硅片——半导体行业之基石(1)

硅片——半导体行业之基石(1)

2021-11-22 16:12:56 0

来源:中信建投

硅片——半导体行业之基石

硅片是半导体产业最重要的基础材料

硅片是由高纯结晶硅为材料制造的圆片,一般作为集成电路和半导体器件的载体。与其他材料相比,结晶 硅的分子结构非常稳定,很少有自由电子产生,因此其导电性极低。硅基半导体材料产量大、易获取、应用广, 其应用覆盖了 90%以上的半导体产品。硅是除了氧元素之外第二丰富的元素,以多样的形式大量存在于沙子、 岩石、矿物中,相较于其他半导体材料更加易于获取。

硅片主要用于半导体和光伏两大领域,半导体硅片更值得关注。二者差异主要体现在硅片类型、纯度、平 整度、光滑度及洁净度等特性上。硅片在 IC 制造和太阳能电池领域均作为基底材料,为满足相应的电学特性, 半导体级硅晶圆都是单晶硅,而太阳能电池用的硅晶圆则单晶硅与多晶硅皆有。半导体硅片纯度标准要求为 99.999999999%以上(业内简称 11N),而光伏硅片纯度要求较低,约为 99.9999%左右。研磨、倒角、抛光、 清洗等工艺都是制作硅片的必备流程,以保证半导体大硅片表面的平整度和光滑度被控制在 1nm 以内。由于半 导体硅片制造较难、下游应用广泛、市场价值较高,因此也是硅片核心市场。


半导体材料专题报告:硅片,集成电路大厦之基石


半导体硅片制造需经过一系列物理和化学操作,高纯和高精度是关键。通常将 95-99%纯度的硅称为工业硅; 纯度达 99.9999999%至 99.999999999%(9-11 个 9)的称为超纯多晶硅;在获得超纯多晶硅之后,掺入硼(P)、 磷(B)等元素改变其导电能力,放入籽晶确定晶向,制成半导体领域常用的单晶硅,切片、研磨、蚀刻、抛光、 外延(如有)、键合(如有)、清洗等步骤之后,即可制成半导体硅片。在获得单晶硅的过程中,熔体温度、 提拉速度、籽晶/石英坩埚的旋转速度以及熔体中的硼(P)、磷(B)等杂质元素浓度都起到决定性的作用。最 后,在半导体硅片上布设晶体管和多层互联线,从而制成具有特定功能的集成电路或半导体器件。

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大硅片制造难度随芯片制程提高而快速提升。硅片作为基础衬底,必须具备高纯净度、平整度、清洁度和 低杂质污染度,才能完美保持芯片原本设计的功能。半导体芯片最新工艺节点已达 5nm,随着制程微缩,芯片 制造对硅片缺陷密度与缺陷尺寸的容忍度不断降低,质量控制更严格。随尺寸增加,硅片质量控制和制造难度 也倍数增加,难度主要体现在拉晶环节对速度和温度的精准把控,以及制造设备对晶圆工艺腔体均匀性的处理。

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硅片正朝大尺寸和先进工艺发展,并衍生出多品类的需求结构

硅片(或硅基半导体)是目前产量最大、应用最广的半导体材料,远高于其他元素半导体或化合物半导体。常见半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)等元素半导体及砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等化合物半导体。 相较于锗,硅的熔点为 1415℃,高于锗的熔点 937℃,较高的熔点使硅可以广泛用于高温加工工艺;硅的禁带 宽度大于锗,更适合制作高压器件。相较于砷化镓,硅安全无毒、对环境无害,而砷元素为有毒物质;并且锗、 砷化镓均没有天然氧化物,在晶圆制造时还需要在表面沉积多层绝缘体,这会导致下游晶圆制造生产步骤增加 从而使生产成本提高。根据 SEMI 统计数据,全球 95%以上的半导体器件和 99%以上的集成电路采用硅作为衬 底材料,而化合物半导体市场占比在 5%以内。由此可见,在半导体领域,硅片占据了半导体衬底的核心地位。

