半導(dǎo)體材料在不斷進(jìn)化,但硅材料仍為主流。半導(dǎo)體產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中,其重要性不言而喻。半導(dǎo)體材料作為制造基礎(chǔ),至今已發(fā)展到第三代。根據(jù)發(fā)展歷史,第一代半導(dǎo)體是“元素半導(dǎo)體”,典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。得益于第一代半導(dǎo)體材料 應(yīng)用,集成電路產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展。第二代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體,以砷化鎵、磷 化銦和氮化鎵等為代表,其促成信息產(chǎn)業(yè)崛起;而第三代半導(dǎo)體材料主要包括碳化硅、氮化鎵、金剛石等,其具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等 優(yōu)點(diǎn),成為下一代信息技術(shù)的關(guān)鍵之一。雖然半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代,但由于制 備工藝、后續(xù)加工及原料來源等因素影響,硅材料依然是主流半導(dǎo)體材料。
不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)硅純度要求有所不同。硅極少以單質(zhì)的形式存在于自然界中,但在巖石、砂礫、塵土之中其以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在。在地殼中,硅是第二豐富的元 素,其構(gòu)成地殼總質(zhì)量的 26.4%。所以,硅來源較為廣泛,在生產(chǎn)中較為容易獲取,進(jìn) 而解決硅片制備所需原料的問題。目前,多晶硅純度從 99.9999%至 99.999999999%(6-11 個(gè) 9)不等,根據(jù)使用場(chǎng)景對(duì)于純度要求有所差異,其中太陽能(3.340, 0.02, 0.60%)光伏級(jí)多晶硅純度要求 較低,而電子級(jí)多晶硅純度則要求較高。多晶硅經(jīng)過進(jìn)一步加工制造可制得單晶硅,單 晶硅是硅片上游材料。硅片在晶圓制造材料中占比最大。晶圓制造是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要一環(huán),生產(chǎn)過程中會(huì)涉 及多種材料。據(jù) SEMI,2018 年全球半導(dǎo)體材料銷售額達(dá)到 519 億美元,增長 10.6%,其中晶圓制造材料和封裝材料的銷售額分別為 322 億美元和 197 億美元,同比增長率分別 為 15.9%和 3.0%。根據(jù)細(xì)分產(chǎn)品銷售情況,2018 年硅片占晶圓制造材料市場(chǎng)比值為 38%,比重為相關(guān)材料市場(chǎng)第一位。所以,硅片作為半導(dǎo)體生產(chǎn)重要原材料之一,硅片制備技 術(shù)將對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。
半導(dǎo)體硅片生產(chǎn)
根據(jù)硅片生產(chǎn)流程,首先通過提純硅氧化得到多晶硅,其后通過單晶硅生長工藝得到硅片原始材料單晶錠,再通過切片、研磨、拋光等硅片制造工藝得到拋光硅片。通過對(duì)拋 光硅片進(jìn)行特殊工藝處理,可得到退火片、外延片等具備特殊性能硅片。
