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硅片——半導體行業之基石(1)

硅片——半導體行業之基石(1)

2021-11-22 16:12:56 0

來源:中信建投

硅片——半導體行業之基石

硅片是半導體產業最重要的基礎材料

硅片是由高純結晶硅為材料制造的圓片,一般作為集成電路和半導體器件的載體。與其他材料相比,結晶 硅的分子結構非常穩定,很少有自由電子產生,因此其導電性極低。硅基半導體材料產量大、易獲取、應用廣, 其應用覆蓋了 90%以上的半導體產品。硅是除了氧元素之外第二豐富的元素,以多樣的形式大量存在于沙子、 巖石、礦物中,相較于其他半導體材料更加易于獲取。

硅片主要用于半導體和光伏兩大領域,半導體硅片更值得關注。二者差異主要體現在硅片類型、純度、平 整度、光滑度及潔凈度等特性上。硅片在 IC 制造和太陽能電池領域均作為基底材料,為滿足相應的電學特性, 半導體級硅晶圓都是單晶硅,而太陽能電池用的硅晶圓則單晶硅與多晶硅皆有。半導體硅片純度標準要求為 99.999999999%以上(業內簡稱 11N),而光伏硅片純度要求較低,約為 99.9999%左右。研磨、倒角、拋光、 清洗等工藝都是制作硅片的必備流程,以保證半導體大硅片表面的平整度和光滑度被控制在 1nm 以內。由于半 導體硅片制造較難、下游應用廣泛、市場價值較高,因此也是硅片核心市場。


半導體材料專題報告:硅片,集成電路大廈之基石


半導體硅片制造需經過一系列物理和化學操作,高純和高精度是關鍵。通常將 95-99%純度的硅稱為工業硅; 純度達 99.9999999%至 99.999999999%(9-11 個 9)的稱為超純多晶硅;在獲得超純多晶硅之后,摻入硼(P)、 磷(B)等元素改變其導電能力,放入籽晶確定晶向,制成半導體領域常用的單晶硅,切片、研磨、蝕刻、拋光、 外延(如有)、鍵合(如有)、清洗等步驟之后,即可制成半導體硅片。在獲得單晶硅的過程中,熔體溫度、 提拉速度、籽晶/石英坩堝的旋轉速度以及熔體中的硼(P)、磷(B)等雜質元素濃度都起到決定性的作用。最 后,在半導體硅片上布設晶體管和多層互聯線,從而制成具有特定功能的集成電路或半導體器件。

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大硅片制造難度隨芯片制程提高而快速提升。硅片作為基礎襯底,必須具備高純凈度、平整度、清潔度和 低雜質污染度,才能完美保持芯片原本設計的功能。半導體芯片最新工藝節點已達 5nm,隨著制程微縮,芯片 制造對硅片缺陷密度與缺陷尺寸的容忍度不斷降低,質量控制更嚴格。隨尺寸增加,硅片質量控制和制造難度 也倍數增加,難度主要體現在拉晶環節對速度和溫度的精準把控,以及制造設備對晶圓工藝腔體均勻性的處理。

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硅片正朝大尺寸和先進工藝發展,并衍生出多品類的需求結構

硅片(或硅基半導體)是目前產量最大、應用最廣的半導體材料,遠高于其他元素半導體或化合物半導體。常見半導體材料包括硅(Si)、鍺(Ge)等元素半導體及砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)等化合物半導體。 相較于鍺,硅的熔點為 1415℃,高于鍺的熔點 937℃,較高的熔點使硅可以廣泛用于高溫加工工藝;硅的禁帶 寬度大于鍺,更適合制作高壓器件。相較于砷化鎵,硅安全無毒、對環境無害,而砷元素為有毒物質;并且鍺、 砷化鎵均沒有天然氧化物,在晶圓制造時還需要在表面沉積多層絕緣體,這會導致下游晶圓制造生產步驟增加 從而使生產成本提高。根據 SEMI 統計數據,全球 95%以上的半導體器件和 99%以上的集成電路采用硅作為襯 底材料,而化合物半導體市場占比在 5%以內。由此可見,在半導體領域,硅片占據了半導體襯底的核心地位。

