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1半导体材料复习资料绪论1.半导体的基本特性？①电阻率大体在10-3~109Ω•cm范围②整流效应③负电阻温度系数④光电导效应⑤光生伏特效应⑥霍尔效应2.为什么说有一天，硅微电子技术可能会走到尽头？①功耗的问题存储器工作靠的是成千上万的电子充放电实现记忆的，当芯片集成度越来越高耗电量也会越来越大，如何解决散热的问题？②掺杂原子均匀性的问题一个平方厘米有一亿到十亿个器件，掺杂原子只有几十个，怎么保证在每一个期间的杂质原子的分布式一模一样的呢？是硅微电子技术发展遇到的又一个难题③SiO2层量子隧穿漏电的问题随着器件尺寸的减小，绝缘介质SiO2的厚度也在减小，当减小到几个纳米的时候，及时很小的电压，也有可能使器件击穿或漏电。量子隧穿漏电时硅微电子技术所遇到的另一个问题。④量子效应的问题如果硅的尺寸达到几个纳米时，那么量子效应就不能忽略了，现有的集成电路的工作原理就可能不再适用第一章⒈比较SiHCl3氢还原法和硅烷法制备高纯硅的优缺点？⑴三氯氢硅还原法2优点：产率大，质量高，成本低，是目前国内外制备高纯硅的主要方法。缺点：基硼、基磷量较大。⑵硅烷法优点①除硼效果好；（硼以复盐形式留在液相中）②无腐蚀，降低污染；（无卤素及卤化氢产生）③无需还原剂，分解效率高；④制备多晶硅金属杂质含量低（SiH4的沸点低）缺点：安全性问题相图写出合金Ⅳ由0经1-2-3的变化过程第二章⒈什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系数？答：⑴分凝现象：含有杂质的晶态物质溶化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同，这种现象较分凝现象。3⑵平衡分凝系数：固液两相达到平衡时，固相中的杂质浓度和液相中的杂质浓度是不同的，把它们的比值称为平衡分凝系数，用K0表示。K0=CS/CL⑶有效分凝系数：为了描述界面处薄层中杂质浓度偏离对固相中杂质浓度的影响，通常把固相杂质浓度CS与固体内部的杂质浓度CL0的比值定义为有效分凝系数KeffKeff=CS/CL0⒉写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响分凝系数的因素。⒊分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中杂质浓度CS公式，并说明各个物理量的含义。①正常凝固过程：CS=KC0(1-g)k-1C0：材料凝固前的杂质浓度K：分凝系数。不同杂质的不同K值可以通过查表得出。②一次区熔过程：CS=CO[1-(1-K)e-Kxl]C0：锭条的原始杂质浓度x：已区熔部分长度K:分凝系数l：熔区长度⒋说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔区后几次用小熔区的工艺条件。4⑴一次区熔时CS=CO[1-(1-K)e-Kxl],l→大，CS→小→提纯效果好→→l越大越好⑵极限分布时（K一定）K=Bl/（eBl-1）A=C0BL/(eBL-1)CS（x）=AeBxl→大，B→小，A→大，CS→大，提纯的效果越差→→l越小越好所以对于实际区熔，前几次应该用大熔区，越到后面越接近极限分布，应该用小熔区。第三章⒈解释名词：成核过程、均匀成核、非均匀成核、临界半径、自然对流、强迫对流①成核过程：晶体生长过程中，新相核的发生（形核）和长大，在一定的驱动力下，借助于能量涨落越过位垒而形成晶核的过程。②均匀成核（自发成核）：在一定过饱和度、过冷度的条件下，由体系中直接形成的晶核。③非均匀成核（非自发成核）：体系中存在外来质点（尘埃、固体颗粒、籽晶等）、在外来质点上成核。④临界半径：与体系自由能变化量极大值点△G*相对应的晶胚半径r*称临界半径。⑤自然对流：在重力场中由于温度的不均匀，导致热膨胀的差异从而引起流体密度的差异产生浮力。当浮力克服了粘滞力，自然对流就发生。⑥强迫对流：人为对熔体进行搅拌（晶体和坩埚旋转、磁场）造成的对流。