單晶硅生長技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一直拉法生長技術(shù)是目前較為主流長晶工藝。單晶硅是由單一籽晶生長的單晶體硅材料,它具有晶格完整、缺陷和雜質(zhì)很少等特點(diǎn)。根據(jù)單晶硅生長方式進(jìn)行分類,可將其分為區(qū)熔單晶硅(FZ-Si)和直拉單晶硅(CZ-Si),其中所涉及的工藝為區(qū)熔法和直拉法。相較于區(qū)熔法,直拉法能支持 12 英寸等大尺寸硅片生產(chǎn),而區(qū)熔法則用于 8 英寸及以 下尺寸硅片生產(chǎn)。所以,直拉法是目前較為主流長晶工藝。直拉法主要工藝包括多晶硅原料裝料、多晶硅融化、種晶、縮頸、放肩、等徑生長和收 尾等。直拉法制備工藝是通過加熱放置于坩堝內(nèi)的多晶硅原料使其成為溶液,并通過安置在爐體上方的籽晶軸,使得單晶晶種能與硅溶液進(jìn)行接觸。通過籽晶軸轉(zhuǎn)動(dòng)和上下移 動(dòng),硅液會(huì)沿著籽晶表面凝結(jié)和生長,最終形成單晶錠。隨著直拉法工藝不斷深入,基 于基礎(chǔ)工藝的新工藝在持續(xù)開發(fā),目前已開發(fā)出磁控直拉單晶生長、連續(xù)加料直拉單晶 硅生長和重裝料直拉單晶生長等工藝。
在直拉單晶生長過程中需要添加不同元素以滿足不同需求。為滿足不同器件制備的要 求,在晶體生長時(shí)需要摻入微量電學(xué)性的雜質(zhì)(摻雜劑)。其中 P 型半導(dǎo)體,硼(B)是最常用的摻雜劑;而對(duì)于 N 型半導(dǎo)體,磷(P)、砷(As)和銻(Sb)都可以作為摻 雜劑。除摻雜劑外,一般情況下在直拉過程中需要避免雜質(zhì)引入,否則將影響單晶硅、器件的性能和質(zhì)量。由于單晶硅生長情況對(duì)于硅片生產(chǎn)影響較大,所以單晶硅生長技術(shù) 在硅片生產(chǎn)中是關(guān)鍵技術(shù)之一。總結(jié):單晶錠是硅片生產(chǎn)原料,目前生產(chǎn)單晶錠以直拉法為主。在生產(chǎn)過程中通過添加 不同的摻雜劑以制備具有不同性能的半導(dǎo)體,但需要對(duì)其他雜質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格管控,否則成 品質(zhì)量將受到影響。所以,單晶硅生長技術(shù)在硅片生產(chǎn)中是關(guān)鍵技術(shù)之一。從“錠”到“片”硅片制造工藝實(shí)現(xiàn)從“錠”到“片”轉(zhuǎn)換。當(dāng)完成單晶硅生長工藝后,需要通過硅片制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)硅片生產(chǎn)。根據(jù)生產(chǎn)流程,單晶硅錠需要通過切斷、切片、研磨、拋光、清洗五大步驟從而得到拋光硅片。其中,通過切斷得到適合切片的晶棒;切片是將晶棒 切成具有一定厚度和平整度的硅片;研磨工藝,可去除硅片切片表面殘留的損傷層,并使硅片具有一定的幾何精度;拋光工藝,通過化學(xué)和機(jī)械作用,去除硅片表面殘留的微 缺陷和損傷層,獲得硅拋光片;硅片清洗是去除硅片表面各種沾污。通過這一系列加工 工藝后,可得到拋光硅片。通過對(duì)拋光硅片進(jìn)行特定工藝處理可得到具有特殊性能硅片。拋光硅片是目前應(yīng)用范圍 最廣、最基礎(chǔ)的硅片,以拋光片為基礎(chǔ)進(jìn)行二次加工可得到具有特殊性能的硅片。退火片制作工藝是一個(gè)升溫再降溫的過程,通過將拋光片置于氫或氬氣中加熱,隨即進(jìn)入到 退火過程。與拋光片相比,其表面含氧量大幅減少,從而擁有更好的晶體完整性。外延 片通常采用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù),反應(yīng)原理為硅的氣態(tài)化合物在硅片表面發(fā)生反 應(yīng),并以單晶薄膜的形態(tài)沉積在硅襯底表面。SOI 硅片具有三層結(jié)構(gòu),自上而下分別為 頂層硅片(SOI 層)、氧化層和硅襯底;目前,氫注入剝離鍵合技術(shù)(Smart-Cut)、硅 片直接鍵合技術(shù)(SDB)和注氧隔離技術(shù)(SIMOX)是三個(gè)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的 SOI 制備技術(shù);由于 SOI 硅片具有氧化層,從而減少硅片的寄生電容以及漏電現(xiàn)象。具有特殊性能的硅 片能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求,是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可或缺的一部分。