硅（Si）为何成为集成电路的首选材料？

杨德仁，中国科学院院士，浙江大学硅材料国家重点实验室主任，长期从事半导体硅材料研究，在硅材料的基础研究上取得重大成果，发明了微量掺锗硅晶体生长系列技术，系统解决了相关硅晶体的基础科学问题，研究了纳米硅的结构、性能，成功制备出纳米硅管等新型纳米半导体材料。

1958年，杰克·基尔比发明了第一块集成电路，吹响了人类进入“硅时代”的号角。由于硅材料具有一定的半导体电学特性和物理稳定性，因此成为制作集成电路衬底支撑的关键性固态材料。目前，全球95%以上的集成电路制作在硅片上。硅最早由瑞典科学家琼斯·雅可比·贝采尼乌斯发现，他通过加热石英砂、碳和铁制得。该元素命名为silicon，源自拉丁文silex（燧石）。硅在地壳中含量高达26%，仅次于氧，居第二位。然而，自然界中硅不以单质形式存在，而是以硅酸盐、水晶、石英砂等化合物存在。美国硅谷的名字就是源于硅元素所推动形成的新兴产业。硅的结构特殊，一个硅原子周围有四个其他硅原子，形成立方金刚石结构，赋予其诸多独特性能和应用。硅可用于钢和铝合金的添加剂，锂离子电池的负极材料，以及光伏领域的太阳能电池基础材料。最重要的是，硅是集成电路的关键材料。

硅材料是集成电路的不二选择

集成电路是信息产业的基石，也是高科技的“明珠”，而硅是集成电路的基础材料。全球95%以上的半导体器件和90%以上的集成电路制作都是在硅片上完成的。所以说，没有硅就没有集成电路，没有集成电路就没有信息社会，所以硅是现代信息社会的基础和核心材料。硅之所以成为首选，原因有三个方面。一是其纯度极高，在所有的物质中，能够被提得最纯的就是硅材料，可达10个9以上，因此能控制材料里的电子输运性质；二是能够把原子排列成高度有序的单晶体结构，自然界中只有钻石才能做到这样，但硅晶体的体积可以很大，能达300毫米直径，这是其他材料所不具备的；三是原料丰富，地壳中含量高达26%，制备成本低廉，工艺成熟，能生长大直径、低缺陷的晶体，且可以做稳定的氧化层，安全无毒。这些优势使硅在过去70年里稳居集成电路基础材料的核心地位。

如何制备多晶硅

硅很重要，但是不是从鹅卵石或石英矿里面烧制出来的硅材料，就可以用于集成电路的制作呢？硅材料是一个典型的点石成金材料，由硅石（以二氧化硅为主要成分的矿物）经焦炭还原制得，也称工业硅，纯度约95%至99%，但无法直接用于集成电路。用于集成电路需进一步提纯至10个9以上的半导体级多晶硅，即每100亿个硅原子中仅含1个其他原子。根据中间化合物的反应，制备此高纯材料主要有两种工艺。一是三氯氢硅工艺（西门子工艺），最早由西门子公司发明，目前在全球占据主流。该工艺通过硅与盐酸反应生成三氯氢硅，经多次精馏提纯后，再还原出高纯硅。此过程需多次提纯，直至获得高纯中间化合物，最终还原得到高纯多晶硅。二是硅烷工艺，首先把硅做成硅烷，再在800摄氏度左右分解直接得到硅。该工艺较为简单且能耗低，但硅烷易燃易爆，气体处理复杂，全球产量仅占10%左右。

近年来，我国多晶硅产业发展迅速，特别是2005年后，受太阳能光伏产业推动，成为全球发展最快的国家。2023年，我国电子级多晶硅产量约6000吨，占全球15%；光伏级多晶硅产量143万吨，占全球89%。全球上规模的多晶硅企业中，中国有9家；国际高纯多晶硅企业中，中国有19家。此外，两家硅烷法制备多晶硅的企业均在中国。我国在光伏级高纯多晶硅产业上领先全球，电子级仍有待追赶。

