半导体复习.doc

1、一、填空：1.固体材料中原子的结合方式有金属键、离子键、分子键、共价键和氢键，在 GaAs 等半导体材料中原子之间的化学键类型是共价键。2.金刚石电阻率很高，但掺杂可使电阻率降低，常采用元素 B 进行 P 型 掺杂，以产生 受主能级 。3.实际应用的最早半导体材料是 硒（或 Se）。4.在 20 世纪 50 年代， Ge 是主要的半导体电子材料。5.在纯净的单晶 Ge 中掺杂 As，这时 Ge 为 N 型半导体，多数载流子是电子。6.本征半导体的载流子包括电子、空穴，均参与导电。7.在自然界中是没有游离态的硅，主要以 二氧化硅 和 硅酸盐 的形式存在。8.在 Si、Ge、GaN 中，禁带宽度最

2、小的是 Ge，禁带宽度最大的是 GaN。9.金刚石结构是由同一种元素原子按正四面体结构构成的立方点阵，闪锌矿结构是由两种元素的原子按正四面体结构构成的立方点阵。10.半导体材料众多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。11.在集成电路制备工艺中离子注入后退火的作用是 激活杂质和消除损伤。12.在纯净的单晶 InP 中掺杂 S，这时 InP 为 P 型半导体，多数载流子是空穴。13.GaAs 的能带结构为直接跃迁型，并存在导带电子的子能谷，且子能谷与主能谷的能量差小于禁带宽度而大于 KT。14.非晶态固体的原子排列特征：短程有序、长程无序。15.未有意掺杂的 GaN 在各种情况下都呈

3、 n 型 ，通常所制备的 P 型样品，都是 高补偿 的。 16.在扩散工艺中，对于一定的杂质来说，氧化层提供掩蔽的时间依赖于氧化物的厚度、扩散温度和衬底掺杂。17.单晶硅籽晶常用的有哪些晶向？生长的单晶具有怎样的棱线？（1）目前用得最多的有 111和100 晶向，偶尔用到110 晶向。（2）用 11l 晶向籽晶生长 的单晶仍然是 111 晶向，它具有三条对称的棱线，互成 120 分布 ;用 100 晶向的籽晶，生长的单晶仍然是 100晶向，它具有四条互成 90 分布的对称棱线。18.直拉法中熔体的对流方式：热源引起的自然对流、表面张力引起的对流、晶体生长引起的对流、晶体转动引起的对流、坩埚转动

4、引起的对流。19.实现多晶硅定向凝固生长的四种方法: 布里曼法、热交换法、浇铸法、电磁铸锭法。二、名词解释（5*2）1、电负性：原子吸引其在化合键中与另一个原子之共有电子偶的能力。其值为：原子的电离能与电子亲和能之和。2、离子注入：使待掺杂原子（分子）电离，加速到一定能量并注入到晶体中，经退火激活杂质，达到掺杂的目的。3、少子寿命：是在均匀半导体中，少数载流子产生与复合之间的平均时间间隔，也就是非平衡少数载流子平均存在的时间。(非平衡态载流子的寿命：光照停止后非平衡载流子生存一定时间然后消失，撤除光照后非平衡载流子的平均生存时间 )4、自补偿效应：伴随掺入而产生与掺入杂质互为补偿的电活性缺陷（

5、空位），从而使杂质掺入无效的效应。5、快速气相掺杂：是一种掺杂剂从气相直接向硅中扩散、并形成超浅结的快速掺杂工艺。6、固溶体半导体：是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶半导体或合金半导体。7、原位掺杂：在制备材料过程中直接掺入杂质，以达到掺杂目的的半导体制造工艺。8、沟道效应：一束准直带电粒子同单晶相互作用，往往表现出强烈的方向效应，当入射方向接近某一主晶轴或主晶面时，核反应、内壳 X 射线激发和大角度卢瑟福散射等（统称近距相互作用）产额大大减少，粒子射程明显增加，这就是沟道效应。9、杂质工程：通过控制杂质及其浓度在半导体中的空间分布来实现

