1、1 1 行 业 及 产 业 行 业 研 究 / 行 业 深 度 证 券 研 究 报 告 电子/ 半导体 2020 年 09 月 24 日 半导体硅片行业全攻略 看好 半导体行业深度 相关研究 集成电路全产业链迎新政策红利-新 时期促进集成电路产业和软件产业高质 量发展的若干政策解读 2020 年 8 月 5 日 证券分析师 杨海燕 A0230518070003 联系人 杨海燕 (8621)232978187467 本期投资提示： 半导体产业内涵丰富，涵盖材料至芯片。半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之 间的材料。提尔在德仪用拉单晶方法制成了世界上第一枚硅晶体管，才开启了硅为主体的 固态电

2、子时代。除硅、锗等单元素半导体外，通过结合元素周期表第四族两边的元素，改 变晶体的原子结构，形成 GaAs、SiC、GaN 等二元化合物半导体材料。化合物半导体的 优越性能主要体现在速度、感光性以及功率三个方面。 半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的关键材料，目前 90%以上 的半导体产品使用硅基材料制造。硅作为半导体材料的优势：1）硅在地球上储量达到 26.8%，仅次于氧；2）硅的能隙较大，使其具有较高的操作温度及较低的漏电流；3）硅 片表面的 SiO2 层能耐高温，对硅片起保护作用。半导体硅片是生产集成电路、分立器件、 传感器等半导体产品的关键材料。 硅晶圆厂商将多晶硅

3、加工成硅片。硅晶圆制造厂将此多晶硅加热融解，并于熔融液掺入一 小粒的硅晶体晶种，将其缓慢地拉出成形，让多晶硅被拉成不同直径大小的单晶硅晶棒， 因硅晶棒是由一颗小晶粒在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为长晶。硅晶棒再经过 切片、磨片、倒角、热处理、抛光、清洗等加工制程，即可成为集成电路产业重要原料硅 晶圆（硅片） ，硅片表面的平坦度为 1 微米以下。 半导体硅片占半导体制造材料市场规模比重约 37%，位于半导体制造三大核心材料之首。 每块空白硅晶圆经过复杂的化学和电子制程后，可布设多层精细的电子电路，在晶圆厂内 制造芯片电路后，再经切割、测试、封装等程序，即成为一颗颗 IC。半导体材料材料按应

4、 用领域分为晶圆制造材料和封装材料。晶圆制造端材料包括硅晶圆、光刻胶、光掩膜版、 特种气体、CMP 抛光材料、湿电子化学品、溅射靶材等组成，后端封装材料包括导线架和 基板、陶瓷封装、封装树脂、焊线和黏合剂等。其中，硅晶圆、特种气体、掩膜版的市场 规模占比较大，且以美日企业为主导。 硅晶圆市场周期性存在以下主要特点: 1)12“硅晶圆需求景气主要由手机、PC、Tablet 等 消费电子产品创新周期驱动，8”硅晶圆需求由汽车电子、功率、指纹识别等产品需求。2） 由于下游电子产品对硅片需求不断增长，全球 12 英寸出货量呈现稳定上升趋势。 2013-2019，全球 12”硅晶圆月出货量从 4KK 提

5、升到 6KK。3）硅晶圆行业价格受开工 率、客户库存以及终端产品价格等因素影响，由于重资产属性，硅晶圆代表企业盈利能力 也受波动影响。4）由于硅晶圆供应商 50%以上集中于日本，而半导体产业相对分散于全 球，因此日元汇率也是造成硅晶圆与半导体市场周期背离的重要原因。2019Q4 季度，8” 及 12”硅晶圆市场需求均见底，自 2020Q1 起 200mm/300mm 需求稳步回升。 建议重点关注国产替代的沪硅产业、中环股份、神工股份，国内硅晶圆产业起点低、起步 晚，在下游晶圆厂及 IC 设计国产化趋势下，上升空间巨大。 风险提示：技术追赶进度、新产品送样不及预期。 请务必仔细阅读正文之后的各项