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單晶硅片與多晶硅片

硅片分為單晶硅和多晶硅,半導體行業使用單晶硅。根據晶胞排列是否有序,硅片可分為單晶硅和多晶硅。 二者在力學、光學與電學等物理性質上存在著差異,單晶硅的電學性質通常優于多晶硅。通常由于單晶硅的硅 片內部只由一個晶料粒構成,基本完整的結構使得其光電轉換效率更高,在 18%~24%左右,而多晶硅片的光電 轉換效率在 15%~19%左右。由于多晶硅片制造工藝簡單、價格低廉,更高的性價比使其在硅片市場中更受下游 生產商青睞。同時,目前隨著單晶硅片生產技術的進步以及規?;a效應的影響,其成本實現了一定程度上 的降低,市場價格的下調也開始使得單晶硅片市場份額不斷增加。

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不同尺寸規格的硅片

可按照尺寸規格對硅片分類,硅片制造隨著尺寸增大對設備和工藝的要求有所提高。以直徑計算,半導體 硅片的尺寸規格主要有 50mm(2 英寸)、75mm(3 英寸)、100mm(4 英寸)、150mm(6 英寸)、200mm(8 英寸)與 300mm(12 英寸)。為了與摩爾定律同步,即集成電路上的晶體管數量每隔 18 個月提升一倍,相應 集成電路性能增強一倍,成本下降一半,芯片制造廠商需要不斷改良技術,提升單個硅片可生產的芯片數量、 降低單個硅片的制造成本。而硅片尺寸越大,單個硅片上可制造的芯片數量就越多,單位芯片的成本隨之降低。 因此廠商們紛紛向大尺寸硅片發展。

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在摩爾定律的影響下,硅片正不斷向著大尺寸方向發展。為提高生產效率并降低成本,向大尺寸演進是半 導體硅片的發展方向。硅片尺寸變大,單位芯片的成本隨之降低。硅片邊緣處的一些區域通常無法被利用,造 成浪費,這是因為需要在圓形硅片上制造矩形的芯片。而當硅片的尺寸變大,硅片邊緣損失就會越小,芯片成 本從而降低。300mm 硅片的可使用面積超過 200mm 硅片的兩倍以上,可使用率(衡量單位晶圓可生產的芯片 數量的指標)是 200mm 硅片的 2.5 倍左右。

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12 英寸硅片是目前業內主流,18 寸硅片尚未成熟。根據 SEMI 統計數據,2018 年全球 12 英寸硅片出貨面 積約占硅片總出貨量的 63%,其次是 8 英寸,約占 26%。12 英寸硅片的下一站是 18 英寸(450mm)硅片,但 由于 12 英寸硅片可滿足當前生產需求,且 18 英寸硅片設備研發難度極大,面臨資金和技術雙重壓力。據 SEMI 估算,一個 18 英寸晶圓廠的耗資將高達 100 億美元,遠超出 12 英寸晶圓廠的投入成本,且其只能使芯片單位 面積價格下降 8%,因此晶圓廠向 18 英寸轉移的速度較緩,預計到 2020 年以后 18 英寸硅片才可能初步量產。

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工藝制程的不斷精進也提升了對硅片的技術要求。硅片的工藝制程與尺寸并行發展,每一制程階段與硅片 尺寸相對應,制程的提升對硅片尺寸的增大提出了要求。隨著半導體芯片量產制程達到 7nm 甚至更精細,18 英 寸等更大尺寸的硅片有望在未來獲得需求。具體來看兩者的需求邏輯如下:

? 制程進步→晶體管縮小→晶體管密度成倍增加→性能提升。

? 晶圓尺寸增大→每片晶圓產出芯片數量更多→效率提升→成本降低。

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不同用途的硅片

根據用途分類,半導體硅片可分為拋光片、退火片、外延片、結隔離片和以 SOI 硅片為代表的高端硅片。其中,拋光片是用量最大的產品,其他的硅片產品都是在拋光片的基礎上二次加工產生的。

