3.2 硅材料

3.2.1 为什么使用硅材料

硅是一种半导体材料，因为它有4个价电子，与其他元素一起位于元素周期表中的IVA族。硅中价层电子的数目使它正好位于优质导体（1个价电子）和绝缘体（8个价电子）的中间。自然界中找不到纯硅，必须通过提炼和提纯使硅成为半导体制造中需要的纯硅。它通常存在于硅土（氧化硅或SiO₂）和其他硅酸盐中。硅土呈砂粒状，是玻璃的主要成分。其他形式的SiO₂有无色水晶、石英、玛瑙和猫眼石等。

20世纪40年代和50年代早期，第一个用作半导体材料的是锗，但是它很快就被硅取代了。硅被选为主要的半导体材料主要有以下4个理由：

1）硅材料的丰裕度。

2）硅材料更高的熔点允许更宽的工艺容限。

3）硅材料更宽的工作湿度范围。

4）氧化硅（SiO₂）的自然生长。

硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的25%。经合理加工后，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度从而使消耗的成本更低。硅1412℃的熔点远高于锗材料937℃的熔点，更高的熔点使得硅可以承受高温工艺。使用硅的另一个优点是用硅制造的半导体器件可以用于比锗更宽的温度范围，增加了半导体器件的应用范围和可靠性。

最后，将硅作为半导体材料的一个重要原因是其表面自然生长SiO₂的能力。SiO₂是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部污染。电学上的稳定对于避免集成电路中相邻导体之间漏电是很重要的。生长稳定的薄层SiO₂材料的能力是制造高性能金属—氧化物半导体（MOS-FET）器件的根本。SiO₂具有与硅类似的机械特性，允许高温工艺而不会产生过度的硅片翘曲。