6、信息披露与声明 2 2 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 2 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 投资案件 结论和投资建议 半导体材料技术壁垒高，半导体行业国产化必然引发硅材料国产化需求。建议重点 关注国产替代三个上市标的沪硅产业、中环股份、神工股份。 原因及逻辑 1）跟随摩尔定律演进，集成电路制造所用的主流晶圆直径从 4 英寸、6 英寸、8 英寸发展到 12 英寸。新兴需求迭起，8 寸晶圆厂出现阶段性产能紧张；此外，450mm 晶圆投产节奏一再低于预期，节奏上给后进厂商追赶机会。 2）从硅晶圆材料到芯片的国产化率均较低，12 英寸晶圆从 2018 年才开始有所突 破

7、。8 英寸晶圆在成熟制程及特殊制程具有优势，需求占比预计将维持 20%以上。8 英 寸产线因折旧完毕具有成本优势，同时在模拟电路、高功率等晶圆生产具有优势。据 SEMI 最新报告，2019 年底有 15 个新 Fab 厂开工建设，总投资金额达 380 亿美元， 其中约有一半用于 8 英寸晶圆尺寸，为国产化提供了条件。 有别于大众的认识 市场认为国内硅晶圆会过度投资，我们认为国内硅晶圆产业起点低、起步晚，且长 晶技术是决定硅片参数的核心环节， 主要体现在炉内温度的热场和控制晶体生长形状的 磁场设计能力。硅抛光晶圆的主要技术指标包括直径、晶体工艺、掺杂剂、晶向、电阻 率、厚度等，其他质量指标包括缺

8、陷密度、氧含量、碳含量、翘曲度等，其中大部分参 数由长晶技术决定。 下游芯片制程的技术节点越先进， 对应的硅片上述指标控制越严格， 不同的技术节点对应的指标控制参数会有相差。因此，硅晶圆产业技术难度决定了产业 链公司从研发到具有市场竞争力，仍然是漫长的过程，只有技术积累和人才优势的厂商 可以实现率先量产，此外扩产周期也受到半导体市场周期影响，因此只有少数公司可以 在国产化实现弯道超车。 风险提示：技术追赶进度、新产品送样不及预期。 oPtMoRrNoQmQsOmRpNsMrO9P8Q6MmOnNpNrReRnNuNlOtRmRaQrRyRvPmNpNMYmNpQ 3 3 行业深度 请务必仔细阅

9、读正文之后的各项信息披露与声明 第 3 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 1.硅片，从沙石到电路的载体 . 6 1.1 半导体材料纵观 . 6 1.2 从矿石到芯片 . 6 2.硅晶圆的三种重要分类. 9 2.1 按制程分类 . 9 2.1.1 抛光晶圆 . 9 2.1.2 退火晶圆 . 10 2.1.3 外延晶圆 . 11 2.1.4 SOI，硅的异质外延 . 12 2.2 按应用场景分为正片、陪片和刻蚀电极 . 14 2.3 12 寸晶圆出货面积占比逾六成 . 15 3.硅晶圆的技术与投资壁垒 . 17 3.1 硅晶圆生长工艺及技术壁垒 . 17 3.2 硅晶圆厂商资金壁垒高 . 19

10、 4硅晶圆十年周期复盘 . 20 5硅材料竞争格局分析 . 23 5.1 CR5 维持 90%市占率近 20 年 . 23 5.2 硅晶圆主要上市公司 . 23 5.2.1 信越化学 . 23 5.2.2 SUMCO . 25 5.2.3 环球晶圆 . 25 5.2.4 Siltronic . 26 5.2.5 SK Siltron . 27 5.2.6 沪硅产业 . 27 5.2.7 中环股份 . 27 5.2.8 神工股份 . 28 目录 4 4 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 4 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 图表目录 图 1：硅晶圆在硅产业链中的位置

