半導(dǎo)體材料復(fù)習(xí)

1、題型：一.簡答5*10分 二.綜述3題50分Si（砂子SiO2）粗硅（97%）高純多晶硅（99.999999%）單晶硅棒切片外延片第一章粗硅的制備：SiO2+還原劑Si（97%）SiO2+3C=SiC+2CO 1600-18002SiC+SiO2=3Si+2CO高純硅的制備方法1.三氯氫硅還原法優(yōu)點：產(chǎn)率大，質(zhì)量高，成本低步驟：粗硅 酸洗 (去雜質(zhì)) 粉碎 入干燥爐 通入熱氮氣 干燥 入沸騰爐 通干HCl 三氯氫硅Si + 3HCl = SiHCl3 + H2反應(yīng)溫度280-300，H2：HCl=1:35, 硅粉與HCl在進(jìn)入反應(yīng)爐前要充分干燥（加氮氣），并且硅粉粒度要控制在0.18-0.12

2、mm之間。三氯氫硅的提純：精餾：多次部分汽化，多次部分冷凝。三氯氫硅還原：SiHCl3 + 3H2 Si + 3HCl 反應(yīng)溫度：1100高純硅的純度通常用以規(guī)范處理后，其中殘留的B、P含量來表示，稱為基硼量、基磷量。2. 硅烷法（吸附法）n 主要優(yōu)點：1. 除硼效果好2. 無腐蝕性3. 分解溫度低，不使用還原劑，效率高，有利于提高純度4. 產(chǎn)物中金屬雜質(zhì)含量低，(在硅烷的沸點-111.8下，金屬的蒸氣壓低)5. 外延生長時，自摻雜低，便于生長薄外廷層。缺點： 對設(shè)備要求高，有一定的安全性問題（約占30%）Mg2Si + 4 NH4Cl = SiH4 + 4NH3 + 2MgCl2 +Q 反應(yīng)

3、溫度： -30-33條件：液氨中。液氨作溶劑、催化劑Mg2Si：NH4Cl = 1：3 Mg2Si ：液氨 =1：10硅烷的提純：低溫精餾、吸附法(使用分子篩吸附雜質(zhì))分子篩是一類多孔材料，其比表面積大，有很多納米級的孔，可用于吸附氣體（分子篩+活性炭）。規(guī)格為： 3A， 4A，5A，13X (10埃)型，指其孔洞的大小。硅烷熱分解 SiH4 = Si + 2 H2 條件：高溫?zé)岱纸獾臏囟瓤刂圃?00，熱分解的產(chǎn)物之一氫氣必須隨時排除，保證反應(yīng)用右進(jìn)行。3.為什么不用四氯化硅還原法？硅的收率低，生成的其他東西不能良好使用。早些年使用，現(xiàn)在基本不用。第二章 區(qū)熔提純提純方法：1.純固相：分凝 2

4、.固液：精餾 3.固氣：吸附分凝現(xiàn)象或偏析現(xiàn)象：將含有雜質(zhì)的晶態(tài)物質(zhì)熔化后再結(jié)晶時，雜質(zhì)在結(jié)晶的固體和未結(jié)晶的液體中的濃度是不同的。區(qū)熔提純：利用分凝現(xiàn)象將物料局部熔化形成狹窄的熔區(qū)，并令其沿錠長一端緩慢地移動到另一端，重復(fù)多次使雜質(zhì)盡量集中在尾部或頭部，進(jìn)而達(dá)到使中部材料提純的目的。平衡分凝系數(shù)k0=雜質(zhì)在固相中的濃度 CS/雜質(zhì)在液相中的濃度 CL平衡分凝系數(shù)描述了固液平衡體系中雜質(zhì)的分配關(guān)系能使材料熔點下降的雜質(zhì)，K0<1，熔融再凝固結(jié)晶時固相中的濃度小于液相中的濃度，所以提純時雜質(zhì)向尾部集中。能使材料熔點上升的雜質(zhì)，K0>1，提純時雜質(zhì)向頭部集中有效分凝系數(shù)Keff,是平衡

