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本文参考自“国信证券：半导体系列汇报”。半导体材料是一类具备半导体功能（导电手腕介于导体与绝缘体之间）、可用来制做半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体产业的根基。半导体材料的研讨始于19世纪，于今已进展至第四代半导体材料，各个代际半导体材料之间相互增长。

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国信证券：半导体系列汇报

半导体行业深度专题：EDA篇异构芯片研讨框架合集

第一代半导体：以硅（Si）、锗（Ge）等为代表，是由简单元素产生的元素半导体材料。硅半导体材料及其集成电路的进展致使了微型揣度机的呈现和全面消息资产的奔腾。

第二代半导体：以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表，也包罗三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP，还包罗一些固溶体半导体、非静态半导体等。跟着以光通讯为根基的消息高速公路的振兴和社会消息化的进展，第二代半导体材料显示出其先进性，砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通讯系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开辟了光纤及挪移通讯的新资产。

第三代半导体：以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）为代表的宽禁带半导体材料。完备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速度及抗强辐射手腕等精良功能，更合适于制做高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在半导体照明、新一代挪移通讯、动力互联网、高速轨道交通、新动力汽车、花费类电子等范围有广大的运用前程。

第四代半导体：以氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）为代表的超宽禁带半导体材料，禁带宽度高出4eV；以及以锑化物（GaSb、InSb）为代表的超窄禁带半导体材料。超宽禁带材料仰仗其比第三代半导体材料更宽的禁带，在高频功率器件范围有更超过的特点上风；超窄禁带材料由于易引发、转移率高，要紧用于探测器、激光器等器件的运用中。

硅材料制造寰球绝大部份的半导体产物，也是占比最大的半导体系造材料。在年头早期，锗是要紧的半导体材料。但锗半导体器件的耐高温顺抗辐射功能较差，到年头慢慢被硅材料庖代。由于硅器件的走电流要低很多，且二氧化硅是一种高品质的绝缘体，很轻易做为硅器件的一部份实行调度，于今半导体器件和集成电路依然要紧用硅材料制成，硅产物产生了寰球绝大部份半导体产物。

半导体硅片依照不同参数的分类

半导体硅晶圆（SemiconductorSiliconWafer）是制造硅半导体产物的根基，可依照不同参数实行分类。

依照尺寸（直径）不同，半导体硅片可分为2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（mm）、5英寸（mm）、6英寸（mm）、8英寸（mm）、12英寸（mm），在摩尔定律影响下，半导体硅片正在继续向大尺寸的方位进展，当今8英寸和12英寸是合流产物，算计出货面积占比高出90%。

依照搀杂程度不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的搀杂元素掺入量大，电阻率低,通常用于功率器件等产物；轻掺硅片搀杂浓度低，通常用于集成电路范围，技能难度和产物品质请求更高。由于集成电路在寰球半导体商场中占比高出80%，寰球对轻掺硅片须要更大。

依照工艺，半导体硅片可分为研磨片、抛光片及基于抛光片制造的非凡硅片外表片、SOI等。研磨片可用于制造分立器件；轻掺抛光片可用于制造大范围集成电路或做为外表片的衬底材料，重掺抛光片通常用做外表片的衬底材料。比拟研磨片，抛光片具备更优的表面平坦度和皎洁度。

在抛光片的根基上，也许制造出退火片、外表片、SOI硅片和结隔绝硅片等。退火片在氢气或氩气处境下对抛光片实行高温热责罚，以去除晶圆表面临近的氧气，也许擢升表面晶体的完好性。外表片是在抛光片表面产生一层气相成长的单晶硅，可满意须要晶体完好性或不同电阻率的多层构造的须要。SOI硅片（Silicon-On-Insulator）是在两个抛光片之间插入高电绝缘氧化膜层，也许实行器件的高集成度、低功耗、高速和高牢靠性，在活性层表面也也许产生砷或砷的分散层。结隔绝硅片是依照客户的安排，哄骗暴光、离子注入和热分散技能在晶圆表面预产生IC嵌入层，而后再在上头成长一层外表层。

依照运用处景不同，半导体硅片可分为正片、假（陪）片。正片（PrimeWafer）用于半导体产物的制造，假片（DummyWafer）用来暖机、填充空缺、测试临盆摆设的工艺状况或某一工艺的品质状况。假片通常由晶棒双侧德行较差部份切割而来，由于用量庞大，在合适前提的处境下部份产物会回收再哄骗，回收反复哄骗的硅片称为可更生硅片（ReclaimedWafer）。据观研网数据，65nm制程的晶圆代工场每10片正片须要加6片假片，28nm及下列制程每10片正片则须要加15-20片假片。