11、. 7 图 2：从矿石到单晶硅片的加工流程 . 7 图 3：硅晶圆为半导体产业链上游材料 . 8 图 4：2016-2019 年度全球半导体硅材料市场规模（单位：亿美元） . 8 图 5：从硅棒到抛光片、特殊硅片流程图 . 9 图 6：退火片结构及生产原理 . 10 图 7：外延晶圆结构图 . 11 图 8：SOI 硅片的四种结构 . 12 图 9：SOI 四种工艺 . 13 图 10：SOI 在手机、汽车、云计算、IoT 的应用 . 13 图 11：刻蚀用单晶硅用于电极材料 . 14 图 12：晶圆直径尺寸从 100mm 增至 450mm . 15 图 13：全球晶圆 12 寸占 70%，8

12、 寸占 23%，6 寸以下占 6% . 16 图 14：直拉法生产单晶硅棒示意图 . 17 图 15：直拉法生产晶棒示意图 . 18 图 16：电子级晶体生长炉 . 18 图 17：单晶硅棒及抛光片加工流程 . 19 图 18：硅晶圆龙头固定资产周转率仅约 2 倍 . 20 图 19：沪硅产业硅晶圆成本结构 . 20 图 20：2013-2019，全球 12”硅晶圆月出货量从 4KK 提升到 6KK . 20 图 21：全球半导体及硅片市场规模（亿美元） . 21 图 22：硅晶圆大厂营业利润率历史波动（%） . 22 图 23：2007 全球半导体硅片行业格局 . 23 图 24：2018

13、年半导体硅片行业格局 . 23 图 25：信越化学发展历程 . 24 图 26：信越化学硅晶圆营业利润率升至 37%（十亿日圆，%） . 24 图 27：SUMCO 发展历程 . 25 图 28：环球晶圆发展历程 . 26 5 5 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 5 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 图 29：Siltronic 发展历程 . 26 表 1：典型 1um CMOS 工艺条件下体硅和 SOI 器件的寄生电容（pF/um） 12 表 2：抛光片核心技术参数 . 19 6 6 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 6 页 共 30 页

14、 简单金融 成就梦想 1.硅片，从沙石到电路的载体 1.1 半导体材料纵观 半导体产业内涵丰富，涵盖材料至芯片。半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘 体之间的材料。 原本半导体是指半导体材料， 现在也指材料上做成的集成电路， 用在电脑、 手机、电视、数码音乐播放器、数码相机、手提游戏机等等，这些统称为半导体电子器件。 半导体与收音机的渊源。收音机经历了真空电子管、晶体管技术时代，晶体管收音机 是半导体晶体管的第一个商业化产品，因此民间将收音机称为半导体。半导体收音机在上 世纪 60 年代起风靡全球，成为重要的“家电”产品；1965 年，半导体收音机的产量超过 了电子管收音机的产量；1980

15、年左右是收音机市场发展的高峰时期1。 固态电子时代的开端，经历了从锗到硅。半导体的研究起源于固体物理及电子科学的 研究，1938 年，萧基的论文金属与半导体界面整流首次将固体物理的基础研究与半导 体组件性能连接起来，解释了 1874 年科学家布劳恩在矿石里发现的固体整流现象。1947 年底，首个晶体管在贝尔实验室诞生。因为锗的处理相对容易，锗晶的熔点低只有 900 多 摄氏度，而硅的熔点在 1420 度，因此固体物理的早期研究基于锗晶做晶体管。但是，硅制 晶体管最大的优点在于可以在 100 度的高温环境下运用， 而锗晶体管到 70 度就没有功能， 严重限制了应用范围。直到 1954 年，提尔在

