半導(dǎo)體材料的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)（２）

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(guò)1萬(wàn)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(jì)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#65380;12英寸的硅單晶都已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn).預(yù)計(jì)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#65380;8英寸#65380;10英寸#65380;12英寸#65380;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(gè)月，集成電路的集成度增加一倍，而它的價(jià)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(gè)人都有一個(gè)PC機(jī)，不僅機(jī)器性能好，價(jià)格也很低.這正是由于硅單晶的直徑增大帶來(lái)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(yán)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(lái)的問(wèn)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(guò)氣相反應(yīng)方法再生長(zhǎng)一層硅，這層硅的厚度可達(dá)2 μm#65380;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(gè) / cm³以下，器件和電路就做在外延硅上，而不是原來(lái)的硅單晶上，這樣就可以解決由氧導(dǎo)致的問(wèn)題.盡管成本有所增加，但集成電路的集成度和運(yùn)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(gè)重要方向.

硅材料的發(fā)展趨勢(shì)

從提高集成電路的成品率#65380;降低成本看，增大硅單晶的直徑是發(fā)展的大趨勢(shì)，即硅單晶的直徑向12英寸#65380;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(dá)到0.1 μm以下，如果缺陷的直徑大小為1μm或者是0.5μm，一個(gè)電路片上有一個(gè)缺陷就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)片子失效，這對(duì)集成電路的成品率將帶來(lái)嚴(yán)重影響.

目前全世界電子級(jí)硅單晶的產(chǎn)量大約是10 000 t，我國(guó)每年大約生產(chǎn)500 t，多是來(lái)料加工.制備硅單晶的原材料是多晶硅，而我國(guó)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(guó)的多晶硅和硅單晶材料以及微電子技術(shù)預(yù)計(jì)將有一個(gè)大的發(fā)展.

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

責(zé)任編輯 程 哲