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单晶硅片与多晶硅片

硅片分为单晶硅和多晶硅,半导体行业使用单晶硅。根据晶胞排列是否有序,硅片可分为单晶硅和多晶硅。 二者在力学、光学与电学等物理性质上存在着差异,单晶硅的电学性质通常优于多晶硅。通常由于单晶硅的硅 片内部只由一个晶料粒构成,基本完整的结构使得其光电转换效率更高,在 18%~24%左右,而多晶硅片的光电 转换效率在 15%~19%左右。由于多晶硅片制造工艺简单、价格低廉,更高的性价比使其在硅片市场中更受下游 生产商青睐。同时,目前随着单晶硅片生产技术的进步以及规模化生产效应的影响,其成本实现了一定程度上 的降低,市场价格的下调也开始使得单晶硅片市场份额不断增加。

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不同尺寸规格的硅片

可按照尺寸规格对硅片分类,硅片制造随着尺寸增大对设备和工艺的要求有所提高。以直径计算,半导体 硅片的尺寸规格主要有 50mm(2 英寸)、75mm(3 英寸)、100mm(4 英寸)、150mm(6 英寸)、200mm(8 英寸)与 300mm(12 英寸)。为了与摩尔定律同步,即集成电路上的晶体管数量每隔 18 个月提升一倍,相应 集成电路性能增强一倍,成本下降一半,芯片制造厂商需要不断改良技术,提升单个硅片可生产的芯片数量、 降低单个硅片的制造成本。而硅片尺寸越大,单个硅片上可制造的芯片数量就越多,单位芯片的成本随之降低。 因此厂商们纷纷向大尺寸硅片发展。

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在摩尔定律的影响下,硅片正不断向着大尺寸方向发展。为提高生产效率并降低成本,向大尺寸演进是半 导体硅片的发展方向。硅片尺寸变大,单位芯片的成本随之降低。硅片边缘处的一些区域通常无法被利用,造 成浪费,这是因为需要在圆形硅片上制造矩形的芯片。而当硅片的尺寸变大,硅片边缘损失就会越小,芯片成 本从而降低。300mm 硅片的可使用面积超过 200mm 硅片的两倍以上,可使用率(衡量单位晶圆可生产的芯片 数量的指标)是 200mm 硅片的 2.5 倍左右。

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12 英寸硅片是目前业内主流,18 寸硅片尚未成熟。根据 SEMI 统计数据,2018 年全球 12 英寸硅片出货面 积约占硅片总出货量的 63%,其次是 8 英寸,约占 26%。12 英寸硅片的下一站是 18 英寸(450mm)硅片,但 由于 12 英寸硅片可满足当前生产需求,且 18 英寸硅片设备研发难度极大,面临资金和技术双重压力。据 SEMI 估算,一个 18 英寸晶圆厂的耗资将高达 100 亿美元,远超出 12 英寸晶圆厂的投入成本,且其只能使芯片单位 面积价格下降 8%,因此晶圆厂向 18 英寸转移的速度较缓,预计到 2020 年以后 18 英寸硅片才可能初步量产。

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工艺制程的不断精进也提升了对硅片的技术要求。硅片的工艺制程与尺寸并行发展,每一制程阶段与硅片 尺寸相对应,制程的提升对硅片尺寸的增大提出了要求。随着半导体芯片量产制程达到 7nm 甚至更精细,18 英 寸等更大尺寸的硅片有望在未来获得需求。具体来看两者的需求逻辑如下:

 制程进步→晶体管缩小→晶体管密度成倍增加→性能提升。

 晶圆尺寸增大→每片晶圆产出芯片数量更多→效率提升→成本降低。

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不同用途的硅片

根据用途分类,半导体硅片可分为抛光片、退火片、外延片、结隔离片和以 SOI 硅片为代表的高端硅片。其中,抛光片是用量最大的产品,其他的硅片产品都是在抛光片的基础上二次加工产生的。