6、半导体的使用价值。10、能带工程：半导体工艺中，通过对材料的能带结构进行合理“剪裁”来实现半导体的使用价值。三、问答1.什么是直接带隙半导体？什么是间接带隙半导体？所对应的电子跃迁形式是什么？各跃迁形式又有什么特点？硅锗属于什么类型，GaAs 属于什么类型？（1）直接间隙半导体：价带的极大值和导带的极小值都位于 k 空间的同一点上，直接跃迁对应的半导体材料称为直接带隙半导体；特点：价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，是直接跃迁。（2）间接带隙半导体：价带的极大值和导带的极小值都位于 k 空间的不同点上，间接跃迁对应的半导体材料称为间接带隙半导体。特点：价带的电子

7、跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变。是间接跃迁。（3）硅锗属于间接带隙结构类型，GaAs（GaN,ZnO ）属于直接带隙结构类型。2.集成电路中，SiO 2 的作用是什么？如何产生 SiO2层？热氧化法制备氧化硅层的影响因素？（1）作用：在半导体器件中起着重要作用：1. 对杂质扩散起掩蔽作用；2. 对器件的表面保护和钝化作用 3.用于器件的绝缘隔离层；4.用作 MOS 器件的绝缘栅材料等。（2）制备 SiO2：方法有热氧化法、化学气相淀积法、热分解淀积法、溅射法、真空蒸发法、阳极氧化法等，其中最重要的是热氧化法，即硅与氧或水汽等氧化剂在高温下生成 SiO2。干氧氧化：

8、Si+O2SiO2,主要用于形成器件结构中关键性的绝缘区域，如 MOS 栅氧化层；水汽氧化：Si+2H2OSiO2+2H2湿氧氧化：氧化剂是通过高纯水（一般被加热至 95左右）的氧气，既有氧又有水。氢氧合成：氧化剂是有纯氢和纯氧反应生成的水汽。（3）因素：1.温度；2.气体压强。在氧化速率一定的条件下，压强增强可以使氧化温度下降；在同样温度下生长给定厚度的氧化硅，氧化时间可以减少；3.氧化氛围（干氧、水汽或HCl）。水汽有明显的增强氧化的作用。但对干氧来说，水汽为杂质，增加了陷阱密度，应尽量避免；4.衬底晶向；5.衬底掺杂。3.最早实现实际应用的半导体材料是什么？与之相比，Si 有什么优缺点？

9、（1）硒（Se）。（2）硅的优点：1.资源丰富、易于提高到极纯的纯度；2.较易生长出大直径无位错单晶；3.易于对进行可控 N型和 P 型掺杂；4.易于通过沉积工艺制备出单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜材料；5.易于进行腐蚀加工；6.带隙大小适中；7.硅有相当好的力学性能；8.硅本身是一种稳定的绿色材料；9.可利用多种金属和掺杂条件在硅上制备低阻欧姆接触；容易截断或者解理硅晶体；硅表面上很容易制备高质量的介电层SiO2.缺点：最大频率范围0，即 dT/dX0，温度梯度接近于常数；3.长晶速度受工作台下移速度及水流量控制，长晶速度接近于常数，并可以调节；4.硅锭高度主要受设备及坩埚高度的限制；缺点：炉子

10、结构比热交换法复杂，坩埚需升降且下降速度必须平稳，其次坩埚底部需水冷。（2）热交换法。特点：1.坩埚和热源在熔化及凝固整个过程中均无相对位移。2.温场的控制与调节难度要大。3.长晶速度及温度梯度为变数。而且锭子高度受限制，要扩大容量只能是增加硅锭截面积。最大优点是炉子结构简单。这二者称为定向凝固法。（3）电磁铸锭法。优点：1.所得锭中各杂质含量基本与原料相同，氧含量有所降低，铜略高;2. 冷坩埚寿命长，可重复利用，有利于成本的降低;3.铸锭性能稳定、均匀，避免了常规浇注法过程中因杂质分凝导致的铸锭头尾质量较差、需切除的现象，材料利用率高;缺点：1. 所得多晶硅锭晶粒较小，外围贴壁晶粒尺寸小于1

11、mm，中间部分稍大，但也仅 12 mm ;2.所得多晶硅晶内缺陷较多。（4）浇铸法。特点：工艺成熟、设备简单、易于操作控制，目前实现半连续化生产，其熔化、结晶、冷却都分别位于不同的地方，有利于生产效率的提高和能耗的降低。然而，其熔炼与结晶成形在不同的坩埚中进行，容易造成熔体的一次污染；且炉产量小；由于晶界、亚晶界的不利影响，电池转换效率较低。5.多晶硅铸锭炉设备组成有哪些？多晶硅片的生产的核心设备为大容量多晶硅铸锭炉，由罐状炉体、加热器、装载及隔热笼升降机构、送气及水冷系统、控制系统和安全保护系统组成。此外，抽真空系统由机械泵和罗茨泵、比例阀旁路抽气系统组成，。保证硅锭在生长过程中，处于良好的