制造单晶硅圆的工艺流程

制备出的多晶硅尽管纯度很高，但高纯度并不足以满足集成电路制造的所有要求，还需要将多晶硅提纯到足够纯净的单晶硅，这涉及一系列复杂的科学原理和高度精密的技术过程。比如，高纯多晶硅转化为晶体可以通过直拉法实现：将高纯多晶硅置于石英坩埚中加热至1420摄氏度熔化，随后用种子晶体接触熔体并向上提拉，熔体逐渐凝固成单晶硅。此即直拉单晶硅的生长过程。目前，直拉单晶硅直径大、体积大、工艺成熟，是纯度最高、结构最完整、产业规模最大的半导体晶体材料，也是人类研究性能和结构最透彻的人工晶体材料之一。

当我们获得硅晶体材料后，需进行加工，因为一个晶体棒无法直接使用。怎么加工？首先去除晶体的头部和尾部（晶锭的切断），接着将晶体滚圆以确保直径一致（滚圆），然后使用金刚刀和线锯将其切成一个个薄片（切片）。由于切出来的硅片表面粗糙不平，需用碾磨机磨平并去除损伤层（磨片），最后进行抛光以提高表面整洁度和质量，降低粗糙度。抛光要求极高，相当于北京至杭州1100公里距离内的高低起伏不超过一厘米。整个过程中，还需在各道工序间严格清洗硅片或晶锭，最后得到一个超净的硅片。还有一种是在抛光硅片上面再加一层硅薄膜，这称为外延硅片。这样，所有集成电路均制备在这两种硅片上，即硅的抛光片或外延片上，这就是集成电路所用的硅材料。

那么，我国集成电路硅材料的产业处于什么样的状态？目前，6英寸及以下小直径硅片已实现完全国产化，8英寸硅片国内市场占有率约40%～50%，12英寸硅片约占15%～20%，且28纳米节点硅片已通过验证。在基础研究方面，浙江大学的科研人员在国际上提出了掺氮直拉硅单晶概念，利用氮原子调控抑制纳米级集成电路的微曲线问题，该方案已被全球工业界广泛采纳，应用于90纳米节点以下集成电路，成为中国的一个创新解决方案。

超越摩尔的选择——纳米硅和硅基光电子

我们经常听到的芯片7纳米、5纳米、3纳米，是指两个元器件之间的特征线宽，就是集成电路内部电路导线的宽度，它反映了集成电路的精细程度和集成度。集成度越高，所容纳的元件数目越多。随着集成电路的快速发展，特征线宽在不断降低，从过去的180纳米，到现在的10纳米、7纳米，7纳米芯片大约能容纳70亿个晶体管。世界集成电路的制程工艺水平已经由微米级、亚微米级、深亚微米级进入到纳米级阶段，这对包括光刻在内的半导体制程工艺提出了新的挑战。随着芯片制程愈发接近物理极限，有没有新的硅材料能满足纳米级集成电路的制备呢？

一个指甲大小的集成电路能集成10亿个元器件，目前技术已进展至7纳米、5纳米、3纳米，乃至挑战1纳米。但硅原子的原子间距约3.14A，3个硅原子即达1纳米，接近物理极限，易引发量子隧穿效应。在这种情况下，集成电路怎么发展？一是延续摩尔（More Moore），即继续缩小特征线宽；二是超越摩尔（More than Moore），即多样化集成。这对硅材料提出新要求：一是越做越大，硅片直径需不断增大，目前已达300毫米（12英寸）；二是越做越小，需探索纳米级硅材料，如纳米硅颗粒、纳米线、纳米管、纳米带。纳米硅颗粒直径小于100纳米，特别当尺寸小于4.9纳米（硅的激子玻尔半径）时，会展现出量子限域、表面效应及多激子效应，性能大幅提升，可替代传统半导体材料。这种纳米硅能应用于发光、锂离子电池、生物技术及光伏等领域。通过调控纳米硅颗粒直径，可实现从蓝光到红光的全谱系发光，且支持电控制电子发光。

