芯片材料“硅”解析

硅材料根據(jù)晶胞的排列方式不同，分為單晶硅和多晶硅。單晶硅和多晶硅最大的區(qū)別是單晶硅的晶胞排是有序的，而多晶硅是無序的。在制造方法方面，多晶硅一般是直接把硅料倒入坩堝中融化，然后再冷卻而成。單晶硅是通過拉單晶的方式形成晶棒（直拉法）。在物理性質(zhì)方面，兩種硅的特性相差較大。單晶硅導(dǎo)電能力強(qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率高，單晶硅光電轉(zhuǎn)換效率一般在 17%~25%左右，多晶硅效率在 15%以下。

▲半導(dǎo)體硅片和光伏硅片

▲單晶硅晶胞結(jié)構(gòu)

光伏硅片：由于光電效應(yīng)，且單晶硅優(yōu)勢(shì)明顯，所以人們使用硅片完成太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。在光伏領(lǐng)域使用的一般為圓角方形的單晶硅電池片。價(jià)格較便宜的電多晶硅片也有使用，但轉(zhuǎn)換效率較低。

▲單晶硅電池片正反面

▲多晶硅電池片正反面

由于光伏硅片對(duì)純度、曲翹度等參數(shù)要求較低，所制造過程相對(duì)簡單。以單晶硅電池片為例，第一步是切方磨圓，先按照尺寸要求將單晶硅棒切割成方棒，然后將方棒的四角磨圓。第二步是酸洗，主要是為了除去單晶方棒的表面雜質(zhì)。第三步是切片，先將清洗完畢后的方棒與工板粘貼。然后將工板放在切片機(jī)上，按照已經(jīng)設(shè)定好的工藝參數(shù)進(jìn)行切割。最后將單晶硅片清洗干凈監(jiān)測(cè)表面光滑度，電阻率等參數(shù)。

半導(dǎo)體硅片：半導(dǎo)體硅片比光伏硅片的要求更高。首先，半導(dǎo)體行業(yè)使用的硅片全部為單晶硅，目的是為了保證硅片每個(gè)位臵的相同電學(xué)特性。在形狀和尺寸上，光伏用單晶硅片是正方形，主要有邊長 125mm，150mm，156mm 的種類。而半導(dǎo)體用單晶硅片是圓型，硅片直徑有 150mm（6 寸晶圓），200mm（8 寸晶圓）和 300mm（12 寸晶圓）尺寸。在純度方面，光伏用單晶硅片的純度要求硅含量為 4N-6N 之間（99.99%-99.9999%），但是半導(dǎo)體用單晶硅片在 9N（99.9999999%）-11N（99.999999999%）左右，純度要求最低是光伏單晶硅片的 1000 倍。在外觀方面，半導(dǎo)體用硅片在表面的平整度，光滑度和潔凈程度要比光伏用硅片的要求高。純度是光伏用單晶硅片和半導(dǎo)體用單晶硅片的最大不同。

▲半導(dǎo)體硅片制造過程

摩爾定律的發(fā)展就是硅片的發(fā)展。由于半導(dǎo)體用硅片是圓形，所以半導(dǎo)體硅片也叫“硅晶圓”或者“晶圓”。晶圓是芯片制造的“基底”，所有的芯片都是在這個(gè)“基底”上制造。在半導(dǎo)體用硅片的發(fā)展歷程中，主要有尺寸和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向。

在尺寸上，硅片的發(fā)展路徑是越來越大：在集成電路發(fā)展初期，使用的是 0.75 英寸晶圓。而增加晶圓面積，增加單片晶圓上的芯片個(gè)數(shù)可以降低成本。1965 年左右，隨著摩爾定律的提出，集成電路技術(shù)和硅片都迎來快速發(fā)展期。硅片經(jīng)歷了4 寸、6 寸、8 寸和 12 寸等節(jié)點(diǎn)。自從2001 年英特爾和 IBM聯(lián)合開發(fā)了 12 寸晶圓芯片制造后，現(xiàn)主流硅片就是12寸晶圓，占比約為 70%，但 18寸（450mm）晶圓的已經(jīng)提上議程。

