第1章 硅材料及衬底制备

硅是自然界中蕴含最丰富的元素之一，约占地壳重量的25%，它的丰富程度仅次于氧。硅是电子工业中最重要的半导体材料[1]。在自然界中硅以硅土和硅酸盐的形态出现，它是元素周期表中被研究得最多的元素之一。自然界中的固态物质，可分为晶体和非晶体两大类。晶体和非晶体在内部结构、物理性质和化学性质上都存在着明显差别。

目前，集成电路和各种半导体器件制造中所用的材料主要是硅、锗和砷化镓等单晶，其中，硅单晶体最多。硅器件占世界上出售的半导体器件的98%以上。本书主要论述的是硅晶体材料及以硅晶体或硅的衍生化合物为主体结构而制成的器件和集成电路。

正是由于现代半导体器件和集成电路技术的发展，硅已成为人类迄今为止研究最深入、了解最清楚的物质。可以说，现在人类能获取的纯度最高的材料是硅，人类能够制取的直径最大的单晶也是硅。

固态物质以晶体或非晶体两种形式存在。晶体内部的原子均按一定周期排列，任一晶体都可以看成是由原子在三维空间中按一定的规则周期性排列而构成的。内部所有原子按统一周期排列的晶体叫做单晶体，由许多小晶粒无规则地堆积而成的叫做多晶体。生产大规模集成电路所用的硅材料（硅圆晶片）就是单晶体。

硅单晶作为最重要的集成电路衬底材料是制作复杂微电子器件的基础。因此，硅单晶的晶体质量和单晶硅的加工技术水平对集成电路的性能和芯片的合格率有直接影响。为了适应单芯片集成技术发展的需要，人们对硅单晶材料的要求越来越高，对硅单晶材料性质的认识和研究也在深入。单晶生长和衬底晶圆片的加工技术也在不断改进和提高。

本章在简要阐述半导体硅材料的基本特征属性基础上，讨论了集成电路制造各技术层次对半导体材料质量的要求，并将其在晶体管和集成电路的设计与制造方面的应用联系起来。特别重要的是半导体材料的各向异性特征与若干集成电路制造技术有密切的关系。本章还就半导体晶体的质量特征（特别是晶体的结晶质量）、半导体材料的提纯和硅单晶衬底材料加工技术进行了必要的讨论。

半导体单晶材料的若干属性，对半导体器件或集成电路的制造是至关重要的。例如，半导体材料的熔点和晶体所能承受的温度直接与加工工艺的温度及晶体管或集成电路的工作温度有关；硅的氧化衍生物二氧化硅具有俘获若干种杂质元素的作用，因为这一点而产生出硅的选择性刻蚀工艺和选择性掺杂工艺[2]；半导体单晶体材料的各向异性特征在选择性腐蚀、晶体的各向异性生长、定向解理等方面具有重要应用。