抛光片是最基础、应用范围最广的硅片。抛光片(PW-Polished Wafer)可直接用于制作半导体器件,广泛应 用于存储芯片与功率器件等,也可作为外延片、SOI 硅片等其他类型硅片的衬底材料。随着集成电路特征线宽 的不断缩小,光刻精度日益精细,硅片上极其微小的不平整都会造成集成电路图形的形变和错位,硅片制造技 术面临越来越高的要求和挑战。硅片表面颗粒度和洁净度对半导体产品的良率也有直接影响。因此,抛光工艺 对提高硅片表面的平整度和清洁度至关重要,主要原理为通过去除加工表面残留的损伤层,实现半导体硅片表 面平坦化,减小粗糙度。

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退火片相较于抛光片而言,其表面的完整性更好,常用于 CMOS 元件制造以及 DRAM 制造。抛光片的缺 点随着制程技术的不断发展和工艺线宽的不断缩小而逐渐暴露出来。在此背景下,退火片(AW-Annealed Wafer) 应运而生。通过将抛光片置于充满氩气或氧气的高温环境中,按照一定的程序进行升温、降温过程,大幅减少 抛光片表面的氧气含量,得到退火片。其目的是消除氧对于硅片电阻率的影响,提高芯片良率。因此相较于普 通的抛光片,退火片表面拥有更好的晶体完整性,可满足更高的半导体蚀刻需求。退火片主要应用于一般 CMOS 元件制造以及 DRAM 制造。

外延片的表面比切割得来的抛光片更为平滑,常用于处理器芯片、图形处理器芯片等先进的逻辑制程 IC。随着应用场景不断增加,标准硅片已不能满足某些产品的要求,因此外延片(EW-Epitaxial Wafer)得以出现。外 延是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层,掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定要 求的新硅单晶层。外延可减少硅片中的单晶缺陷,具有更低的缺陷密度和氧含量,提高栅氧化层的完整性,改 善沟道漏电,从而提升 IC 可靠性。外延片常在通用处理器芯片、图形处理器芯片等 CMOS 电路中使用。

SOI 硅片又称绝缘体上硅,是常见先进硅材之一,主要受 5G 射频和物联网等下游应用驱动。SOI (Silicon-on-Insulator)硅片有独特的优势,可实现全介质隔离,减少硅片的寄生电容和漏电现象,消除闩锁效应。 这主要通过顶层硅和衬底之间的氧化物绝缘埋层实现。SOI 硅片适用于耐高压、耐恶劣环境、低功耗、高集成 IC。

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硅片制备:直拉法 vs 区熔法

硅片的制备包括一系列物理和化学工艺步骤。概括来说,硅片的制造步骤首先由普通硅砂拉制提炼,进而 氯化并经蒸馏后制成电子级高纯度多晶硅,该步骤主流工艺为改良西门子法;再经一系列措施制成单晶硅棒, 单晶硅棒经过切片、抛光之后,便得到单晶硅圆片,也即硅片。通常意义上的晶圆制造环节包括制成高纯硅后 的“拉晶-切片-磨片-倒角-刻蚀-抛光-清洗-检测”等步骤,而不包含芯片设计、制造、封装和测试等下游环节。

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拉晶之后还需更多操作。拉晶结束后,单晶硅棒进行滚磨外径以达到较精确的尺寸,随后进行切片,获取 一定厚度的薄晶圆片,并进行倒角以增加机械强度,减少颗粒沾污。接下来进行研磨和抛光,去除硅表面损伤 层,使硅片达到微米级别的平整度并得到抛光片。抛光结束后,外延片则需要额外的外延环节,之后对抛光片 和外延片进行清洗、检测、包装出货等。SOI 硅片则在抛光片的基础上进行 Smart-cut、BESOI 或 SIMOX 工艺。

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硅片制造产业链中配套材料和设备至关重要

硅片上游材料:高纯多晶硅为主要原材料,主要被美德日企业垄断

半导体硅片上游原材料主要包括电子级多晶硅、封装材料、石英坩埚、研磨轮、衬底片等,其中电子级多 晶硅(Semiconductor-Grade)为生产所需的主要原材料。