▲不同尺寸晶圓的參數(shù)

▲硅片大小的發(fā)展

在結(jié)構(gòu)方面，硅片的發(fā)展方向是越來越復(fù)雜：集成電路發(fā)展初期是只有邏輯芯片一種，但是隨著應(yīng)用場(chǎng)景不斷增多，邏輯芯片、功率器件、模擬芯片、數(shù)模混合芯片，flash/Dram 存儲(chǔ)芯片、射頻芯片等等相繼出現(xiàn)，使得硅片在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了不同的形態(tài)?，F(xiàn)在，主要有以下三種：

PW（Polish Wafer）：拋光片。拉單晶后直接切割得到的硅片由于在光滑度或者翹曲度方面不盡完美，所以首先要經(jīng)過拋光處理。這種方式也是最原始硅片的處理方式。

AW（Anneal Wafer）：退火晶圓。隨著制程技術(shù)的不斷發(fā)展，晶體管特征尺寸的不斷縮小，拋光片的缺點(diǎn)也逐漸 暴露出來，比如硅片表面局部的晶格缺陷，硅片表面含氧量較高等。為了解決這些問題，退火晶圓技術(shù)被開發(fā)出來。在拋光后，將硅片放在充滿惰性氣體的爐管中（一般為氬氣），進(jìn)行高溫退火。這樣既可以修復(fù)硅片表面晶格缺陷，同時(shí)也可以減少表面含氧量。

EW（Epitaxy Wafer）：外延層硅片。隨著集成電路的應(yīng)用場(chǎng)景不斷增加，由硅片廠制造的標(biāo)準(zhǔn)硅片在電學(xué)特性上已經(jīng)不能滿足某些產(chǎn)品的要求。同時(shí)，通過熱退火減少的晶格缺陷也不能滿足越來越小的線寬需求。這就衍生出了外延層硅片。通常的外延層就是硅薄膜。是在原始硅片的基礎(chǔ)上，利用薄膜沉積技術(shù)，生長一層硅薄膜。由于在硅外延中，硅基片是作為籽晶的模式存在，所以生長外延層會(huì)復(fù)制硅片的晶體結(jié)構(gòu)。由于襯底硅片是單晶，所以外延層也是單晶。但是由于沒有被拋光，所以生長完成后的硅片表面的晶格缺陷可以被降到很低。

外延技術(shù)指標(biāo)主要包括外延層厚度及其均勻性、電阻率均勻性、體金屬控制、顆?？刂啤渝e(cuò)、位錯(cuò)等缺陷控制?，F(xiàn)階段人們通過優(yōu)化外延的反應(yīng)溫度、外延氣體的流速、中心及邊緣的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)了很高的外延層硅片質(zhì)量。因產(chǎn)品不同和技術(shù)升 級(jí)的需要，通過不斷優(yōu)化外延工藝，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很高的外延硅片質(zhì)量。

另外，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)可以生成電阻率摻雜元素、摻雜濃度與原始硅片不同的外延層，這樣更容易控制生長出來的硅片的電學(xué)特性。比如可以通過在 P 型硅片上生成一層 N 型硅外延層，這樣就形成了一個(gè)低濃度參雜的 PN 結(jié)，為后續(xù)芯片制造中起到優(yōu)化擊穿電壓，降低閂鎖效應(yīng)等等目的。外延層厚度一般根據(jù)使用場(chǎng)景不同而不同，一般邏輯芯片的厚度為 0.5 微米到 5微米左右，功率器件由于需要承受高電壓，所以厚度為 50 微米到 100 微米左右。

▲外延硅片生長過程

▲外延片的不同參雜

SW（SOI Wafer）：SOI 全稱是 Silicon-On-Insulator（絕緣體上硅）。由于 SOI 硅片具有寄生電容小、短溝道效應(yīng)小、繼承密度高、速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，特別是在襯底噪聲低這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得 SOI 硅片常常用在射頻前端芯片中。

▲普通硅片 MOS 結(jié)構(gòu)

▲SOI 硅片 MOS 結(jié)構(gòu)

