半導體材料的過去、現在和將來（２）

硅單晶及其外延

現在的電子元器件90%以上都是由硅材料制備的，全世界與硅相關的電子工業產值已超過1萬億美元.直拉法是目前主要用于生產硅單晶的方法.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#65380;12英寸的硅單晶都已實現了規模生產.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#65380;8英寸#65380;10英寸#65380;12英寸#65380;14英寸發展，而是從8英寸到12英寸，由12英寸到18英寸，從18英寸到27英寸發展呢?原因是硅集成電路的發展遵循《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方法再生長一層硅，這層硅的厚度可達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 / 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，這是目前硅技術發展的一個重要方向.

硅材料的發展趨勢

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展的大趨勢，即硅單晶的直徑向12英寸#65380;18英寸方向發展.從提高硅集成電路的速度和它的集成度看，發展適用于納米電路的硅外延技術，制備高質量硅外延材料是關鍵.如前文所述，硅單晶中氧的沉淀將產生微缺陷.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量大約是10 000 t，我國每年大約生產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預計將有一個大的發展.

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

責任編輯 程 哲