一文看芯片材料基石——硅

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▲半导体硅片和光伏硅片

▲单晶硅晶胞结构

光伏硅片:由于光电效应,且单晶硅优势明显,所以人们使用硅片完成太阳能到电能的转换。在光伏领域使用的一般为圆角方形的单晶硅电池片。价格较便宜的电多晶硅片也有使用,但转换效率较低。

▲单晶硅电池片正反面

▲多晶硅电池片正反面

由于光伏硅片对纯度、曲翘度等参数要求较低,所制造过程相对简单。以单晶硅电池片为例,第一步是切方磨圆,先按照尺寸要求将单晶硅棒切割成方棒,然后将方棒的四角磨圆。第二步是酸洗,主要是为了除去单晶方棒的表面杂质。第三步是切片,先将清洗完毕后的方棒与工板粘贴。然后将工板放在切片机上,按照已经设定好的工艺参数进行切割。最后将单晶硅片清洗干净监测表面光滑度,电阻率等参数。

▲半导体硅片制造过程

摩尔定律的发展就是硅片的发展。由于半导体用硅片是圆形,所以半导体硅片也叫“硅晶圆”或者“晶圆”。晶圆是芯片制造的“基底”,所有的芯片都是在这个“基底”上制造。在半导体用硅片的发展历程中,主要有 尺寸和结构两个方向。

在尺寸上,硅片的发展路径是越来越大:在集成电路发展初期,使用的是 0.75 英寸晶圆。而增加晶圆面积,增加单片晶圆上的芯片个数可以降低成本。1965 年左右,随着摩尔定律的提出,集成电路技术和硅片都迎来快速发展期。硅片经历了4 寸、6 寸、8 寸和 12 寸等节点。自从2001 年英特尔和 IBM联合开发了 12 寸晶圆芯片制造后,现主流硅片就是12寸晶圆,占比约为 70%,但 18寸(450mm)晶圆的已经提上议程。

▲不同尺寸晶圆的参数

▲硅片大小的发展

在结构方面,硅片的发展方向是越来越复杂:集成电路发展初期是只有逻辑芯片一种,但是随着应用场景不断增多,逻辑芯片、功率器件、模拟芯片、数模混合芯片,flash/Dram 存储芯片、射频芯片等等相继出现,使得硅片在结构上出现了不同的形态。现在,主要有以下三种:

PW(Polish Wafer):抛光片。拉单晶后直接切割得到的硅片由于在光滑度或者翘曲度方面不尽完美,所以首先要经过抛光处理。这种方式也是最原始硅片的处理方式。

AW(Anneal Wafer):退火晶圆。随着制程技术的不断发展,晶体管特征尺寸的不断缩小,抛光片的缺点也逐渐 暴露出来,比如硅片表面局部的晶格缺陷,硅片表面含氧量较高等。为了解决这些问题,退火晶圆技术被开发出来。在抛光后,将硅片放在充满惰性气体的炉管中(一般为氩气),进行高温退火。这样既可以修复硅片表面晶格缺陷,同时也可以减少表面含氧量。

EW(Epitaxy Wafer):外延层硅片。随着集成电路的应用场景不断增加,由硅片厂制造的标准硅片在电学特性上已经不能满足某些产品的要求。同时,通过热退火减少的晶格缺陷也不能满足越来越小的线宽需求。这就衍生出了外延层硅片。通常的外延层就是硅薄膜。是在原始硅片的基础上,利用薄膜沉积技术,生长一层硅薄膜。由于在硅外延中,硅基片是作为籽晶的模式存在,所以生长外延层会复制硅片的晶体结构。由于衬底硅片是单晶,所以外延层也是单晶。但是由于没有被抛光,所以生长完成后的硅片表面的晶格缺陷可以被降到很低。

外延技术指标主要包括外延层厚度及其均匀性、电阻率均匀性、体金属控制、颗粒控制、层错、位错等缺陷控制。现阶段人们通过优化外延的反应温度、外延气体的流速、中心及边缘的温度梯度,实现了很高的外延层硅片质量。因产品不同和技术升 级的需要,通过不断优化外延工艺,现在已经实现了很高的外延硅片质量。

另外,现在技术已经可以生成电阻率掺杂元素、掺杂浓度与原始硅片不同的外延层,这样更容易控制生长出来的硅片的电学特性。比如可以通过在 P 型硅片上生成一层 N 型硅外延层,这样就形成了一个低浓度参杂的 PN 结,为后续芯片制造中起到优化击穿电压,降低闩锁效应等等目的。外延层厚度一般根据使用场景不同而不同,一般逻辑芯片的厚度为 0.5 微米到 5微米左右,功率器件由于需要承受高电压,所以厚度为 50 微米到 100 微米左右。

▲外延硅片生长过程

▲外延片的不同参杂

▲普通硅片 MOS 结构

▲SOI 硅片 MOS 结构

制造 SOI 硅片的方法主要有四种:SIMOX 技术、Bonding 技术、Sim-bond 技术和 Smart-CutTM 技术;SOI 硅片的原理比较简单,核心目标就是在衬底中间加入一层绝缘层(一般以二氧化硅 SiO2 为主)。

▲四种制造 SOI 硅片技术

▲SOI 硅片不同制造技术的性能对比

SIMOX 技术:SIMOX 全称 Separation by Implanted Oxygen(注氧隔离技术)。向晶圆中注入氧原子,然后经过高温退火,使氧原子与周围的硅原子发生反应,生成一层二氧化硅。此项技术的难点是控制氧离子注入的深度与厚度。对于离子注入技术要求较高。

Bonding 技术:Bonding 技术又称键合技术,用 bonding 制造的 SOI 硅片又叫 Bonded SOI,简称 BSOI。Bonding技术需要两片普通硅晶圆,在其中一片上生长一层氧化层(SiO2),然后与另外一片硅源键合,连接处就是氧化层。最后再进行研磨和抛光到想要的填埋层(SiO2)深度。由于键合技术比离子注入技术简单,所以目前 SOI 硅片大都采用 bonding 技术制作。

▲离子注入方式形成绝缘体上硅

▲wafer bonding 方式形成绝缘体上硅

▲sim-bond 方式形成绝缘体上硅

▲Smart-cut 方式形成绝缘体上硅


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