12、气氛中。加热系统（完成硅锭在长晶过程中对温度的精确要求）、测温系统（检测炉内硅锭长晶过程中温度变化，给长晶状况实时分析判断系统提供数据，以便随时调整长晶参数，使这一过程处于良好状态。）、保温层升降系统（保证在长晶过程中，保持良好的长晶速度）、压力控制系统和其他辅助系统如熔化及长晶结束自动判断系统、系统故障诊断及报警系统。6.铸造多晶硅中的杂质和缺陷有哪些？（1）杂质：多晶硅中的氧。它主要来自于石英坩埚的玷污。在硅的熔点温度下，硅和二氧化硅发生如下反应: Si+SiO22SiO，一部分 SiO 从熔液表面挥发掉，其余的 SiO 在熔液里分解，反应如下: SiOSi+O。多晶硅中的碳。主要来源于石

13、墨坩埚或石墨托的玷污。在硅锭的生长过程中反应产生 CO,CO 与硅熔体表面接触并溶解。硅中的碳元素来源也有两个，一个是金属硅中所带来的。另外，在多晶硅炉中，由于通常采用石墨加热件和碳毡保温体，因此在高温下会有碳蒸汽的挥发进入到硅中，也会增加硅中的碳含量。多晶硅中的过渡金属元素。主要有Fe,Co,Ni,Cu,Au,Zn,Pt 等，其中大部分(如Fe,Ni,Cu 等)主要占据的是间隙位置，而 Au, Zn, Pt 在硅中则主要是以替代位存在的。多晶硅中的氮。在物理法多晶硅的生产过程中，不少是采用氮气保护，而且坩埚涂层里面的氮化硅在高温下也会部分与硅反应，或者氮化硅颗粒直接进入硅液中，将导致细晶的产

14、生，增加晶界数量，最终影响太阳能电池的性能。（2）缺陷：多晶硅中存在高密度的、种类繁多的缺陷，如晶界、位错、小角晶界、孪晶、亚晶界、空位、自间隙原子以及各种微缺陷等。7.半导体概念及分类？(1)定义：在绝对零度时无任何导电能力，但其导电性随温度升高呈总体上升趋势，且对光照等外部条件和材料的纯度与结构完整性等内部条件十分敏感的一类材料。（2）分类：按功能和应用分：压电、热电、光电、磁电、微波、气敏半导体等；按组成分：无机半导体（元素、化合物）和有机半导体；按结构分：晶体和非晶、无定形。8.简述硅材料中 O 杂质的来源及其对硅材料性能的影响？（1）来源：热处理过程中，过饱和间隙氧会在晶体中偏聚，沉

15、淀而形成氧施主、氧沉淀和二次缺陷等；（2）影响：1.氧沉淀机械性能有利影响：产生钉扎位错，提高硅片的机械强度，减少硅片损伤。不利影响：氧沉淀过大会导致硅片翘曲，并引入二次缺陷。2。氧沉淀电学性能：诱发位错、层错等二次缺陷，使电学性能变坏（漏电流，击穿电压）。9.简述集成电路中光刻工艺的具体步骤及作用？1.涂胶（甩胶）：在硅片表面形成厚度均匀、 附着性强、没有缺陷的光刻胶薄膜。2.前烘：去溶剂，减少灰尘污染，保持曝光精确度，减少显影溶解致厚度损失，减轻高速旋转致薄膜应力。3.曝光：以正胶为例，感光剂 DQ 受光变为乙烯酮，再变为羧酸。4.显影：是曝光后光刻胶层中形成的潜在图形显现出来。5.坚膜：

16、除去光刻胶中的剩余溶液，增加附着力，提高抗蚀能力。6.刻蚀或注入：去除没有被掩模材料覆盖区域的薄膜材料。7.去胶：将光刻胶从硅片的表面除去，包括干法去胶和湿法去胶。10.半导体相比，非晶硅半导体有何特点？与晶态半导体材料相比，非晶态半导体材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布的。由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，可以看到与晶体非常相似的结构特征。所以，一般将非晶态材料的结构描述为：“长程无序，短程有序”。11常用的半导体材料扩散掺杂有哪些，各有什么优缺点？相应的杂质分布如何？包括：恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓

17、度始终不变。有限表面源扩散：在扩散以前，表面放入一定量的杂质源，而在以后的扩散中不再有新杂质源补充。优点：1.整个扩散过程中杂质总量保持不变；2.表面杂质浓度可控，有利于制作表面浓度低、深度达的 P-N 结。实际常采用两步扩散：第一步，预扩散或预淀积，恒定表面源，余误差分布；第二步，主扩散或再分布，有限表面源，高斯分布。12什么是离子注入，与扩散掺杂相比，离子注入有何优点？（1）离子注入：使待掺杂原子（分子）电离，加速到一定能量并注入到晶体中，径退火激活杂质，达到掺杂目的。（2）优点：1.离子纯度高，能量单一，保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响，注入过程在高真空下进行，避免了污染；2.可精确控

18、制注入到硅中的掺杂数目；3.衬底无需加热，可用光刻胶掩蔽；4.通过控制注入能量和剂量，以及采用多次注入等，可得到各种形式杂质分布；5.掺杂不受杂质在衬底中的固溶度限制，对各种元素都可掺杂，使掺杂更灵活；6.衬底温度低，避免改变内部杂质分布；7.注入具有直进性，横向效应小，有利于提高集成度；8.可实现化合物半导体掺杂。9、半导体集成电路的制备工艺包括哪些步骤？一硅片制备（切磨、抛）1、晶体的生长（单晶硅材料的制备）： 1) 粗硅制备: SiO2+2H2=Si+2H2O 99 经过提纯: 99.999999% 2) 提拉法。2、晶体切片：切成厚度约几百微米的薄片二、晶圆处理制程： 主要工作为在硅晶

19、圆上制作电路与电子元件。 包括功能设计，模块设计，电路设计，版图设计，制作光罩。工艺流程： 1、表面清洗 晶圆表面附着一层大约 2um 的 Al2O3 和甘油混合液保护之,在制作前必须进行化学刻蚀和表面清洗。 2、初次氧化 有热氧化法生成 SiO2 缓冲层，用来减小后续中 Si3N4对晶圆的应力。3、CVD 法沉积一层法沉积一层法沉积一层法沉积一层 Si3N4。4、图形转换（光刻与刻蚀）：按照平面晶体管和集成电路的设计要求，在 SiO2 或金属蒸发层上面刻蚀出与掩模板完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属膜布线。6、制膜氧化，制备SiO2 层，制作各种材料的薄膜。 三、后部封装（在另外厂房

20、），流程: 背面减薄、划片、掰片、粘片、压焊、切筋、整形、封装、沾锡、老化、成测、打字、包装 至此，整个集成电路基本工艺流程介绍完毕。作业：李欣丽1. 结合图示，描述热平衡 pn 结的形成过程。热平衡 p-n 结的形成空间电荷区以及内建电场的形成过程热平衡状态时，扩散电流等于漂移电流平衡后：J 扩=J 漂 形成恒定的电场，称为内建场，它存在于结区处于热平衡状态的结称为平衡结。 2. 分别定性地描述和画出正向偏置、反向偏置时pn 结能带图3. 分析 n 型半导体与金属接触形成阻挡层和反阻挡层的条件？并定性画出相应的能带图。4. 结合图示，描述光生电动势原理。2. 正偏 pn 结的能带P N 内+

21、 qVDq(VD V)pn 结正向偏置的影响内建电场强度空间电荷数空间电荷区宽度势垒高度载流子扩散反偏 p-n 结能带qVDq(VD + V)P N 内+pn 结反向偏置的影响内建电场强度空间电荷数空间电荷区宽度势垒高度载流子扩散3、阻挡层接触：设想有一块金属和一块 n 型半导体，并假定金属的功函数大于半导体的功函数，即：WmWs接触前：接触后：金属 半导体中的电子 +E忽略间隙中的电势差时的极限情形半导体一边的势垒高度为：反阻挡层接触：设想有一块金属和一块 n 型半导体，并假定金属的功函数小于半导体的功函数，即：WmWs接触后：电子将从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区，电场方向由表面指向体内，能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高电导的区域，称之为反阻挡层4. 光生电动势原理： FsmsWDsmsqV