寻找半导体材料中的稀有金属系列之衬底

　　■ 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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