5、分凝系數(shù)K0，固液界面移動速度f，擴散層厚度，和擴散系數(shù)D 的函數(shù)。一次區(qū)熔與正常凝固的比較：正常凝固比一次區(qū)熔提純的效果好。熔區(qū)越寬，提純效果越好。最后一個熔區(qū)屬于正常凝固，不服從區(qū)熔規(guī)律。質(zhì)量輸運或質(zhì)量遷移：區(qū)熔時，物質(zhì)會從一端緩慢地移向另一端的現(xiàn)象。原因：物質(zhì)熔化前后材料密度變化。熔化時體積縮小，輸運的方向與區(qū)熔的方向一致，例如鍺、硅；熔化時體積增大，輸運的方向與區(qū)熔的方向相反。 解決：在水平區(qū)熔時，將錠料容器傾斜一個角度，用重力作用消除質(zhì)量輸運效應(yīng)。第三章 晶體生長晶體形成的熱力學(xué)條件氣-固相轉(zhuǎn)變條件：溫度不變，物質(zhì)的分壓大于其飽和蒸汽壓。 壓力不變，物質(zhì)的溫度低于其凝華點。固-液相轉(zhuǎn)

6、變的條件： 對熔體，壓力不變，物質(zhì)的溫度低于其熔點不能看出的條件： 液-固相，對溶液，物質(zhì)的濃度大于其溶解度。 總結(jié)：氣固相變，過飽和蒸氣壓。液固相變過程時，過飽和度。固固相變過程時，過冷度。結(jié)晶過程是由形核與長大兩個過程所組成均勻形核：當(dāng)母相中各個區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率相同，晶核由液相中的一些原子團(tuán)直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外來表面的影響，又稱均質(zhì)形核或自發(fā)形核。非均勻形核：若新相優(yōu)先在母相某些區(qū)域中存在的異質(zhì)處形核，即依附于液相中的雜質(zhì)或外來表面形核。又稱異質(zhì)形核或非自發(fā)形核臨界狀態(tài)下的體系自由能形核功：在臨界狀態(tài)下，成核必須提供1/3的表面能，這部分由外部提供的能量，稱形核功。Gmax=1

7、/3 Gs P39層生長理論：在晶核的光滑表面上生長一層原子面時，質(zhì)點在界面上進(jìn)入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹入角的位置。（能量最低，G*最低，最穩(wěn)定）螺旋生長理論：在晶體生長界面上螺旋位錯露頭點所出現(xiàn)的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作為晶體生長的臺階源，促進(jìn)光滑界面上的生長。位錯是晶體中的一維缺陷，它是在晶體某一列或若干列原子出現(xiàn)了錯位現(xiàn)象，即原子離開其平衡位置，發(fā)生有規(guī)律的錯動。單晶生長：鍺單晶主要用直拉法，硅單晶常采用直拉法與懸浮區(qū)熔法直拉法：有坩堝，電阻加熱，直徑大，電阻低，摻雜易，雜質(zhì)多區(qū)熔法：無坩堝，高頻加熱，直徑小，電阻高，摻雜難，雜質(zhì)低直拉法工藝：爐體、籽晶、硅多晶，摻雜

8、劑，石英坩堝清潔處理裝爐抽真空（或通保護(hù)氣體加熱熔化潤晶（下種）縮頸（消除位錯）放肩等徑生長拉光降溫出爐性能測試懸浮區(qū)熔法用于與容器反應(yīng)比較嚴(yán)重的體系，例如硅。由于熔融的硅有較大的表面張力和小的密度，所以懸浮區(qū)熔法正是依靠其表面張力支持正在生長的單晶的熔區(qū)。片狀單晶的制法主要有：枝蔓法和蹼狀法，斯杰哈諾夫法，EFG法，橫拉法。枝蔓法是在過冷熔體中生長樹枝狀晶體，選取枝蔓籽晶和過冷液體接觸，可生長成平行的，具有孿晶結(jié)構(gòu)的雙晶薄片。蹼狀法是以兩枝枝蔓為骨架，在過冷熔體中迅速提拉，利用熔融硅較大的表面張力，帶出一個液膜，凝固后可得蹼狀晶體。斯杰哈諾夫法是將有狹縫的導(dǎo)模具放在熔體中，熔體通過毛細(xì)管現(xiàn)象

9、由狹縫上升到模具的頂端，在此熔體部分下入晶種，按導(dǎo)模狹縫規(guī)定的形狀連續(xù)地拉制晶體，其形狀完全由毛細(xì)管狹縫決定。橫拉法是利用坩堝內(nèi)的熔硅的表面張力形成一個凸起的彎月面，用片狀籽晶在水平方向與熔硅熔接，利用氬或氦等惰性氣體強制冷卻，造成與籽晶相接的熔體表面的過冷層來進(jìn)行生長EFG法：在潤濕角滿足0<<90°的條件下，使得熔體在毛細(xì)管作用下能上升到模具的頂部，并能在頂部的模具截面上擴展到模具的邊緣而形成一個薄膜熔體層，再用籽晶引出成片狀的晶體。第四章直拉法單晶中縱向電阻率均勻性的控制 (1)變速拉晶法。此法基于Cs=KCL這一基本原理，因為在拉晶時，若雜質(zhì)K<l，CL將不