拋光片是最基礎、應用范圍最廣的硅片。拋光片(PW-Polished Wafer)可直接用于制作半導體器件,廣泛應 用于存儲芯片與功率器件等,也可作為外延片、SOI 硅片等其他類型硅片的襯底材料。隨著集成電路特征線寬 的不斷縮小,光刻精度日益精細,硅片上極其微小的不平整都會造成集成電路圖形的形變和錯位,硅片制造技 術面臨越來越高的要求和挑戰。硅片表面顆粒度和潔凈度對半導體產品的良率也有直接影響。因此,拋光工藝 對提高硅片表面的平整度和清潔度至關重要,主要原理為通過去除加工表面殘留的損傷層,實現半導體硅片表 面平坦化,減小粗糙度。

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退火片相較于拋光片而言,其表面的完整性更好,常用于 CMOS 元件制造以及 DRAM 制造。拋光片的缺 點隨著制程技術的不斷發展和工藝線寬的不斷縮小而逐漸暴露出來。在此背景下,退火片(AW-Annealed Wafer) 應運而生。通過將拋光片置于充滿氬氣或氧氣的高溫環境中,按照一定的程序進行升溫、降溫過程,大幅減少 拋光片表面的氧氣含量,得到退火片。其目的是消除氧對于硅片電阻率的影響,提高芯片良率。因此相較于普 通的拋光片,退火片表面擁有更好的晶體完整性,可滿足更高的半導體蝕刻需求。退火片主要應用于一般 CMOS 元件制造以及 DRAM 制造。

外延片的表面比切割得來的拋光片更為平滑,常用于處理器芯片、圖形處理器芯片等先進的邏輯制程 IC。隨著應用場景不斷增加,標準硅片已不能滿足某些產品的要求,因此外延片(EW-Epitaxial Wafer)得以出現。外 延是通過化學氣相沉積的方式在拋光面上生長一層或多層,摻雜類型、電阻率、厚度和晶格結構都符合特定要 求的新硅單晶層。外延可減少硅片中的單晶缺陷,具有更低的缺陷密度和氧含量,提高柵氧化層的完整性,改 善溝道漏電,從而提升 IC 可靠性。外延片常在通用處理器芯片、圖形處理器芯片等 CMOS 電路中使用。

SOI 硅片又稱絕緣體上硅,是常見先進硅材之一,主要受 5G 射頻和物聯網等下游應用驅動。SOI (Silicon-on-Insulator)硅片有獨特的優勢,可實現全介質隔離,減少硅片的寄生電容和漏電現象,消除閂鎖效應。 這主要通過頂層硅和襯底之間的氧化物絕緣埋層實現。SOI 硅片適用于耐高壓、耐惡劣環境、低功耗、高集成 IC。

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硅片制備:直拉法 vs 區熔法

硅片的制備包括一系列物理和化學工藝步驟。概括來說,硅片的制造步驟首先由普通硅砂拉制提煉,進而 氯化并經蒸餾后制成電子級高純度多晶硅,該步驟主流工藝為改良西門子法;再經一系列措施制成單晶硅棒, 單晶硅棒經過切片、拋光之后,便得到單晶硅圓片,也即硅片。通常意義上的晶圓制造環節包括制成高純硅后 的“拉晶-切片-磨片-倒角-刻蝕-拋光-清洗-檢測”等步驟,而不包含芯片設計、制造、封裝和測試等下游環節。

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拉晶之后還需更多操作。拉晶結束后,單晶硅棒進行滾磨外徑以達到較精確的尺寸,隨后進行切片,獲取 一定厚度的薄晶圓片,并進行倒角以增加機械強度,減少顆粒沾污。接下來進行研磨和拋光,去除硅表面損傷 層,使硅片達到微米級別的平整度并得到拋光片。拋光結束后,外延片則需要額外的外延環節,之后對拋光片 和外延片進行清洗、檢測、包裝出貨等。SOI 硅片則在拋光片的基礎上進行 Smart-cut、BESOI 或 SIMOX 工藝。

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硅片制造產業鏈中配套材料和設備至關重要

硅片上游材料:高純多晶硅為主要原材料,主要被美德日企業壟斷

半導體硅片上游原材料主要包括電子級多晶硅、封裝材料、石英坩堝、研磨輪、襯底片等,其中電子級多 晶硅(Semiconductor-Grade)為生產所需的主要原材料。