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电子级多晶硅与光伏级多晶硅相比,对产品纯度、杂质控制的要求更为苛刻。多晶硅纯度需达到 99.999999999%(11N)以满足单晶硅纯度要求。虽然硅片厂商在单晶硅中添加并调整硼和磷的含量以使其具有 携带电子的特性,但当硼或磷作为杂质存在于多晶硅中时,这一含量难以控制,因此需要极高的多晶硅纯度。 制造电子级多晶硅的过程中氯硅烷的分离提纯工艺是关键步骤,而三氯氢硅除硼一直是国内电子级多晶硅材料 领域的技术瓶颈。2017 年前高纯度硅料稀缺,并被外资厂商垄断,导致国产硅片成本居高不下。包括德国瓦克、 韩国 OCI、美国 HSC、挪威 REC、日本德山、美国 SunEdison 等在内的全球几大厂商常年垄断这一技术。

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中短期内,国内半导体硅片仍将依赖海外多晶硅供应。参考目前的调查结果,我们认为短期内国产电子级 多晶硅尚未具备大规模量产能力和技术水平,硅片供应目前仍需依靠几家海外多晶硅供应商。

长期看,电子级多晶硅国产化势在必行。随着 2017 年以来黄河水电、鑫华半导体、新特能源、亚洲硅业、 昆明冶研等国内厂商突破电子级高纯硅的量产制备技术,国产高纯硅正从依赖进口转向批量出口,国外大厂垄 断的局面得到缓解。我们认为国产硅片正在电子级多晶硅环节降低对外依赖度,并有望在 2021 年后实现国产化。

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多晶硅价格持续下跌,多晶硅对硅片成本占比日益减小。另外我们注意到,近年来光伏级多晶硅价格持续 下跌,但高纯度多晶硅仍面临供不应求局面,部分光伏多晶硅制造商向半导体用多晶硅转移产能以扭亏为盈。 我们认为,国内厂商的迅速崛起将持续冲击国际高纯度多晶硅市场,原材料价格在硅片成本中的影响减弱。

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硅片制造设备:配套设备至关重要,是硅片制造商成功的重要资源

硅片生产与制造设备关联紧密,设备厂商深度参与硅片工艺细节的制定和完善。这意味着硅片产线建设较 大程度受制于设备供给,新工艺的量产进度与之强相关;而旧工艺由于存在一定数量的二手设备和机器库存, 硅片产线投入较为顺畅。以中环领先为例,设备厂商晶盛机电斥资 5 亿参股,并与中环股份签订合作协议,使 新建产线仅用时一年半便实现投产。我们认为,只有通过与设备商保持密切合作,硅片制造商方能获得资金和 时间上的优势,因此设备在产业链中的重要性日益显现,也成为硅片制造商成功的重要资源。

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大硅片制造设备长期被美德日韩等国厂商控制。其中日本企业尤为突出,在切、磨、抛设备及浆料、切削 油等材料方面占据主导地位。以上海新阳为例,其 12 英寸大硅片生产线所用的拉晶炉主要采购自韩日德,切割、 研磨、抛光设备主要采购自日本,部分非关键设备采购自韩国、台湾。相比之下,国产设备虽已覆盖各个环节, 但长久以来质量和精度与进口设备差距较大。所幸部分厂商已突破关键设备研制,国产设备采用率明显提升。

 晶盛机电是国内大硅片设备龙头。公司是目前国内硅片设备产品线覆盖最齐全的供应商,硅片设备产线覆 盖率近 80%。公司和中环股份合作建立无锡大硅片项目,作为共同出资方,晶盛机电多项设备在中环的产 线得到验证;公司与硅片制造商的技术合作发挥协同效应,是国产大硅片产业链中设备领域的关键角色。

 南京晶能的 CZ 单晶炉可用于 8 英寸和 12 英寸硅片生产,技术节点在国内相当靠前,单晶炉已在国内大硅 片产线上验证,实现部分国产替代。

 北方华创具备单晶炉和热处理设备,是国内半导体前道设备和光伏设备龙头;目前直拉法单晶炉产品主要 用于光伏领域,具备向半导体硅片延伸的技术基础和可能性。

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