10、斷增大，要保持Cs不變，則必須使K值變小。實際上，K應(yīng)為Keff，它隨拉速和轉(zhuǎn)速而變。當(dāng)拉速f小時，KeffK0， f 增大，Keff也增加。 (2)雙坩堝法：當(dāng)拉出部分單晶，內(nèi)坩堝的CL變大時，外坩堝中的鍺液進(jìn)入內(nèi)坩堝，又使CL變小。第五章 硅外延生長外延生長：在一定條件下，在經(jīng)過切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上，生長一層合乎要求的單晶層的方法。直接外延是用加熱、電子轟擊或外加電場等方法使生長的材料原子獲得足夠能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長的方法，如真空淀積、濺射、升華等。間接外延是利用化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長外延層，廣義上稱為化學(xué)氣相沉積CVD。外延生長的特點： (1)可以

11、在低(高)阻襯底上外延生長高(低)阻外延層。 (2)可以在P(N)型襯底上外延生長N(P)型外延層。 (3)與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進(jìn)行選擇外延生長，為集成電路和結(jié)構(gòu)特殊的器件的制作創(chuàng)造了條件。 (4)可以在外延生長過程中根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度，濃度的變化可以是陡變的，也可以是緩變的。 (5)可以生長異質(zhì)，多層，多組分化合物且組分可變的超薄層。 (6)可在低于材料熔點溫度下進(jìn)行外延生長，生長速率可控，可以實現(xiàn)原子級尺寸厚度的外延生長。 (7)可以生長不能拉制單晶材料，如GaN，三、四元系化合物的單晶層等。 氣相硅外延生長是在高溫下使揮發(fā)性強的硅源與氫氣發(fā)生反應(yīng)或熱解，生成的硅原子淀積

12、在硅襯底上長成外延層。 通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCL4。硅外延生長設(shè)備主要由四部分組成，即氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸運及控制系統(tǒng)、加熱設(shè)備和反應(yīng)室。硅的異質(zhì)外延SOS，在藍(lán)寶石或尖晶石襯底上外延生長硅。SOI,先在硅晶圓上嵌埋一層Si02絕緣層，以此絕緣層作為基板來制造晶體管.SOI制備方法：熔化橫向生長，CVD橫向生長，氧離子注入隔離法、硅片面鍵合法第六章 III-V化合物半導(dǎo)體負(fù)阻現(xiàn)象：當(dāng)外電場超過一定值時，電子可由遷移率大的主能谷轉(zhuǎn)移到遷移率較小的次能谷，而出現(xiàn)電場增大電流減小的負(fù)阻現(xiàn)象，這是制作體效應(yīng)微波二極管的基礎(chǔ)。GaP發(fā)光機理（間接帶隙）目前已用Ga

13、P制出了很好的發(fā)紅、綠、黃等光的發(fā)光二極管，而且發(fā)光效率很高，這是因為某些雜質(zhì)在GaP，中可形成發(fā)光的輻射復(fù)合中心，使GaP從間接躍遷向直接躍遷轉(zhuǎn)化的緣故。 1）當(dāng)GaP摻入一些雜質(zhì)時，這些雜質(zhì)在禁帶中形成一定的雜質(zhì)能級，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴可通過這些雜質(zhì)能級進(jìn)行復(fù)合而發(fā)光。 2） GaP摻入一些雜質(zhì)時，還可以形成等電子陷阱束縛激子，將間接躍遷轉(zhuǎn)化為直接躍遷而發(fā)光。GaAs制備方法1.水平布里奇曼法（雙溫區(qū)橫拉法）：As:Ga=1:1 溫度T1237；As 617 Ga 1250 9.5*104 Pa 缺點：“粘舟”，即GaAs與石英舟粘在一起不易分開。2.液態(tài)密封法它是在高壓爐內(nèi)，將欲