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電子級多晶硅與光伏級多晶硅相比,對產品純度、雜質控制的要求更為苛刻。多晶硅純度需達到 99.999999999%(11N)以滿足單晶硅純度要求。雖然硅片廠商在單晶硅中添加并調整硼和磷的含量以使其具有 攜帶電子的特性,但當硼或磷作為雜質存在于多晶硅中時,這一含量難以控制,因此需要極高的多晶硅純度。 制造電子級多晶硅的過程中氯硅烷的分離提純工藝是關鍵步驟,而三氯氫硅除硼一直是國內電子級多晶硅材料 領域的技術瓶頸。2017 年前高純度硅料稀缺,并被外資廠商壟斷,導致國產硅片成本居高不下。包括德國瓦克、 韓國 OCI、美國 HSC、挪威 REC、日本德山、美國 SunEdison 等在內的全球幾大廠商常年壟斷這一技術。

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中短期內,國內半導體硅片仍將依賴海外多晶硅供應。參考目前的調查結果,我們認為短期內國產電子級 多晶硅尚未具備大規模量產能力和技術水平,硅片供應目前仍需依靠幾家海外多晶硅供應商。

長期看,電子級多晶硅國產化勢在必行。隨著 2017 年以來黃河水電、鑫華半導體、新特能源、亞洲硅業、 昆明冶研等國內廠商突破電子級高純硅的量產制備技術,國產高純硅正從依賴進口轉向批量出口,國外大廠壟 斷的局面得到緩解。我們認為國產硅片正在電子級多晶硅環節降低對外依賴度,并有望在 2021 年后實現國產化。

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多晶硅價格持續下跌,多晶硅對硅片成本占比日益減小。另外我們注意到,近年來光伏級多晶硅價格持續 下跌,但高純度多晶硅仍面臨供不應求局面,部分光伏多晶硅制造商向半導體用多晶硅轉移產能以扭虧為盈。 我們認為,國內廠商的迅速崛起將持續沖擊國際高純度多晶硅市場,原材料價格在硅片成本中的影響減弱。

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硅片制造設備:配套設備至關重要,是硅片制造商成功的重要資源

硅片生產與制造設備關聯緊密,設備廠商深度參與硅片工藝細節的制定和完善。這意味著硅片產線建設較 大程度受制于設備供給,新工藝的量產進度與之強相關;而舊工藝由于存在一定數量的二手設備和機器庫存, 硅片產線投入較為順暢。以中環領先為例,設備廠商晶盛機電斥資 5 億參股,并與中環股份簽訂合作協議,使 新建產線僅用時一年半便實現投產。我們認為,只有通過與設備商保持密切合作,硅片制造商方能獲得資金和 時間上的優勢,因此設備在產業鏈中的重要性日益顯現,也成為硅片制造商成功的重要資源。

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大硅片制造設備長期被美德日韓等國廠商控制。其中日本企業尤為突出,在切、磨、拋設備及漿料、切削 油等材料方面占據主導地位。以上海新陽為例,其 12 英寸大硅片生產線所用的拉晶爐主要采購自韓日德,切割、 研磨、拋光設備主要采購自日本,部分非關鍵設備采購自韓國、臺灣。相比之下,國產設備雖已覆蓋各個環節, 但長久以來質量和精度與進口設備差距較大。所幸部分廠商已突破關鍵設備研制,國產設備采用率明顯提升。

? 晶盛機電是國內大硅片設備龍頭。公司是目前國內硅片設備產品線覆蓋最齊全的供應商,硅片設備產線覆 蓋率近 80%。公司和中環股份合作建立無錫大硅片項目,作為共同出資方,晶盛機電多項設備在中環的產 線得到驗證;公司與硅片制造商的技術合作發揮協同效應,是國產大硅片產業鏈中設備領域的關鍵角色。

? 南京晶能的 CZ 單晶爐可用于 8 英寸和 12 英寸硅片生產,技術節點在國內相當靠前,單晶爐已在國內大硅 片產線上驗證,實現部分國產替代。

? 北方華創具備單晶爐和熱處理設備,是國內半導體前道設備和光伏設備龍頭;目前直拉法單晶爐產品主要 用于光伏領域,具備向半導體硅片延伸的技術基礎和可能性。

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