纳米硅线作为硅基光电子光源，由哈佛大学的Lieber教授于1998年首次制备成功，现已广泛应用于集成电路。早期集成电路采用平面结构，现代则使用FinFET结构，其中硅部分被竖起。3纳米及以下器件中，硅呈现为线状，形成纳米硅线环栅或围栅结构，这一结构已成为主流。今后还会把纳米线变成纳米片，做成围栅结构。我国科学家在纳米硅领域的研究取得显著成就，如成功制备纳米硅颗粒、纳米硅线及纳米硅管，特别是做出了全世界首个纳米硅管，引导了国际上纳米硅管的制备。同时，在纳米硅围栅器件领域实现了突破，如北京大学团队在硅纳米线GAA弹道运输研究中，首次实验验证了弹道输运效率与自热效应，也首次提取了硅纳米线围栅器件的涨落源，并通过优化设计大幅提升了器件的模拟与射频性能。

当硅片的特征线宽到了28纳米以后，虽然芯片的性能仍在提高，但是成本却不再降低，摩尔定律近乎失效。除此之外，当特征尺寸到了1纳米以后，将会遇到电信号延迟、带宽受限和功耗密度的不断上升的问题。如何超越摩尔定律？

一种通过将光子引入到硅基集成芯片上的技术脱颖而出，这就是硅基光电子技术。硅基光电子是超越摩尔定律的一个重要方向，它将微电子与光电子结合。微电子以集成电路为基础，主要依赖电子的输运，而光电子则在光与电之间进行转换，支撑了激光、互联网和光纤等高科技产业的发展。硅基光电子在集成电路上实现了光的传输与控制，由于光在硅中的传输速度比电子快1000倍以上，因此其性能可以大幅提升。硅基光电子的优势包括带宽增加10倍以上、功耗降低10倍以上、无电磁干扰、重量和体积可能降低到1/10、接口密度增加等。它已成为数据中心、通信、自动驾驶、传感、高性能计算和人工智能等领域的重要应用场景，成为集成电路发展的重要方向。西方发达国家，如美国、日本、德国的大型企业早在20年前就布局硅基光电子，进行了长期投入和研发。比如，美国成立了一个专门的12英寸、300毫米的硅基光电子研究项目，大力推动硅基光电子，这已经成为一个重要产业爆发的前夜。预计今年，硅基光电子的销售额将是2020年的4倍。

为什么要让硅基发光

硅基光电子材料的制备，包括光源、波导、调制、探测、封装等不同阶段，其中最核心的就是硅基光源，也就是让硅基发光。因为硅材料是间接半导体材料，发光强度、发光效率极低，可以说几乎是不发光的。因此能否结合硅基异质集成，在硅上制备新材料，让硅基发光？这很难，因为既要保留硅基集成电路的功能，又要让它发光。半导体发光已是重要产业，如半导体照明、激光、半导体显示等，但这些都依赖化合物半导体，成本高且与集成电路不兼容。如何在硅上利用集成电路兼容技术实现发光，成为国际难题和研究前沿。

科学家们尝试了各种方法，如多孔硅、硅纳米晶、硅有机发光等八九种路径。其中，硅基键合是一项重要技术，它先在另外的一个工艺线上把激光器做好，主要的是磷化铟激光器，再通过键合将其与集成电路结合，让光进入电路，称为混合激光器。这项技术由美国英特尔公司和有关大学合作发明，已实现产业化，用于芯片间的光互联。但它未在芯片上直接制备光源，存在对准难、密度受限等问题，且与集成电路工艺不兼容。所以，这仅是做了硅基光电子的第一步。我国科学家在此领域也做了许多工作。浙江大学有关团队2007年就在硅基上通过氧化锌实现了室温电泵随机激射，这是国际首次。北京邮电大学团队在硅基铟砷和镓砷量子点激光器上取得世界先进水平成果，2023年首次实现SOI（绝缘层上硅）级的电泵激射，功率超60毫瓦，室温外推寿命超2万小时，成为国际硅基量子点领域的一大亮点。

硅材料是集成电路的基础材料，它支撑了整个集成电路的发展，也支撑了信息产业的发展。而摩尔定律的发展走到了极限，More Moore和More than Moore两个赛道上都需要硅基新材料。可以看到，硅基的纳米硅材料、硅基的异质集成的新材料、硅基光电子的新材料等，都促进了集成电路向新一代的器件发展，促进了集成电路进一步的深化发展。可以想象，在集成电路新材料的支撑下，集成电路将超越摩尔定律，为人类的信息产业、高科技产业提供基础的支撑。

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文章刊载于《学习时报》2025年2月19日第6版

来源：学习时报