14、拉制的化合物材料盛于石英坩堝中，上面覆蓋一層透明而黏滯的惰性熔體，將整個化合物熔體密封起來，然后再在惰性熔體上充以一定壓力的惰性氣體，用此法來抑制化合物材料的離解，用這種技術(shù)可拉制(GaAs、InP、GaP等的大直徑單晶。B2O3密度比化合物材料小，透明，不與化合物及石英坩堝反應(yīng)，易提純，蒸氣壓低，易熔化，易去掉。IIIV族化合物的平衡相圖的分析方法分析圖6-10，（1）說明各圖的意義，（2）從相圖中如何確定生長GaAs的工藝條件。 PPT第八講P4-P7通過分析相圖，可知：1、 根據(jù)圖a，可知GaAs的熔點為1237，合成GaAs要求溫度較高。2、根據(jù)圖b，可知在780以上，砷的蒸汽壓大于1

15、06Pa（10個大氣壓），如果直接把As和Ga放在密封容器中加熱，壓力太大，對設(shè)備要求高，不易拉制單晶，而且在高壓下拉制的單晶位錯密度大。根據(jù)圖C， GaAs（固）和液相平衡時，砷的蒸汽壓為9.5×104Pa，只要維持這個壓力就可以長出化學(xué)計量比為1：1的GaAs，偏離此壓力，則產(chǎn)物中會砷或鎵的比例會偏大。3、根據(jù)圖b中的曲線4-2-1（純砷的蒸汽壓與溫度的關(guān)系）可知，固態(tài)砷在617時的蒸汽壓為1×105Pa，可設(shè)計一個二溫區(qū)的設(shè)備。在一抽空的石英管兩端放置砷和鎵，砷端的溫度為617，鎵端的溫度大于1237，砷蒸汽與鎵反應(yīng)完全，達(dá)到平衡后，熔體中Ga與As的化學(xué)計量比一定是

16、1：1 第七章III-V族化合物半導(dǎo)體的外延生長氣相外延生長VPE：鹵化物法，氫化物法，金屬有機物氣相外延生長MOVPE液相外延生長LPE分子束外延生長MBE金屬有機物氣相外延生長MOVPE：采用族、族元素的有機化合物和V族、族元素的氫化物等作為晶體生長的源材料，以熱分解方式在襯底上進(jìn)行外延生長一V族，一族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元化合物的薄層單晶。 常用原料：TMGTMITMAITEGTEIDMZnDEZnDMCADECA· 三甲基鎵 Tri-methyl-gallium TMGTMGa· 三甲基銦 Tri-methyl-indium TMITMIn· 三甲基鋁

17、 Tri-methyl-alumium TMAI· 三乙基鎵 Tri-ethyl-gallium TEGTEGa· 三乙基銦 Tri-ethyl-indium TEITEIn· 二甲基鋅 Di-methyl-zinc DMZn· 二乙基鋅 Di-ethyl-zinc DEZn· 二甲基鎘 Di-methyl-cadmium DMCA· 二乙基鎘 Di-ethyl-cadmium DECA優(yōu)點：(1)可以通過精確控制各種氣體的流量來控制外延層的性質(zhì)(2) 反應(yīng)器中氣體流速快，可以迅速改變多元化合物組分和雜質(zhì)濃度(3) 晶體生長是以熱分解

18、方式進(jìn)行，是單溫區(qū)外延生長，需要控制的參數(shù)少，設(shè)備簡單。便于多片和大片外延生長，有利于批量生長。(4) 晶體的生長速度與金屬有機源的供給量成正比，因此改變其輸入量，可以大幅度地改變外延生長速度。(5) 源及反應(yīng)產(chǎn)物中不含有HCl一類腐蝕性的鹵化物，因此生長設(shè)備和襯底不被腐蝕，自摻雜比較低。MOVPE設(shè)備：源供給系統(tǒng)，氣體輸運系統(tǒng)，反應(yīng)室和加熱系統(tǒng)，尾氣處理系統(tǒng)，安全保護(hù)及報警系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分子束外延MBE：在超高真空條件下，用分子束或原子束輸運源進(jìn)行外延生長的方法。優(yōu)點：源和襯底分別進(jìn)行加熱和控制，生長溫度低；生長速度低(0.1-1nm/s)，利用快門可精密地控制摻雜、組分和厚度，是一種原子級的生長技術(shù)，有利于生長多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)；MBE生長不是在熱平衡條件下進(jìn)行的，是一個動力學(xué)過程，因此可以生長一般熱平衡生長難以得到的晶體；生長過程中，表面處于真空中，利用附設(shè)的設(shè)備可進(jìn)行原位(即時)觀測，分析、研究生長過程、組分、表面狀態(tài)等。MBE設(shè)備：真