大学半导体材料课后习题答案期末考试复习资料 - 图文

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 ③ SiO2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

1

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。

2

⑵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/CL

⑶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Keff

Keff=CS/CL0

⒉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-1 C0：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。

3

⑴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）=AeBx l→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△gV2（fθ）

△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

4

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 y1 v 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）L>0，径向温度梯度（dT/dr）L>0 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）s<0,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

5

组分过冷的条件：Ｇ/ｆ＜ηＣＬＫｅｆｆ（Ｋ０-１）／Ｋ０Ｄ Ｆ大，Ｇ和Ｋ０小均易满足组分过冷、拉晶时规避

③Ｋ<１的溶质，在界面前沿不断地排泄溶质，结果使相邻凸起间的沟槽内溶质增加得比凸起尖端更为迅速，而沟槽中溶质扩散到“大块”熔体中的速度又较凸起尖端小，于是沟槽中溶质浓集。

．由于溶液的凝固点随着浓度的增加而降低，因而沟槽不断加深，一定条件下界面可达一稳定的形状。

．此后的晶体生长就是该稳定的胞状界面以恒速向熔体中推进。 ８、简述位错对材料性能的影响及无位错单晶工艺的要点。 （１）位错对材料性能的影响 ①位错对载流子浓度的影响 ②位错对迁移率的影响

③位错对非平衡载流子寿命的影响 ④位错对器件的影响 （２）无位错单晶工艺的要点 ①正确的选择籽晶晶向和制备籽晶 ．选择籽晶：表面光洁、没有系属结构 ．籽晶晶向：生长方向与﹛１１１﹜面最小夹角最大 ②采用合适的拉晶工艺 ．缩颈； ．籽晶预热；

．等径生长阶段：防止机械振动造成机械应力，温度和拉速过大的波动造成热应力 ．收尾：缓慢升温同时放慢拉速，使晶体逐渐变细避免较大的热冲击

9. 每拉出g=1/2 处，ρ =1Ω·cm 的硅单晶锭100g，所用的硅是区熔硅（即纯硅），问要掺杂质硼多少克？（μp=2000cm2/V·s 、N0=6.02×1023mol-1）

11

10. 要拉制30g ，ρ =1~3Ω·cm 的P 型Ge单晶，所用的杂质为Ga-Ge 合金，合金中P 型Ge浓度为Cm=1017cm-3，原料为纯Ge，问需要多少克Ga-Ge 合金？（Ga的分凝系数k=0.1，μp=2000cm2/V·s ）

12

第五章

1、名词解释： ?自掺杂：杂质从衬底及基座中蒸发出来进入气相中继而再次掺入外延层中，也包括由于衬底基座被腐蚀而进入气相中进而掺入外延层中。 ?外扩散：高温时杂质从衬底扩散到正在生长的外延层中 ?外延层的夹层：外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层

?双掺杂技术：同时引入两种原子半径不同的杂质原子，使他们产生的应变正好相反。应力得到补偿，减少或避免晶格畸变，消除失配位错-应力补偿法。

?SOS技术：蓝宝石（α-AL2O3）或尖晶石（MgO.Al2O3）衬底上外延生长硅 ?SOI技术：称绝缘层上硅，把器件做在绝缘衬底生长的硅单晶层上。

?SIMOX:通过氧离子注入到硅片，与硅发生反应形成二氧化硅沉淀物，再经高温退火过程形成SiO2层，同时消除注入缺陷 ?SDB&BE：

①直接键合技术使用键合技术，将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起 ②再把背面用腐蚀BE等方法减薄到所要求的厚度获得SOI结构

13

?Smart-Cut：只能剥离技术是一种注入氢离子然后进行剥离的技术，即在键合的一片晶片上注入氢离子，然后和另一硅片在一定温度下键合，键合热处理温度大约5000C时，氧离子注入处会形成连续的空腔，从而自动剥离形成SOI结构。 2、详述影响硅外延生长速率的因素

①化学源：生长速率一来于所选硅源，随Cl元素含量增加而下降。

②反应物的摩尔分数：对于SiCl4源，随着浓度增加，生长速率先增大后减小 ③沉积温度：生长速率随温度升高而增加，低温区生长速率随温度升高呈指数规律上升，生长速率对温度敏感；高温区生长速率随温度变化较平缓，生长速率对温度不敏感 ④气流速度：生长速率与流速的平方根成正比 ⑤衬底晶向：晶面间的共价键数目越多，键合能力越强，生长速率越快；晶面面密度越小，生长速度越快。 3、用Grove模型解释分别在高温区、低温区外延生长时温度与生长速度的关系。 ①低温区，表面反应慢，反应速率受表面反应控制，即生长速率随温度按指数变化 ②高温区，表面反应快，反应速率受质量输运控制，生长速度随温度缓慢变化 为原料的硅外延为什么随SiCl4浓度的增加会出现负的生长速率？

4、由外延生长的Grove模型得到外延生长速率与反应物浓度成正比，对于以SiCl4①SiCl4作为硅源在外延生长时会生成HCL气体，随着SiCl4浓度的增加，反应生成的HCL的浓度也增加。

②由于CL对硅有一定腐蚀作用，所以当其达到一定浓度是，由于腐蚀作用增大，以腐蚀硅的反应为主，此时不仅停止外延生长，且会使硅衬底受腐蚀而变薄，最终

14

表现结果既是出现负的生长速率。 5、为什么使用外延生长难以得到突变结？

?通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡，但是由于高温下进行外延生长，衬底中的杂质会进入外延层，使得外延层和衬底处的杂质浓度变平，外延层与衬底之间杂质的互扩散导致杂质再分布。

?实际中由于自掺杂效应外延层中杂质的纵向分布要比只有衬底杂质向外延层的外扩散的情况更平坦，所以使用外延生长难以得到突变结。 6、确定在1200℃时，由SiCl4源生长的外延层的生长速率。反应室的气相质量转移系数是hG=5cm/s，表面反应速率常数为KS=107exp（-1.9eV/kT）cm/s,CG=5*1016cm-3。如果反应温度降低2℃，生长速率将变化多少？ 解：① 其中CG=5*1016cm-3，N=5.22*1022cm-3 T0=300K,kT0=0.026eV T1=1473K，kT1=0.1277eV KS1=3.452cm/s hG=5cm/s G1=1.956X10-6cm/s ②T2=1471cm/s kT2=0.1275ev KS2=3.374cm/s G2=1.930X10-6cm/s ΔG=-2.6X10-8cm/s ΔGG1=-1.33% 7、计算〈111〉晶向硅衬底上外延层厚度为多少时，外延层上的刻蚀坑具有1.838um的尺寸？

第六章

1、名词解释

?HB：水平布里奇曼法，又称横拉法。采用石英密封系统，系统置于双温区炉中，低温端放As源控制系统中As气压，高温端合成化合物并拉制晶体，而整个系统的

15

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/epwt.html