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本文參考自“國信證券：半導體系列報告”。半導體材料是一類具有半導體性能（導電能力介于導體與絕緣體之間）、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料，是半導體工業(yè)的基礎。半導體材料的研究始于 19 世紀，至今已發(fā)展至第四代半導體材料，各個代際半導體材料之間互相補充。

下載鏈接：

國信證券：半導體系列報告

半導體行業(yè)深度專題：EDA篇

異構芯片研究框架合集

第一代半導體：以硅（Si）、鍺（Ge）等為代表，是由單一元素構成的元素半導體材料。硅半導體材料及其集成電路的發(fā)展導致了微型計算機的出現(xiàn)和整個信息產(chǎn)業(yè)的飛躍。
第二代半導體：以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等為代表，也包括三元化合物半導體，如 GaAsAl、GaAsP，還包括一些固溶體半導體、非靜態(tài)半導體等。隨著以光通信為基礎的信息高速公路的崛起和社會信息化的發(fā)展，第二代半導體材料顯示出其優(yōu)越性，砷化鎵和磷化銦半導體激光器成為光通信系統(tǒng)中的關鍵器件，同時砷化鎵高速器件也開拓了光纖及移動通信的新產(chǎn)業(yè)。
第三代半導體：以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導體材料。具備高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率及抗強輻射能力等優(yōu)異性能，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景。
第四代半導體：以氧化鎵（Ga2O3）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）為代表的超寬禁帶半導體材料，禁帶寬度超過 4eV；以及以銻化物（GaSb、InSb）為代表的超窄禁帶半導體材料。超寬禁帶材料憑借其比第三代半導體材料更寬的禁帶，在高頻功率器件領域有更突出的特性優(yōu)勢；超窄禁帶材料由于易激發(fā)、遷移率高，主要用于探測器、激光器等器件的應用中。

硅材料制造全球絕大部分的半導體產(chǎn)品，也是占比最大的半導體制造材料。在 1950 年代初期，鍺是主要的半導體材料。但鍺半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到 1960 年代逐漸被硅材料取代。由于硅器件的漏電流要低得多，且二氧化硅是一種高質量的絕緣體，很容易作為硅器件的一部分進行整合，至今半導體器件和集成電路仍然主要用硅材料制成，硅產(chǎn)品構成了全球絕大部分半導體產(chǎn)品。

半導體硅片根據(jù)不同參數(shù)的分類

半導體硅晶圓（Semiconductor Silicon Wafer）是制造硅半導體產(chǎn)品的基礎，可根據(jù)不同參數(shù)進行分類。

根據(jù)尺寸（直徑）不同，半導體硅片可分為 2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）、12英寸（300mm），在摩爾定律影響下，半導體硅片正在不斷向大尺寸的方向發(fā)展，目前 8 英寸和 12 英寸是主流產(chǎn)品，合計出貨面積占比超過90%。

根據(jù)摻雜程度不同，半導體硅片可分為輕摻和重摻。重摻硅片的摻雜元素摻入量大，電阻率低,一般用于功率器件等產(chǎn)品；輕摻硅片摻雜濃度低，一般用于集成電路領域，技術難度和產(chǎn)品質量要求更高。由于集成電路在全球半導體市場中占比超過 80%，全球對輕摻硅片需求更大。

根據(jù)工藝，半導體硅片可分為研磨片、拋光片及基于拋光片制造的特殊硅片外延片、SOI 等。研磨片可用于制造分立器件；輕摻拋光片可用于制造大規(guī)模集成電路或作為外延片的襯底材料，重摻拋光片一般用作外延片的襯底材料。相比研磨片，拋光片具有更優(yōu)的表面平整度和潔凈度。