半导体硅片制造过程繁杂，要紧包罗拉单晶和硅片的切磨抛外表等工艺。半导体硅片的临盆过程繁杂，波及工序较多。研磨片工序包罗拉单晶、截断、滚圆、切片、倒角、研磨等，抛光片是在研磨片的根基上经边际抛光、表面抛光等工序制造而来；抛光片经外表工艺制造出硅外表片，经退炎热责罚制造出硅退火片，经非凡工艺制造出绝缘体上硅SOI。硅片制造历程中须要经由屡次冲洗，在出售给客户以前还须要经由测验和包装。

环节一：拉单晶。电子级高纯度多晶硅经由单晶成长工艺可拉制成单晶硅棒，罕用办法有直拉法（Czochralsk，CZ法）和区熔法（Float-Zone，FZ法）两种。FZ法纯度高，氧含量低，电阻率较高，本事高压，但工艺难度大，大尺寸硅片制备坚苦且成本高，是以要紧以8英寸及下列尺寸为主，要紧用于中高端功率器件。CZ法氧含量高，更轻易临盆出大尺寸单晶硅棒，工艺也已老练，成本较低，是以当今半导体行业要紧采取CZ法拉制单晶硅棒。拉单晶技能直接决议了位错、COP（crystaloriginatedpit,晶体原生凹坑）、漩涡等晶体原生弊端的密度及电阻率、电阻率梯度、氧、碳含量等晶体技能指目标是非，是半导体硅片临盆工序中最为中心的技能。

直拉法加工工艺：

装料：将多晶硅和搀杂剂放入单晶炉内的石英坩埚内，搀杂剂的品种依所需成长的电阻率而定，要紧有成长P型的硼和成长N型的磷、砷、锑等。

消融：装料收场后，加热至硅消融温度（℃）以上，将多晶硅和搀杂剂消融，蒸发一准时候后，将籽晶下落与液面濒临，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除掉表面蒸发性杂质同时可裁减热冲锋。

引晶：当温度平静后，将籽晶与熔体来往，而后具备必要转速的籽晶按必要速度进取擢升，跟着籽晶飞腾硅在籽晶头部结晶，称为“引晶”或“下种”。

缩颈：在引晶后稍微升高温度，擢升拉速，拉一段直径比籽晶细的部份。其方针是清除来往不良引发的多晶和只管消除籽晶内原有位错的延长。颈通常要擅长20mm。

放肩：缩颈工艺结尾后，经由慢慢升高擢升速度及温度调度，使晶体直径逐突变大到所需的直径为止。在放肩时可鉴别晶体能否是单晶，不然要将其熔掉从头引晶。

等径成长：当晶体直径来到所需尺寸后，擢升拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后坚持晶体直径平静，即是等径成长。此时要矜重把持温度和拉速平静。单晶硅片取自于等径部份。

结尾：在长完等径部份以后，倘使立即将晶棒与液面隔开，那末效应力将使得晶棒呈现位错与滑移线。因而为了防止此题目的产生，必需将晶棒的直径缓缓收缩，直到成一尖点而与液面隔开。这一历程称之为结尾阶段。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时候后掏出，即结尾一次成长周期。

区熔法加工工艺：在真空或少有气体处境下的炉室中，哄骗电场给多晶硅棒加热，直到被加热地区的多晶硅消融，产生熔融区。用籽晶来往熔融区，并消融。使多晶硅上的熔融区继续上移，同时籽晶呆滞转动并向下拉伸，慢慢产生单晶硅棒。

环节二：切片。单晶硅棒磨成类似直径，而后依照客户请求的电阻率，用内径锯或线锯将晶棒切成约1mm厚的薄片，产生晶圆。依照当今的工艺、技能程度，为了升高硅材料的消耗、擢升临盆效率和表面品质，通常采取线切割办法实行切片。

环节三：倒角。硅片倒角加工的方针是消除硅片边际表面经切割加工所产生的棱角、裂痕、毛刺、崩边或其余的弊端以及各样边际表面混浊，进而升高硅片边际表面的粗拙度，增长硅片边际表面的机器强度、裁减颗粒的表面沾污。

环节四：研磨。在研磨机上用磨料将切片抛光到所需的厚度，同时擢升表面平坦度。研磨的方针是为了去除在切片工序中，硅片表面因切割产生的深度约20~25um的表面机器应力损伤层和表面的各样金属离子等杂质混浊，并使硅片具备必要的平缓表面。

环节五：蚀刻和抛光。经由化学蚀刻去除前方环节对晶圆表面产生的机器损伤，而后采取硅溶胶机器化学抛光法使晶圆表面越发平坦和光洁。

环节六：纯洁和查看。纯洁后，对产物实行矜重的品质查看，及格后出售给客户。也可进一步用来制做SOI、外表片等非凡硅片。

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