球绝大部分半导体产品。
半导体硅晶圆（Semiconductor Silicon Wafer）是制造硅半导体产品的基础，可 根据不同参数进行分类。
根据尺寸（直径）不同，半导体硅片可分为 2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）、12英寸 （300mm），在摩尔定律影响下，半导体硅片正在不断向大尺寸的方向发展，目前 8 英寸和 12 英寸是主流产品，合计出货面积占比超过90%。
根据掺杂程度不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的掺杂元素掺入量 大，电阻率低,一般用于功率器件等产品；轻掺硅片掺杂浓度低，一般用于集成电 路领域，技术难度和产品质量要求更高。由于集成电路在全球半导体市场中占比 超过 80%，全球对轻掺硅片需求更大。
根据工艺，半导体硅片可分为研磨片、抛光片及基于抛光片制造的特殊硅片外延 片、SOI 等。研磨片可用于制造分立器件；轻掺抛光片可用于制造大规模集成电 路或作为外延片的衬底材料，重掺抛光片一般用作外延片的衬底材料。相比研磨 片，抛光片具有更优的表面平整度和洁净度。
在抛光片的基础上，可以制造出退火片、外延片、SOI 硅片和结隔离硅片等。退 火片在氢气或氩气环境下对抛光片进行高温热处理，以去除晶圆表面附近的氧气， 可以提高表面晶体的完整性。外延片是在抛光片表面形成一层气相生长的单晶硅， 可 满 足 需 要 晶 体 完 整 性 或 不 同 电 阻 率 的 多 层 结 构 的 需 求 。SOI 硅 片 （Silicon-On-Insulator）是在两个抛光片之间插入高电绝缘氧化膜层，可以实 现器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性，在活性层表面也可以形成砷或砷 的扩散层。结隔离硅片是根据客户的设计，利用曝光、离子注入和热扩散技术在 晶圆表面预形成 IC 嵌入层，然后再在上面生长一层外延层。
根据应用场景不同，半导体硅片可分为正片、假（陪）片。正片（Prime Wafer） 用于半导体产品的制造，假片（Dummy Wafer）用来暖机、填充空缺、测试生产设 备的工艺状态或某一工艺的质量状况。假片一般由晶棒两侧品质较差部分切割而 来，由于用量巨大，在符合条件的情况下部分产品会回收再利用，回收重复利用 的硅片称为可再生硅片（Reclaimed Wafer）。据观研网数据，65nm 制程的晶圆 代工厂每 10 片正片需要加 6 片假片，28nm 及以下制程每 10 片正片则需要加 15-20 片假片。
半导体硅片制造流程复杂，主要包括拉单晶和硅片的切磨抛外延等工艺。半导体 硅片的生产流程复杂，涉及工序较多。研磨片工序包括拉单晶、截断、滚圆、切 片、倒角、研磨等，抛光片是在研磨片的基础上经边缘抛光、表面抛光等工序制 造而来；抛光片经外延工艺制造出硅外延片，经退火热处理制造出硅退火片，经 特殊工艺制造出绝缘体上硅 SOI。硅片制造过程中需要经过多次清洗，在销售给 客户之前还需要经过检验和包装。
步骤一：拉单晶。电子级高纯度多晶硅通过单晶生长工艺可拉制成单晶硅棒，常 用方法有直拉法（Czochralsk，CZ 法）和区熔法（Float-Zone，FZ 法）两种。FZ 法纯度高，氧含量低，电阻率较高，能耐高压，但工艺难度大，大尺寸硅片制备 困难且成本高，因此主要以 8 英寸及以下尺寸为主，主要用于中高端功率器件。CZ 法氧含量高，更容易生产出大尺寸单晶硅棒，工艺也已成熟，成本较低，因此 目前半导体行业主要采用 CZ 法拉制单晶硅棒。拉单晶技术直接决定了位错、COP （crystal originated pit,晶体原生凹坑）、旋涡等晶体原生缺陷的密度及电 阻率、电阻率梯度、氧、碳含量等晶体技术指标的好坏，是半导体硅片生产工序 中最为核心的技术。
装料：将多晶硅和掺杂剂放入单晶炉内的石英坩埚内，掺杂剂的种类依所需 生长的电阻率而定，主要有生长 P 型的硼和生长 N 型的磷、砷、锑等。
熔化：装料结束后，加热至硅熔化温度（1420℃）以上，将多晶硅和掺杂剂熔化，挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称 “烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。
引晶：当温度稳定后，将籽晶与熔体接触，然后具有一定转速的籽晶按一定 速度向上提升，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，称为“引晶”或“下种”。
缩颈：在引晶后略微降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其 目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般 要长于 20mm。
放肩：缩颈工艺完成后，通过逐渐降低提升速度及温度调整，使晶体直径逐 渐变大到所需的直径为止。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔 掉重新引晶。
等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大， 称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度 和拉速不变。单晶硅片取自于等径部分。
收尾：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么效应力将使 得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径 慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为收尾阶段。长完的 晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
在真空或稀有气体环境下的炉室中，利用电场给多晶硅棒加热，直到被加热 区域的多晶硅融化，形成熔融区。 用籽晶接触熔融区，并融化。 使多晶硅上的熔融区不断上移，同时籽晶缓慢旋转并向下拉伸，逐渐形成单 晶硅棒。
步骤二：切片。单晶硅棒磨成相同直径，然后根据客户要求的电阻率，用内径锯 或线锯将晶棒切成约 1mm 厚的薄片，形成晶圆。根据目前的工艺、技术水平，为 了降低硅材料的损耗、提高生产效率和表面质量，一般采用线切割方法进行切片。
步骤三：倒角。硅片倒角加工的目的是消除硅片边缘表面经切割加工所产生的棱 角、裂缝、毛刺、崩边或其他的缺陷以及各种边缘表面污染，从而降低硅片边缘 表面的粗糙度，增加硅片边缘表面的机械强度、减少颗粒的表面沾污。
步骤四：研磨。在研磨机上用磨料将切片抛光到所需的厚度，同时提高表面平整 度。研磨的目的是为了去除在切片工序中，硅片表面因切割产生的深度约 20~25um 的表面机械应力损伤层和表面的各种金属离子等杂质污染，并使硅片具有一定的 平坦表面。
步骤五：蚀刻和抛光。通过化学蚀刻去除前面步骤对晶圆表面造成的机械损伤， 然后采用硅溶胶机械化学抛光法使晶圆表面更加平整和光洁。
步骤六：清洁和检查。清洁后，对产品进行严格的质量检查，合格后销售给客户。也可进一步用来制作 SOI、外延片等特殊硅片。
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