16、德仪用直拉单晶法长晶，并制成了世界上第 一枚硅晶体管，才开启了硅为主体的固态电子时代。 硅作为半导体材料的优势：1）硅在地球上储量达到 26.8%，仅次于氧；2）硅的能隙 较大（1.13V），使其具有较高的操作温度及较低的漏电流；3）硅片表面的 SiO2层能耐高 温，对硅片起保护作用。半导体硅片是生产集成电路、分立器件、传感器等半导体产品的 关键材料。 目前 90%以上的半导体产品使用硅基材料制造，除硅、锗等单元素半导体外，通过结 合元素周期表第四族两边的元素（如 IIIV 族），改变晶体的原子结构，形成 GaAs、SiC、 GaN 等二元化合物半导体材料。化合物半导体的优越性能主要体现在速度

17、、感光性以及功 率三个方面：1）速率：GaAs 及 InP 之类的化合物半导体的运行速率可以比单晶硅高几个 数量级。2）光谱：与单晶硅不同，化合物半导体可以生成、接受的频谱范围广泛，从高频 紫外光至长波长的红外光。3）功率 SiC、GaN 类化合物导体可以高功率（高电压、大电 流）运行，并且在功率转换、高频领域也十分有效。化合物半导体在宽禁带、电子迁移率 上远高于单晶硅，尤其适用于射频、光电子、功率半导体。 1.2 从矿石到芯片 硅片（又称晶圆，wafer）是光伏、半导体行业广泛使用的基底材料。其中，适用于集 成电路行业的是半导体级的硅片半导体硅片对产品质量及一致性要求极高，其纯度须达 1 电

18、子发烧友， 为什么叫半导体收音机 。 7 7 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 7 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 99.9999999%以上，而最先进的工艺甚至需要做到 99.999999999%（11 个 9）。光伏级 单晶硅片仅需 6 个 9 即可满足应用需求，所以半导体生产所用硅片的制备难度远大于光伏 级硅片。 图 1：硅晶圆在硅产业链中的位置 资料来源：申万宏源研究 从矿石到多晶硅片。硅晶圆/硅片为目前制作集成电路的基底材料，其原始材料硅是第 二丰富的元素， 构成地壳总质量的 26.4%， 仅次于第一位的氧 49.4%。 地壳表面取之不尽、 用之不竭的二

19、氧化硅矿石，放入一个温度约为 2000电弧熔炉中，在高温下，碳和沙石中 的二氧化硅进行化学反应，得到纯度约为 98%的冶金级硅，这对微电子器件来说不够纯， 因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感，因此需对冶金级硅进行进一步提纯。 将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学 还原工艺， 得到了纯度高达 9 个 9 以上的电子级多晶硅。 多晶硅内部不同的区域晶向不同， 在区域之间会产生晶界，仍容易滞留杂质。 图 2：从矿石到单晶硅片的加工流程 资料来源：上海新昇，申万宏源研究 硅晶圆厂商将多晶硅加工成硅片。硅晶圆制造厂将此多晶硅加热融解，放入一根硅晶 体籽

20、晶，与熔融液接触并将其缓慢地拉出成形，拉出与籽晶同样晶向的单晶硅棒。因硅晶 棒是由一根晶棒在熔融态的硅原料中逐渐生长而成， 此过程称为长晶。 硅晶棒再经过切片、 8 8 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 8 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 磨片、倒角、热处理、抛光、清洗等加工制程，即可成为集成电路产业重要原料硅晶圆（硅 片），硅片表面的平坦度要求在微米及亚微米级。 每块空白硅晶圆经过复杂的化学和电子制程后，可布设多层精细的电子电路，在晶圆 厂内制造芯片电路后，再经切割、测试、封装等程序，即成为一颗颗 IC。半导体制造流程 系包括 IC 设计、IC 晶圆制造、IC

21、封装、IC 测试等阶段。随着整体半导体的垂直分工整合 的趋势演进，依制造流程可区分为上游 IC 设计公司与硅晶圆制造公司，由 IC 设计公司依 客户的需求设计出电路图，硅晶圆制造公司则以多晶硅为原料制造出硅晶圆；中游 IC 晶圆 制造厂则根据设计好的电路图， 在晶圆上以光罩印上电路基本图样， 再以氧化、 扩散、 CVD、 蚀刻、 离子植入等方法， 在晶圆上制作电路及电路上的组件； 完成后再送往下游之 IC 封装、 测试厂，将加工完成的晶圆，经切割过后的晶，以塑料、陶瓷或金属包覆，保护晶以 免受污染且易于装配，并达成芯片与电子系统的电性连接与散热效果，最后进行 IC 功能、 电性与散热等测试。