⒉分别写出均匀成核与非均匀成核的临界晶核半径、形核功，并说明为什么通常非均匀成核比均匀成核要容易？均匀成核：临界半径r*=-2σ/△gV形核功△G均*=16πσ3/3△gV2非均匀成核：临界半径r*=-2σαβ/△gV形核功△G非均*=16πσαβ3/3△gV2f（θ）△G非均*＜△G均*因此非均匀成核要比均匀成核容易得多。3.简述Kossel模型和Frank模型要点。Kossel模型要点：一个原子在晶格上的稳定性由其受周围原子的作用力大小5决定，晶体表面上不同格点位置所受的吸引力是不相同的，生长基元优先生长在最稳定的位置，吸引力大小：扭折处台阶上表面上棱边上晶角处。Frank模型要点：在生长晶面上，螺旋位错露头点可作为晶体生长的台阶源（自然二维晶核），当生长基元（原子或分子）扩散到台阶处，台阶便向前推进，晶体就生长了，螺旋位错形成的台阶具有以下特点：①永不消失的台阶，像海浪一样向前推进②不需要二维成核过程③生长连续，过饱和度低4.写出杰克逊因子的表达式并指出各参数的物理意义。L。/kTE:物质相变熵，决定于物质的本性，共存两相的类别TE为相变时平衡温度L。为单个原子相变时内能的改变，并可近似的看作相变潜热L。/TE为单个原子的相变熵y1v取向因子，取决于晶体结构和界面的取向，反应晶体的各向异性v为晶体内部的一个原子的近邻原子数，与晶体结构有关y1为原子在界面内水平方向的近邻原子数，它取决于界面的取向5.写出熔体生长时单晶炉内热场的基本要求并作出解释①熔体中：纵向温度梯度（dT/dz）L0，径向温度梯度（dT/dr）L0即熔体内部温度高于熔点，保证熔体中不发生均匀成核同时坩埚璧处温度高于熔点，保证坩埚边缘处不发生非均匀成核。②晶体中（dT/dz）s0,且大小相当，既能排出相变潜热又不因过大使缺陷增加而影响晶体的完整性。6.写出熔体生长的界面热流连续方程并讨论晶体直径，生长速度与晶体散热和熔体供热之间的关系。说明实际生产中如何控制晶体直径。（1）界面热流连续方程6（2）晶体直径，生长速度与晶体散热和熔体供热的关系①(dT/dz)s→大或(dT/dz)L→小，生长速度f→大(dT/dz)s过大，晶体完整性降低（晶体残留热应力大，且不利于晶格整理及位错攀移滑移）(dT/dz)L过小，产生组分过冷，使得固液界面不平坦，导致枝蔓生长甚至多晶。②体系的最大生长速度（极限值），在理论上(dT/dz)L=0时，可得（2）晶体直径，生长速度与晶体散热和熔体供热的关系F=Qc-QL/Ad(～H)③生长速度f一定时，A=（Qc-QL）/fdHQc→大或QL→小，A→大(非稳定生长→建立新的稳态）④A，f一定时（等径匀速生长），（Qc-QL）要一定，即QL要随Qc变化（3）实际生产中控制晶体直径①晶体生长速度与生长的晶体半径成反比②在实际生产中，常用改变拉晶速度与加热功率来控制晶体半径7.熔体生长的晶体中温度分布规律（1）温度分布以晶体旋转轴z为对称轴，当r,z一定时，温度也相同；因此在z一定，即在一个水平面上,以r为半径的圆周上各点的温度都相同7（2）当r为常数时，θ=常数exp[-常数z],即晶体中温度随z增大而指数关系降低（3）当h0时，环境冷却晶体，温度随r的增大而降低，此时晶体中等温线是凹向熔体的。当h0,即环境给晶体热量时，温度随r的增大而升高，此时晶体中等温线是凸向熔体的（4）当z为常数时，温度梯度的轴向分量为：如h0，随r增加而减少：h0时，随r增加而增大。8.写出正常情况下（不发生组分过冷）直拉单晶中生长各个阶段界面形状的变化正常情况下，固液界面的宏观形状与等于熔点的等温面相吻合，由炉腔内热场决定界面有：平坦，凸向熔体，凹向熔体三种情况引晶，放肩：凸向熔体等径生长：先平坦后再凹向熔体9.写出直拉单晶生长工艺过程籽晶熔接→引晶→缩颈→放肩→等径生长→收尾第四章1.解释下列概念：小平面效应：晶体生长的固液界面，由于受坩埚中熔体等温线的限制，常常是弯曲的，如果在生长晶体时迅速提起晶体，则在固液界面处会出现一小片平整的平面，通常称之为小平面。小平面区杂质浓度与非小平面区差异很大。