制造 SOI 硅片的方法主要有四種：SIMOX 技術(shù)、Bonding 技術(shù)、Sim-bond 技術(shù)和 Smart-CutTM 技術(shù)；SOI 硅片的原理比較簡單，核心目標(biāo)就是在襯底中間加入一層絕緣層（一般以二氧化硅 SiO2 為主）。

▲四種制造 SOI 硅片技術(shù)

從性能參數(shù)上來看，Smart-CutTM 技術(shù)是現(xiàn)在 SOI 硅片制造技術(shù)中性能最優(yōu)異的。Simbond 技術(shù)性能和 Smart-Cut 技術(shù)性能相差不大，但是在頂層硅厚度方面，Smart-Cut 技術(shù)生產(chǎn)的 SOI 硅片更薄，而且從生產(chǎn)成本來說，Smart-Cut 技術(shù)可以重復(fù)利用硅片，對(duì)于未來的大批量生產(chǎn)情況，Smart-Cut 技術(shù)更有成本優(yōu)勢(shì)，所以現(xiàn)在業(yè)界公認(rèn)以 Smart-Cut 技術(shù)為未來 SOI 硅片發(fā)展方向。

▲SOI 硅片不同制造技術(shù)的性能對(duì)比

SIMOX 技術(shù)：SIMOX 全稱 Separation by Implanted Oxygen（注氧隔離技術(shù)）。向晶圓中注入氧原子，然后經(jīng)過高溫退火，使氧原子與周圍的硅原子發(fā)生反應(yīng)，生成一層二氧化硅。此項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)是控制氧離子注入的深度與厚度。對(duì)于離子注入技術(shù)要求較高。

Bonding 技術(shù)：Bonding 技術(shù)又稱鍵合技術(shù)，用 bonding 制造的 SOI 硅片又叫 Bonded SOI，簡稱 BSOI。Bonding技術(shù)需要兩片普通硅晶圓，在其中一片上生長一層氧化層（SiO2），然后與另外一片硅源鍵合，連接處就是氧化層。最后再進(jìn)行研磨和拋光到想要的填埋層（SiO2）深度。由于鍵合技術(shù)比離子注入技術(shù)簡單，所以目前 SOI 硅片大都采用 bonding 技術(shù)制作。

▲離子注入方式形成絕緣體上硅

▲wafer bonding 方式形成絕緣體上硅

Sim-bond 技術(shù)：注氧鍵合技術(shù)。Sim-bond 技術(shù)是 SIMOX 與 bond 技術(shù)的結(jié)合。優(yōu)點(diǎn)是可以高精度控制埋氧層厚度。第一步是向一片硅晶圓注入氧離子，然后高溫?zé)嵬嘶鹦纬裳趸瘜樱缓笤谠摴杵砻嫘纬梢粚?SiO2 氧化層。第二步是將該硅片與另外一片晶圓鍵合。然后進(jìn)行高溫退火形成完好的鍵合界面。第三步，減薄工藝。利用 CMP 技術(shù)減薄，但是與 bond 技術(shù)不同的是，sim-bond 有自停止層，當(dāng)研磨到 SiO2 層時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止。然后經(jīng)過腐蝕去掉 SiO2層。最后一步是拋光。

Smart-cut 技術(shù)：智能剝離技術(shù)。Smart-cut 技術(shù)是鍵合技術(shù)的一種延伸。第一步是將一片晶圓氧化，在晶圓表面生成固定厚度的 SiO2。第二步是利用離子注入技術(shù)，向晶圓的固定深度注入氫離子。第三步是將另外一片晶圓與氧化晶圓鍵合。第四步是利用低溫?zé)嵬嘶鸺夹g(shù)，氫離子形成氣泡，令一部分硅片剝離。然后利用高溫?zé)嵬嘶鸺夹g(shù)增加鍵合強(qiáng)度。第五步是將硅表面平坦化。這項(xiàng)技術(shù)是國際公認(rèn)的 SOI 技術(shù)發(fā)展方向，埋氧層厚度完全由氫離子注入深度決定，更加準(zhǔn)確。而且被剝離出的晶圓可以重復(fù)利用，大大降低了成本。

▲sim-bond 方式形成絕緣體上硅

▲Smart-cut 方式形成絕緣體上硅