22、半导体硅片占半导体制造材料市场规模比重约 37%，位于半导体制造三大核心材料之 首。半导体材料材料按应用领域分为晶圆制造材料和封装材料。晶圆制造端材料包括硅晶 圆、光刻胶、光掩膜版、特种气体、CMP 抛光材料、湿电子化学品、溅射靶材等组成，后 端封装材料包括导线架和基板、陶瓷封装、封装树脂、焊线和黏合剂等。其中，硅晶圆、 特种气体、掩膜版的市场规模占比较大，且以美日企业为主导。 图 3：硅晶圆为半导体产业链上游材料 资料来源：申万宏源研究 受半导体市场规模下降影响， 2019 年全球半导体材料市场规模为 521 亿美元， 同比下 降 1.1%。 据 Semi 数据， 2018 年全球半导体硅材

23、料市场规模 121 亿美元， 同比增长 32%； 2019 年全球半导体硅片市场增长率为-3%。 图 4：2016-2019 年度全球半导体硅材料市场规模（单位：亿美元） 9 9 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 9 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 资料来源：SEMI，申万宏源研究 2.硅晶圆的三种重要分类 2.1 按制程分类 2.1.1 抛光晶圆 硅晶圆材料按照制程设计和产品差异，主要分为抛光片(polished wafer)、退火片 (annealed wafer)及外延片(磊晶晶圆，epitaxial wafer)三种，其他特殊工艺包括 SOI 等。 抛光片

24、约占硅片应用的 70%，广泛用于数字与模拟集成电路及存储器、功率器件等芯片， 其余约 30%硅片以退火晶圆、外延晶圆等形式出货。 从硅棒到硅片。高纯度电子级多晶硅经由长晶(crystal pulling)、切片(slicing)、磨边 (beveling)、磨面(lapping)、蚀刻(etching)、抛光(polishing)、清洗(cleaning)等步骤， 而生成一符合电性、表面物性、杂质标准等规格的抛光晶圆，退火、外延、SOI 等特殊工 艺制程晶圆基于抛光晶圆加工而成。 图 5：从硅棒到抛光片、特殊硅片流程图 资料来源：SUMCO，申万宏源研究 长晶环节的掺杂剂决定硅片的导电类型。半

25、导体中有两种载流子，即价带中的空穴和 导带中的电子，以电子导电为主的半导体称之为 N 型半导体，以空穴导电为主的半导体称 为 P 型半导体。在长晶环节中，超纯多晶硅在石英坩埚中熔化，掺杂族元素(磷、砷、锑 等)，当杂质原子以替位方式取代晶格中的锗、硅原子时，可提供除满足共价键配位以外的 1010 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 10 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 一个多余电子，这就增加了半导体中电子浓度，称为 N 型半导体；若掺入 III 族硼元素则出 现空穴，形成 P 型半导体。 以加入元素的比例不同分为轻掺杂、中掺杂和重掺杂。重掺杂的半导体中，掺杂物与 半

26、导体原子浓度比约千分之一；轻掺杂/低掺杂的浓度比可能会到十亿分之一。半导体的电 阻率（10-3cm 109cm），利用掺杂技术可以决定硅单晶棒的种类以及相对应的 电阻，重掺杂产品的电阻率通常小于 1cm。 抛光片 （PW， polished wafer） 是单面或双面被抛光成具有原子级平坦度的硅芯片， 约占硅片应用的 70%。单晶硅晶棒生产出来后，从晶棒的圆柱状单晶硅切割成薄片而成， 属于高纯度的硅元素的晶圆片。抛光目的是进一步去除加工表面残留的损伤层，抛光片可 直接用于制作器件，也可作为外延的衬底材料。 2.1.2 退火晶圆 退火晶圆（退火片，Annealed wafer）是将已抛光晶圆置于

