芯片制造的基石—半导体硅片产业概述

芯片制造的基石—半导体硅片产业概述

2021-11-11 10:46:49 0

半导体硅片是半导体材料中成本占比最高,在产业链中最关键的半导体材料。从成本占比来看,硅片在半导体材料中市场占比达到37%,为第一大半导体材料。从产业链地位来看,硅片作为半导体产业链的起点,直接影响芯片的制造质量。本文主要就半导体核心材料硅片及其产业情况进行具体介绍。

从半导体硅片产业链来看,上游为硅片制造厂商,目前全球市场主要由日本、德国、韩国以及中国台湾地区的头部厂商占据;中游为晶圆加工环节,主要分为整合元件制造商(IDM)和代工(Foundry)两种商业模式。国际厂商如英特尔、三星、德州仪器等采用IDM模式,其业务范围涵盖从芯片设计、晶圆制造到封测的全部环节;晶圆代工企业包括台积电、中芯国际等。产业链下游应用主要涉及智能手机、平板电脑、物联网、汽车电子、军事太空等多个领域。

1、硅片质量控制严格,制作技术难度高
硅片作为半导体基础衬底,必须具备高标准纯净度、表面平整度、清洁度和杂质污染程度,才能保持芯片原本设计的功能。

1)晶体的纯度和无缺陷结构:半导体硅片纯度要求在99.999999999%以上,且硅片由硅单晶排列组成,其结构与钻石类似,1克拉的钻石为200毫克,要做出硅单晶棒,其相当于做出420公斤的钻石结构。

2)表面洁净度:要求表面颗粒尺寸达到纳米级,在先进制程用硅片上微颗粒需小于1nm。

3)表面平整度:要求表面高度落差需小于1nm,相当于在一个棒球场的范围内要求场地高低落差不能高于1微米。

4)无杂质污染:要求表面杂质含量小于百亿分之一,随先进制程推进对参数控制要求更高。

2、硅片的五种类别

1)抛光片:硅棒制作完成后被切割成厚度小于1mm的切片,切片经过研磨和化学腐蚀后成为化腐片,硅片表面的平整性变差,需通过抛光去除表面缺陷,提高芯片的良品率。抛光片可直接用于制造半导体器件,广泛应用于存储芯片与功率器件等领域。

2)外延片:把抛光片作为衬底,沿着原来的结晶方向生长一层新单晶层,这层单晶硅为外延层。外延片通常用在CMOS电路中,如通用处理器芯片(CPU)和图形处理器芯片(GPU)。

3)退火片:将抛光片置于氢或氩气中,按照一定的程序进行升温、降温过程,得到退火片。其目的是消除氧对硅片电阻率影响,提高芯片良率。

4)绝缘体上硅片(SOI硅片):将具有高电绝缘性的氧化物层夹在两个抛光晶片之间,然后把它们粘合在一起。其中底板比较厚,起支撑作用;绝缘层和顶层硅很薄,在顶层蚀刻电路。SOI 硅片具有低压低功耗、集成密度高、速度快、工艺简单、抗宇宙射线粒子能力强等优点。因此SOI 硅片适合应用在耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片,如射频前端芯片、功率器件、汽车电子、传感器以及星载芯片等。

5)结隔离片:将抛光片按照客户的设计,采用光刻、离子注入和热扩散技术在晶片表面形成集成电路的嵌入层,然后在该层的顶部上形成外延层。

3、硅片持续向大尺寸方向发展

当前全球主流硅片尺寸为12英寸和8英寸,根据Gartner数据,依照全球产值划分,12英寸硅片产能占比64%、8英寸占比28%。硅片常用尺寸包括 4、6、8、12英寸;其中,半导体主要使用8英寸和12英寸大硅片。在相同工艺条件下,12英寸硅片可使用率是8英寸硅片的2.25倍,12英寸大硅片成为未来的主要发展趋势。

4、硅片下游应用广泛多元

1)12英寸硅片通常用于90nm以下集成电路先进制程:涉及逻辑芯片(CPU、GPU)、存储芯片、FPGA与ASIC等高端领域。市场需求受益于智能手机、计算机、云计算、人工智能等终端半导体产品技术升级的需求拉动。

2)8 英寸硅片通常用于90nm以上至微米的特色工艺制程:涉及功率器件、电源管理器、MEMS、显示驱动与指纹识别芯片等领域。未来在物联网、汽车电子等应用领域的市场需求增加,推动市场规模不断扩大。

3)6英寸硅片通常用于0.35-1.2微米的工艺制程:涉及功率器件、分立器件等领域。

5、全球硅片市场竞争格局

1)国际厂商垄断,行业集中度高

根据SEMI数据统计,全球硅片前五大制造厂商(CR5)市场占有率高达92%。其中,日本信越化学市占率为28%,为全球第一大硅片制造商;日本SUMCO占比24%,排名第二;其余厂商依次为中国台湾环球晶圆、德国Silitronic、韩国SK Siltron。从我国来看,国内硅片制造商主要包括中环股份和硅产业集团,两家企业市场占比合计约3%,在全球市场占比较低。严格品质管理、技术达标,叠加长时间的客户验证,将成为晶圆制造企业在硅片行业竞争的关键。


2)我国晶圆产能持续提升,推动硅片制造产业发展

根据 SEMI 数据,2017-2020年中国大陆拟新建晶圆厂占全球42%。2020年开始随着建设逐渐完成,晶圆厂开始进入试产到扩产的阶段。未来5年,中国晶圆产能将迎来快速提升。在全球第三次半导体产业转移,中国大陆成为半导体制造中心的背景下,我国本土硅片制造商将迎来跨越式发展时期。

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