半导体材料的过去、现在和将来（２）

王占国

硅单晶及其外延

现在的电子元器件90%以上都是由硅材料制备的,全世界与硅相关的电子工业产值已超过1万亿美元.直拉法是目前主要用于生产硅单晶的方法.20世纪50年代到60年代,用直拉法拉出的硅单晶直径只有2英寸.目前,直径为8英寸､12英寸的硅单晶都已实现了规模生产.预计到2016年,18英寸的硅单晶和硅外延材料可能用于集成电路制造,27英寸的硅单晶的研制也正在筹划中.

硅的直径为什么不是按6英寸､8英寸､10英寸､12英寸､14英寸发展,而是从8英寸到12英寸,由12英寸到18英寸,从18英寸到27英寸发展呢?原因是硅集成电路的发展遵循《摩尔定律》.所谓《摩尔定律》,就是每18个月,集成电路的集成度增加一倍,而它的价格也要降低一半左右.比如用12英寸的硅片要比用8英寸硅片生产的芯片成本低得多.目前在大城市里,差不多每家每户,甚至每个人都有一个PC机,不仅机器性能好,价格也很低.这正是由于硅单晶的直径增大带来的好处.

随着硅单晶的直径增大,氧等杂质在硅锭和硅片中的分布也变得不均匀,这将严重影响集成电路的成品率,特别是高集成度电路.为避免氧的沉淀带来的问题,可采用外延的办法解决.何为外延?即用硅单晶片为衬底,然后在其上通过气相反应方法再生长一层硅,这层硅的厚度可达2 μm､1 μm甚至0.5 μm.这一层外延硅中的氧含量可以控制到10¹⁶个 / cm³以下,器件和电路就做在外延硅上,而不是原来的硅单晶上,这样就可以解决由氧导致的问题.尽管成本有所增加,但集成电路的集成度和运算速度都得到了显著提高,这是目前硅技术发展的一个重要方向.

硅材料的发展趋势

从提高集成电路的成品率､降低成本看,增大硅单晶的直径是发展的大趋势,即硅单晶的直径向12英寸､18英寸方向发展.从提高硅集成电路的速度和它的集成度看,发展适用于纳米电路的硅外延技术,制备高质量硅外延材料是关键.如前文所述,硅单晶中氧的沉淀将产生微缺陷.目前集成电路的线条宽度已达到0.1 μm以下,如果缺陷的直径大小为1μm或者是0.5μm,一个电路片上有一个缺陷就会导致整个片子失效,这对集成电路的成品率将带来严重影响.

目前全世界电子级硅单晶的产量大约是10 000 t,我国每年大约生产500 t,多是来料加工.制备硅单晶的原材料是多晶硅,而我国多晶硅的年产量不足100 t,约占全世界的千分之几.今后几年,我国的多晶硅和硅单晶材料以及微电子技术预计将有一个大的发展.

从集成电路的线宽来看,我国目前集成电路工艺技术水平在0.25 μm~0.09 μm,而国际上目前的生产技术已达到65 nm.中芯国际在北京建成投产的集成电路生产线已进入90 nm,并即将升级到65 nm,我国的微电子集成电路技术同国外的差距大大地缩短了.

责任编辑 程 哲