在拋光片的基礎上，可以制造出退火片、外延片、SOI 硅片和結隔離硅片等。退火片在氫氣或氬氣環(huán)境下對拋光片進行高溫熱處理，以去除晶圓表面附近的氧氣，可以提高表面晶體的完整性。外延片是在拋光片表面形成一層氣相生長的單晶硅，可滿足需要晶體完整性或不同電阻率的多層結構的需求。SOI 硅片（Silicon-On-Insulator）是在兩個拋光片之間插入高電絕緣氧化膜層，可以實現(xiàn)器件的高集成度、低功耗、高速和高可靠性，在活性層表面也可以形成砷或砷的擴散層。結隔離硅片是根據(jù)客戶的設計，利用曝光、離子注入和熱擴散技術在晶圓表面預形成 IC 嵌入層，然后再在上面生長一層外延層。

根據(jù)應用場景不同，半導體硅片可分為正片、假（陪）片。正片（Prime Wafer）用于半導體產(chǎn)品的制造，假片（Dummy Wafer）用來暖機、填充空缺、測試生產(chǎn)設備的工藝狀態(tài)或某一工藝的質量狀況。假片一般由晶棒兩側品質較差部分切割而來，由于用量巨大，在符合條件的情況下部分產(chǎn)品會回收再利用，回收重復利用的硅片稱為可再生硅片（Reclaimed Wafer）。據(jù)觀研網(wǎng)數(shù)據(jù)，65nm 制程的晶圓代工廠每 10 片正片需要加 6 片假片，28nm 及以下制程每 10 片正片則需要加 15-20 片假片。

半導體硅片制造流程復雜，主要包括拉單晶和硅片的切磨拋外延等工藝。半導體硅片的生產(chǎn)流程復雜，涉及工序較多。研磨片工序包括拉單晶、截斷、滾圓、切片、倒角、研磨等，拋光片是在研磨片的基礎上經(jīng)邊緣拋光、表面拋光等工序制造而來；拋光片經(jīng)外延工藝制造出硅外延片，經(jīng)退火熱處理制造出硅退火片，經(jīng) 特殊工藝制造出絕緣體上硅 SOI。硅片制造過程中需要經(jīng)過多次清洗，在銷售給客戶之前還需要經(jīng)過檢驗和包裝。

步驟一：拉單晶。電子級高純度多晶硅通過單晶生長工藝可拉制成單晶硅棒，常用方法有直拉法（Czochralsk，CZ 法）和區(qū)熔法（Float-Zone，F(xiàn)Z 法）兩種。FZ 法純度高，氧含量低，電阻率較高，能耐高壓，但工藝難度大，大尺寸硅片制備困難且成本高，因此主要以 8 英寸及以下尺寸為主，主要用于中高端功率器件。CZ 法氧含量高，更容易生產(chǎn)出大尺寸單晶硅棒，工藝也已成熟，成本較低，因此目前半導體行業(yè)主要采用 CZ 法拉制單晶硅棒。拉單晶技術直接決定了位錯、COP （crystal originated pit,晶體原生凹坑）、旋渦等晶體原生缺陷的密度及電阻率、電阻率梯度、氧、碳含量等晶體技術指標的好壞，是半導體硅片生產(chǎn)工序中最為核心的技術。

直拉法加工工藝：

裝料：將多晶硅和摻雜劑放入單晶爐內的石英坩堝內，摻雜劑的種類依所需生長的電阻率而定，主要有生長 P 型的硼和生長 N 型的磷、砷、銻等。
熔化：裝料結束后，加熱至硅熔化溫度（1420℃）以上，將多晶硅和摻雜劑熔化，揮發(fā)一定時間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱 “烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質同時可減少熱沖擊。
引晶：當溫度穩(wěn)定后，將籽晶與熔體接觸，然后具有一定轉速的籽晶按一定速度向上提升，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結晶，稱為“引晶”或“下種”。
縮頸：在引晶后略微降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內原有位錯的延伸。頸一般要長于 20mm。
放肩：縮頸工藝完成后，通過逐漸降低提升速度及溫度調整，使晶體直徑逐漸變大到所需的直徑為止。在放肩時可判別晶體是否是單晶，否則要將其熔掉重新引晶。
等徑生長：當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時要嚴格控制溫度和拉速不變。單晶硅片取自于等徑部分。
收尾：在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么效應力將使得晶棒出現(xiàn)位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為收尾階段。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出，即完成一次生長周期。