半導體材料的過去、現(xiàn)在和將來（２）

王占國

硅單晶及其外延

現(xiàn)在的電子元器件90%以上都是由硅材料制備的,全世界與硅相關(guān)的電子工業(yè)產(chǎn)值已超過1萬億美元.直拉法是目前主要用于生產(chǎn)硅單晶的方法.20世紀50年代到60年代,用直拉法拉出的硅單晶直徑只有2英寸.目前,直徑為8英寸?12英寸的硅單晶都已實現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn).預計到2016年,18英寸的硅單晶和硅外延材料可能用于集成電路制造,27英寸的硅單晶的研制也正在籌劃中.

硅的直徑為什么不是按6英寸?8英寸?10英寸?12英寸?14英寸發(fā)展,而是從8英寸到12英寸,由12英寸到18英寸,從18英寸到27英寸發(fā)展呢?原因是硅集成電路的發(fā)展遵循《摩爾定律》.所謂《摩爾定律》,就是每18個月,集成電路的集成度增加一倍,而它的價格也要降低一半左右.比如用12英寸的硅片要比用8英寸硅片生產(chǎn)的芯片成本低得多.目前在大城市里,差不多每家每戶,甚至每個人都有一個PC機,不僅機器性能好,價格也很低.這正是由于硅單晶的直徑增大帶來的好處.

隨著硅單晶的直徑增大,氧等雜質(zhì)在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻,這將嚴重影響集成電路的成品率,特別是高集成度電路.為避免氧的沉淀帶來的問題,可采用外延的辦法解決.何為外延?即用硅單晶片為襯底,然后在其上通過氣相反應(yīng)方法再生長一層硅,這層硅的厚度可達2 μm?1 μm甚至0.5 μm.這一層外延硅中的氧含量可以控制到10¹⁶個 / cm³以下,器件和電路就做在外延硅上,而不是原來的硅單晶上,這樣就可以解決由氧導致的問題.盡管成本有所增加,但集成電路的集成度和運算速度都得到了顯著提高,這是目前硅技術(shù)發(fā)展的一個重要方向.

硅材料的發(fā)展趨勢

從提高集成電路的成品率?降低成本看,增大硅單晶的直徑是發(fā)展的大趨勢,即硅單晶的直徑向12英寸?18英寸方向發(fā)展.從提高硅集成電路的速度和它的集成度看,發(fā)展適用于納米電路的硅外延技術(shù),制備高質(zhì)量硅外延材料是關(guān)鍵.如前文所述,硅單晶中氧的沉淀將產(chǎn)生微缺陷.目前集成電路的線條寬度已達到0.1 μm以下,如果缺陷的直徑大小為1μm或者是0.5μm,一個電路片上有一個缺陷就會導致整個片子失效,這對集成電路的成品率將帶來嚴重影響.

目前全世界電子級硅單晶的產(chǎn)量大約是10 000 t,我國每年大約生產(chǎn)500 t,多是來料加工.制備硅單晶的原材料是多晶硅,而我國多晶硅的年產(chǎn)量不足100 t,約占全世界的千分之幾.今后幾年,我國的多晶硅和硅單晶材料以及微電子技術(shù)預計將有一個大的發(fā)展.

從集成電路的線寬來看,我國目前集成電路工藝技術(shù)水平在0.25 μm~0.09 μm,而國際上目前的生產(chǎn)技術(shù)已達到65 nm.中芯國際在北京建成投產(chǎn)的集成電路生產(chǎn)線已進入90 nm,并即將升級到65 nm,我國的微電子集成電路技術(shù)同國外的差距大大地縮短了.

責任編輯 程 哲