第一章
硅单晶生长和硅片准备
硅 (Si) 材 料 现 在 是 电 子 工 业 中 最 重 要 的 半 导 体 材 料， 因 此VLSI 技 术 几 乎 完 全 以 硅 材 料 为 基 础。"silicon" 这 名 称 来 源 于 拉 丁 语 "silex" 或 "silicis"，意 思 是 燧 石。 地 壳 中 硅 含 量 丰 富, 仅 次 于 氧， 达 25.7%。 硅 材 料 中 一 些 最 有 用 特 性 的 参 数 已 在 附 录 1 中 给 出。
随 着 1947 年 Bardeen,Brattain 和 Shockley 发 明 双 极 型 晶 体 管， 开 始 出 现 了 固 态 电 子 器 件。 一 开 始 用 于 制 造 二 极 管 和
三 极 管 的 半 导 体 材 料 是 锗 (Ge)， 然 而，由 于 锗 的 禁 带 窄 小
(0.66ev)， 引 起 p-n 结 反 向 时 锗 中 有 相 当 大 的 漏 电 流。 这 一 点 限 制 了 锗 器 件 只 能 在 低 于100 度 时 才 能 工 作。 此 外 集 成 电 路 平 面 处 理 需 要 能 在 半 导 体 表 面 上 生 成 一 层 钝 化 层。 氧 化 锗 能 作 为 钝 化 层， 但 难 以 生 成， 而 且 其 溶 于 水， 在 800℃ 时 分 解。 这 些 限 制 使 锗 在 作 为 制 造 集 成 电 路 的 材 料 方 面， 与 硅 比 起 来 相 形 见 拙。 硅 的 禁 带 更 宽 (1.1ev), 漏 电 流 更 小， 因 此 可 以 生 产 出 最 大 工 作 温 度 达 150℃ 左 右 的 硅 器 件。 此 外 硅 的 氧 化 物，SiO
，易 于 生 成 且 化 学 性 质 十 分 稳 定， 最 后 电 子
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级 硅 的 成 本 只 有 锗 的 十 分 之 一。 因 此 在 制 造 微 电 子 元 件 方 面 硅 已 几 乎 完 全 取 代 了 锗。
在 本 章 我 们 将 研 究 单 晶 硅 起 始 材 料（single-crystal silicon starting material） 这 个 主 题。 首 先 我 们 将 说 明 原 材 料 如
何 经 过 处 理 而 得 到 电 子 级 多 晶 硅。 然 后 探 讨 从 中 用 来 生 产 单 晶 硅 的 Czochralski 法 和 浮 区 法， 其 后 涉 及 到 从 单 晶 硅 做 成 硅 片 (silicon wafers）的 技 术， 最 后 我 们 讨 论 下 为 了 适 应 VLSI （和ULSI) 生 产， 硅 片 所 必 须 具 有 的 材 料 特 性。 在 第2 章 中， 我 们 将 涉 及 发 生 在 硅 片 中 的 晶 格 缺 陷 以 及 抑 制 缺 陷 形 成 的 技 术。
晶 格 结 构 的 术 语
固 体 分 为 晶 体 和 非 晶 体。 在 晶 体 中， 组 成 晶 体 的 原 子 有 周 期 重 复 性 地 在 空 间 中 排 列。 如 果 这 种 周 期 重 复 性 的 排 列 存 在 于 整 个 晶 体， 那 么 这 种 物 质 被 定 义 为 具 有 单 晶（single crystal）形 式。 如 果 晶 体 由 无 数 个 小 的 单 晶 区 域 组 成，那 么 这 种 晶 体 被 称 为 多 晶（polycrystalline） 材 料。 尽 管 如 此，一 旦 晶 体 的 基 本 周 期 重 复 性 被 识 别， 那 么 在 任 何 一 个 单 晶 区 域 内， 晶 体 从 某 一 点 看 起 来 与 从 一 系 列 对 等 的 点 看 一 模 一 样。非 晶 体（Amorphous）材 料 并 不 具 有 大 范 围 内 周 期 重 复 性 的 结 构。 用 于 生 产 VLSI 电 路 的 初 始 硅 材 料 具 有 单 晶 形 式。
在 晶 体 中 原 子 的 周 期 重 复 性 的 排 列 称 为 晶 格（lattice）。晶 格 总 是 包 含 一 个 能 代 表 整 个 晶 格 的 单 元( 称 为 晶 胞〔unit cell〕), 它 在 整 个 晶 体 中 有 规 律 地 重 复 着。 正 如 图1 所 示， 对 于 每 一 个 晶 胞， 矢 量 ( 基 本 矢 量〔basis vector〕) 可 以
定 义 为： 如 果 晶 胞 移 动 了 整 数 倍 的 矢 量， 可 以 找 到 一 个 与 原 来 完 全 一 样 的 新 的 晶 胞。 晶 胞 的 重 要 性 在 于 晶 体 作 为 一 个 整 体 可 以 通 过 分 析 一 个 具 有 代 表 性 的 单 元 来 研 究。 例 如， 因 为 晶 体 的 周 期 重 复 性 限 定 了 导 体 电 子 所 能 具 有 的 能 级， 我 们 可 以 计 算 出 相 邻 原 子 间 的 最 小 距 离。
最 简 单 的 晶 格 是 图1 中 的， 三 个 立 方 晶 格 (简 单 立 法 ，体 心 立 方，面 心 立 方)。 一 个 立 方 单 元 的 尺 寸 a 称 为 晶 格 常 数， 但 是 相 邻 原 子 间 的 最 小 距 离 可 能 小 于 a， 例 如， 面 心 立 方 (fcc) 晶 格 的 相 邻 最 小 距 离 是 立 方 面 对 角 线 的 一 半 或 (a2/2)。
晶 格 方 向 用 与 在 那 个 晶 向 的 一 个 矢 量 的 各 分 量 有 着 相 同 的 关 系 的 一 组 三 个 整 数 表 示 。这 三 个 分 矢 量 是 基 本 矢 量 的 整 数 倍。 例 如 在 立 方 晶 格 中， 体 对 角 线 有 三 个 分 量 1a, 1b 和 1c。 因 此，这 对 角 线 是 [1 1 1] 晶 向 (括 号[ ] 用 来 表 示 一 个 特 定 的 晶 向)。 然 而， 从 结 晶 学 的 角 度 来 看， 晶 体 中 的 许 多 晶 向 是 等 效 的， 仅 仅 取 决 于 任 意 选 择 的 轴 的 定 向。 这 些 等 效
