寻找半导体材料中的稀有金属系列之衬底
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- 发布时间:2024-07-27 14:21
■ 上善若水
故事从芯片开始
在芯片制造的微观世界里,金属材料如同魔术师的道具,随着技术的进步,它们变得越来越神奇。在21 世纪开始以来的短短二十多年里,这个微观世界的“建筑材料”已经增加了四十多种,其中绝大多数是像贵金属和过渡金属这样的“高级材料”。
英特尔公司最近在它的“建筑蓝图”中加入了金属锑和钌,这两种新材料使得“建筑”中的“电容”更小,从而打破了硅基材料的限制。此前,英特尔在10nm 工艺节点的部分互联层上率先导入钴材料,达到了5~10 倍的电子迁移率改善,将通路电阻降低了一半。在这条探索新材料的大道上,英特尔并不孤独。格罗方德公司也在其7 纳米工艺的“摩天大楼”中用钴替换了钨,三星和台积电等也在积极研发新型互联材料。
事实上,在半导体复杂的制造过程中,铪、钨、铟、钽等金属材料由于具有高导电性、高耐腐蚀性、高稳定性等特点而被广泛使用,其本身更是半导体材料的构成部分。无论是硅片、光掩膜、光刻胶等晶圆制造材料,还是封装基板、键合丝等封装材料,几乎在半导体制造的各个环节材料中,我们都能见到稀有金属的身影。
一个完整的半导体产业链从硅片到晶圆制造再到封装测试,本身分为前道工艺和后道工艺,每一道工艺又分为几十甚至上百道工序,想要了解稀有金属在半导体制作过程中的作用,不妨从最初的硅片制作开始。
半金属衬底材料:硅
提到半导体衬底,大多数人可能会感到陌生,可要是晶圆、硅片呢?在半导体制造领域,衬底是作为基础层的材料,承载着芯片和器件,通常是硅片或其他材料的薄片。晶圆则是从衬底中切割出来的圆形硅片,作为半导体芯片的主要基板。
作为地球上第二丰度的元素,硅广泛地存在于自然界当中。它成本低廉,温度稳定性好,穿透电流低,如此优异的性能使它代替锗,成为半导体的主流材料。然而自然界中别说单晶硅,就连硅单质也是不存在的,用于半导体的单晶硅通常是需要经过“石英砂—冶金级硅—提纯和精炼—沉积多晶硅锭—单晶硅—硅片切割”的过程获得,其难点在于纯度。通常电子级多晶硅对于产品纯度要求更高,一般要求9N 以上(99.9999999%),而在高纯度单晶硅技术突破之前,虽然我国的工业硅、多晶硅产量世界第一,但是极大规模集成电路(ULSI)用的高纯度硅材料几乎全部依赖进口。
需要注意的是从半导体的发展历史看,半导体衬底材料经历了三代的更新迭代,并正在向着第四代材料稳步迈进。其中第一代半导体材料以锗(Ge)和硅(Si)为主,其中锗目前半导体应用较少,而硅仍是目前最主流的半导体衬底材料;第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、 锑化铟(InSb)和硫化镉(CdS) 等 I-V 族化合物材料为主,由于化合物半导体的宽禁带优势以及下游应用领域的进一步发展,砷化镓与磷化铟未来的使用量将提升;第三代半导体材料则是以碳化硅(SiC)、氮化镓 (GaN)、氧化锌(ZnO)和氮化铝(AIN) 等为代表的宽禁带(禁带宽度大于 2.2eV)半导体材料,其中碳化硅与氮化镓备受关注;而第四代半导体材料主要包括氮化铝(AlN)、金刚石、氧化镓(Ga2O3),它们被称为超宽禁带半导体材料。
了解半导体衬底材料迭代之后,下期我们将介绍被誉为半导体工业粮食的“锗”与“镓”。
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