27、扩散炉中，利用高纯度 氢气退火片是将抛光片置于退火炉/扩散炉中，在氢气或氩气氛中于 11001200C 高温下 对硅晶圆片实施退火处理，经数小时之后可将晶圆片表层部的氧气向外加以扩散，可使表 层之氧浓度大幅降低，同时可消除拉晶过程中所形成的微小 COP(Crystal Originated Particle)缺陷。 并且藉由高温热处理过程当中所形成的 BMD(Bulk Micro Defect)来吸附晶 圆表面快速扩散的金属杂质，以提升半导体 IC 制程良率及产品品质。 使用 Annealed wafer 制品之主要目的是消除晶圆表面及表层部的组件制作区域上的 缺陷，并且具有很强的重金属污染捕

28、获能力。一般 CMOS 组件制作及 DRAM 制造厂商对 于晶圆片表层之缺陷要求相当的严格，故使用具有低缺陷密度(COP、表 OSF)的退火晶圆 可以有较高的氧化层崩溃电压(gate oxide breakdown voltage 或 GOI)， 以增加产品良率。 此外，从抛光片加工成退火片工艺相对简单，因此退火片的单价低于外延晶圆单价，可以 部分替代薄膜外延片的需求。 图 6：退火片结构及生产原理 资料来源：SUMCO，申万宏源研究 1111 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 11 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 2.1.3 外延晶圆 外延片 （磊晶晶圆， ep

29、itaxial wafer)是指在抛光晶圆表面外延生长出一层不同电阻率 的单晶薄膜。通过气相外延沉积的方法在衬底上进行长晶，与最下面的衬底结晶面整齐排 列进行生长，新生长的单晶层称为外延层，长了外延片的衬底称为外延片。作为衬底的单 晶硅片根据尺寸不同，厚度位于 500-800 微米，常用的外延层厚度为 2-20 微米。 为什么需要外延工艺？外延生长技术发展于 20 世纪 50 年代末 60 年代初，为了制造 高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻。随着半导体器件性能的要求不断提高，对单 晶硅片的要求越来越高，控制硅单晶片的原生缺陷变得越来越难，因此硅外延片越来越多 地被采用。外延片具有抛光片所

30、不具有的某些电学特性，并消除了许多在晶体生长和其后 的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶 层，可以较好地控制膜的纯度、膜的完整性以及掺杂级别。 图 7：外延晶圆结构图 资料来源：IQE，申万宏源研究 外延片分类方式较多，可以按反应室、外延温度、材料异同、外延厚度、掺杂浓度、 导电类型、外延生长方式等分类，以下介绍两种主要的分类方法： 按照衬底与外延层材料，可分为同质外延与异质外延。当外延膜在同一种材料上生长 时，称为同质外延，如硅基外延硅；在不同材料上生长外延则称为异质外延，如硅基氮化 镓（GaN on Si）。 按照原子输入方式， 主要分为气相外延

31、 （VPE） 、 液相外延 （LPE） 、 固相外延 （SPE） 。 气相外延方式常用来生长 Si 外延材料、GaAs 外延材料等；液相外延主要用于生长制造光 电器件所需的化合物外延功能薄层材料； 其中， 化学气相沉积(CVD)生长方法应用最为广泛， 满足晶体的完整性、器件结构的多样化，装置可控简便，批量生产、纯度的保证、均匀性 要求。 在化合物半导体的广泛应用， 分子束外延 （MBE） 、 金属有机化学气相沉积 （MOCVD） 也成为重要的外延生长方式。MBE 广泛地用于获得超薄层异质结外延功能材料，优点是材 料的质量非常好，但是生长速度比较慢。MOCVD 采用液相状态的金属有机化合物同汽态