杂质在小平面区域分布异常的现象叫小平面效应杂质条纹：由晶体中杂质浓度的起伏引起的腐蚀后表面出现宽窄不一条纹的现8象旋转性条纹：由于晶体转轴和热场轴不重合，引起生长的晶体中杂质浓度出现周期性的变化，这样形成的条纹中子嬗变掺杂（NTD）:高纯区熔硅单晶放入原子反应堆进行中子照射，使同位素Si30激活嬗变为施主杂质P31进行掺杂-NTD。漩涡缺陷：通常是指无位错单晶经西特尔腐蚀液腐蚀后，在晶体生长方向的横断面上、观察到的呈漩涡状分布的宏观缺陷花纹、微观上看是由浅底腐蚀坑组成的。是微缺陷的一种。热施主效应：450℃热处理硅、SiO以最快速度形成SiO4，SiO4是一个正电中心，能够束缚电子，室温下受热激发而使电子电离出来参与导电，使硅单晶N型电导增强，P型电导下降，即热施主效应。吸杂工艺：通过机械化学处理方法，在硅片的非电活性区引入缺陷，在热处理时一些重金属杂质会扩散并淀积在这些缺陷处，从而减少了这些有害杂质对器件工作区的影响，改善了器件的性能，这种工艺叫吸杂工艺。2.简述CZ法中杂质掺入办法及其选择依据。共熔法投杂法不易挥发的杂质如硼，可采用共熔法掺入。即把掺入元素或母合金与原料一起放在坩埚中融化。易挥发杂志，如砷、锑等放在掺杂勺中、待材料熔化后，在拉晶前在投放到熔体中，并需充入氢气抑制杂质挥发。3、讨论CZ法中影响单晶纵向电阻率均匀性的因素及其控制办法。.影响因素：分凝、蒸发、沾污.控制办法：①从分凝作用考虑：变速拉晶：对应K1的杂质，晶体生长初期用较大的拉速，之后随晶体的长大而不断减小拉速，保持CL与Keff乘积不变。②从蒸发作用考虑：如变速拉晶的晶体尾部电阻率较低，可把晶体尾部直径变细，降低拉速，增加杂质蒸发使CL变小而改善晶体电阻率的均匀性。③从稀释溶质出发：双坩埚及连续送料CZ技术：内坩埚熔体V不变，CL降低，外坩埚液体对内坩埚液体有稀释作用。当K较小时，生长的晶体所带走的杂质少。内坩埚熔体中杂质浓度变化缓慢，纵向电阻率均匀9④从提高有效分凝系数出发强磁场中拉单晶MCZ增大有效分凝系数⑤中子嬗变掺杂NTD4、讨论CZ法中影响单晶径向电阻率均匀性的因素及其控制办法。影响因素：①固液界面的平坦度②小平面效应I.调平固液界面，具体方法有①调整生长热系统，使径向温度梯度变小②调节拉晶参数：凸界面，增加拉速，凹界面，降低拉速③调整晶体或坩埚的转速：增大晶转；使凸变凹；增大埚转；使凹变凸④增大坩埚与晶体直径的比值：坩埚直径晶体直径=3～２.５:１II.调平固液界面还可消除小平面效应带来的径向电阻率分布的不均匀性III.强磁场中拉单晶MCZ增大有效分凝系数IV.中子嬗变掺杂NTD5、说明不同的固液生长界面形状（凸、凹、平）对电阻率径向分布的影响（K1杂质）K1：．凸向熔体的界面会使径向电阻率出现中间高边缘低：．凹向熔体的界面则相反：．平坦的固液界面径向电阻率均匀性好。６、分析产生杂质条纹的根本原因，说明对于非平坦界面，由于晶转轴与热转轴不重合带来的杂质条纹的形状（横截面、纵截面、表面）10．对于非平坦界面，以晶体的转轴为轴线的一连续螺蜷面，横截面为平面螺蜷线。纵截面为弯曲条纹，晶体表面产生细微的螺纹：旋转性表面条纹。７、解释组分过冷并推导组分过冷产生的条件，讨论出现组分过冷时平坦界面上的干扰如何发展成胞状界面及枝蔓生长。①组分过冷：原来固液界面前沿的过热熔体因杂质的聚集产生一过冷区，这种因组分变化而产生的冷现象称为组分过冷。②熔体内距离固液界面距离为Ｚ处的温度为Ｔ(Ｚ)＝Ｔ（０）＋ηＣＬ(Ｚ)稳定的杂质富集层形成后，杂质在熔体中的分布为｛ＣＬ(Ｚ)＝Ｃs﹛[(１-Ｋ０)ｅ（－ｆＺ／Ｄ）＋Ｋ０]/Ｋ０﹜ＣＬ(Ｚ)=ＣＬＫｅｆｆ﹛[（１－Ｋ０）ｅ（－ｆＺ／Ｄ）＋Ｋ０]/Ｋ０﹜Ｔ(Ｚ)=Ｔ(０)＋ηＣＬＫｅｆｆ﹛[（１－Ｋ０）ｅ（－ｆＺ／Ｄ）＋Ｋ０]/Ｋ０﹜｝凝固点的曲线在固液界面ｄＴ(Ｚ)/ｄＺ|Ｚ=０＝ηＣＬＫｅｆｆ（Ｋ０-１）ｆ／Ｋ０Ｄ处的斜率为：令固液界面处温度分布曲线的斜率：ｄＴ(Ｚ)/ｄＺ|Ｌ＝Ｇ组分过冷的临界条件：Ｇ＝ηＣＬＫｅｆｆ（Ｋ０-１）ｆ／Ｋ０Ｄ11组分过冷的条件：Ｇ/ｆ＜ηＣＬＫｅｆｆ（Ｋ０-１）／Ｋ０ＤＦ大，Ｇ