32、 的氢化物作为沉积源原材料，以热分解反应方式沉积形成外延层，MOCVD 方法可以获得 -V 族、-族化合物晶层及它们的多元超薄单晶层。 1212 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 12 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 外延片主要技术指标包括产品直径、外延厚度、外延电阻率、外延层厚度均匀性、电 阻均匀性、表面缺陷等。外延硅晶圆广泛使用在二极管、IGBT 功率器件、低功耗数字与模 拟集成电路及移动计算通讯芯片等，为了满足不同的要求，衬底及外延层的技术参数通常 根据客户要求及下游产品定制。 2.1.4 SOI，硅的异质外延 SOI（绝缘体上硅，Silicon-On-In

33、sulator）属于硅的异质外延，原理是在硅晶体管 之间加入绝缘层。SOI 硅片是差异化、功能性集成电路衬底材料，其全介质隔离特征能够 实现全新的、不同于抛光片和外延片的器件设计。SOI 可使硅之间的寄生电容减少一半， 由于 SOI 硅片具有寄生电容小、短沟道效应小、继承密度高、速度快、功耗低等优点。 表 1：典型 1um CMOS 工艺条件下体硅和 SOI 器件的寄生电容（pF/um） 电容类型 体硅 SOI（SIMOX） 电容比（体硅/SOI） 栅 1.3 1.3 1 结与衬底 0.2-0.35 0.05 4-7 多晶硅与衬底 0.1 0.04 2.5 金属 1 与衬底 0.05 0.02

34、7 1.85 金属 2 与衬底 0.021 0.018 1.16 资料来源：百度，申万宏源研究 图 8：SOI 硅片的四种结构 资料来源：SOITEC，申万宏源研究 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，一般为二氧化 硅 SiO2层。SOI 硅片的制造方法主要有四种：SIMOX 技术、Bonding 技术、Sim-bond 技术和 Smart-Cut 技术。 1313 行业深度 请务必仔细阅读正文之后的各项信息披露与声明 第 13 页 共 30 页 简单金融 成就梦想 SIMOX 即注氧隔离技术， 通过氧离子注入和退火两个关键步骤在普通半导体硅片内部 嵌入氧化物隔离

35、层， 从而制备 SOI 硅片。 SIMOX 适合于制作薄膜全耗尽超大规模集成电路。 Bonding 即键合技术，是通过将两片普通半导体硅片氧化、键合以及退火加固后，通 过研磨与抛光将其中一个半导体硅片减薄到所要求的厚度来制备 SOI 硅片的方法。 Sim-bond 即注氧键合技术，通过在硅材料上注入离子并结合高温退火，形成分布均 匀的离子注入层作为化学腐蚀阻挡层，实现对最终器件层的厚度及其均匀性的良好控制。 Sim-bond 技术制备的 SOI 硅片具有优越的顶层硅均匀性，同时也能得到厚的绝缘埋层， 因此广泛应用于汽车电子、硅光子等领域。 Smart Cut 即智能剥离技术，是世界领先的 SO

36、I 制备技术，通过氢离子注入实现硅层 的可控转移。氢注入不会导致硅片晶格的损伤，大幅度提升了顶层硅晶体质量，达到与体 硅晶体质量相同的水准。此外，剥离的硅片衬底经过抛光加工后重复使用，大幅度降低了 生产成本；顶层硅厚度可以通过氢离子的注入能量来调节，可以满足顶层硅厚度 1.5m 以 下各类 SOI 硅片领域的应用。因此广泛应用于汽车电子、硅光子、射频前端芯片等领域。 图 9：SOI 四种工艺 资料来源：沪硅股份，申万宏源研究 SOI 产品主要应用包括数字 SOI、RF-SOI、功率 SOI、FD SOI、光学 SOI，近年应 用从数字向射频、功率等领域拓展。数字 SOI 用于处理器芯片和连接 SoC；RF SOI 应