薄膜導(dǎo)體材料

在薄膜混合集成電路中，薄膜導(dǎo)體用作電路內(nèi)部元器件的互連線、薄膜電阻的端頭電極、薄膜電容的電極、薄膜電感線圈、微帶線、外貼元器件的焊區(qū)、外引線焊區(qū)等。對薄膜導(dǎo)體的主要要求是：導(dǎo)電性好、附著性好，化學(xué)穩(wěn)定性高、可焊性和耐焊接性好、成本低。薄膜導(dǎo)體的電阻率高于塊狀材料，這是由于薄膜的厚度較薄所產(chǎn)生的表面散射效應(yīng)以及薄膜具有較高的雜質(zhì)和缺陷濃度所成的結(jié)果。連續(xù)金屬薄膜的電阻率為聲子、雜質(zhì)、缺陷、晶界和表面對電子散射所產(chǎn)生的電阻率之和。

復(fù)合薄膜導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)一般包括底層和頂層兩部分。底層也稱為粘附層，主要起粘附作用，使頂層導(dǎo)體膜能牢固地附著在基片上；頂層主要起導(dǎo)電和焊接作用。薄膜的附著性取決于膜層與基片的結(jié)合形式。當(dāng)它們是化學(xué)鍵結(jié)合時(shí)，附著性就好；當(dāng)它們是物理吸附時(shí)，即由范氏力形成結(jié)合時(shí)，薄膜的附著性就差。導(dǎo)電性好、可焊性好的金屬常是化學(xué)穩(wěn)定性高，不易與基片形成化學(xué)結(jié)合。所以，為使它能牢固地附著在基片上，則必須通過“打底”，即確：它與基片之間加一過渡層(即粘附用的底層)。因此，復(fù)合膜中的底層是采用易氧化的金屬，以便與基片中的氧形成化學(xué)鍵。頂層則采用導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性高的金屬。此外，有時(shí)還在上述兩層間加入中間層，以阻止兩層的相互擴(kuò)散和降低其成本。

薄膜導(dǎo)體材料相對于塊(狀)體導(dǎo)電材料而來。在薄膜混合集成電路中用以制作電路內(nèi)部元器件之間的互連線、薄膜電阻電容的端頭電極、薄膜電感線圈導(dǎo)線、微帶線、外貼元器件的焊區(qū)和外引線焊區(qū)的材料。要求導(dǎo)電性好、附著性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、可焊性和耐焊接性好以及成本低等。這種材料分為單元素薄膜導(dǎo)體材料和復(fù)合薄膜導(dǎo)體材料兩類。前者系指用單一金屬(如鋁、銀、金等)形成的薄膜導(dǎo)體，后者系指由不同金屬膜構(gòu)成的薄膜導(dǎo)體。

薄膜導(dǎo)體材料分為兩類：單元素薄膜和復(fù)合薄膜。前者系指用單一金屬形成的薄膜導(dǎo)體，其主要材料是鋁膜；后者系指不同的金屬膜構(gòu)成的薄膜導(dǎo)體：有二元系統(tǒng)(如鉻金)、三元系統(tǒng)(如鈦-鈀-金)、四元系統(tǒng)(如鈦-銅-鎳-金)等。薄膜混合集成電路中，應(yīng)用最為廣泛的薄膜導(dǎo)體是復(fù)合薄膜。這是因?yàn)閺?fù)合薄膜能較好地滿足對薄膜導(dǎo)體的要求。

制備不同的半導(dǎo)體器件對半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。

所有的半導(dǎo)體材料都需要對原料進(jìn)行提純，要求的純度在6個“9”以上，最高達(dá)11個“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學(xué)提純。物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是區(qū)域精制?；瘜W(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)合、萃取、精餾等，使用最多的是精餾。由于每一種方法都有一定的局限性，因此常使用幾種提純方法相結(jié)合的工藝流程以獲得合格的材料。

絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導(dǎo)體單晶都是用熔體生長法制成的。直拉法應(yīng)用最廣，80%的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產(chǎn)的，其中硅單晶的最大直徑已達(dá)300毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產(chǎn)出高均勻性硅單晶。在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法，用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長高純硅單晶。水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。水平定向結(jié)晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結(jié)晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的晶片。

在單晶襯底上生長單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業(yè)生產(chǎn)使用的主要是化學(xué)氣相外延，其次是液相外延。金屬有機(jī)化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結(jié)構(gòu)。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法制成。

在薄膜電路中主要有四種薄膜：導(dǎo)電、電阻、介質(zhì)和絕緣薄膜。導(dǎo)電薄膜用作互連線、焊接區(qū)和電容器極板。電阻薄膜形成各種微型電阻。介質(zhì)薄膜是各種微型電容器的介質(zhì)層。絕緣薄膜用作交叉導(dǎo)體的絕緣和薄膜電路的保護(hù)層。各種薄膜的作用不同，所以對它們的要求和使用的材料也不相同。

對導(dǎo)電薄膜的要求除了經(jīng)濟(jì)性能外，主要是導(dǎo)電率大，附著牢靠，可焊性好和穩(wěn)定性高。因尚無一種材料能完全滿足這些要求，所以必須采用多層結(jié)構(gòu)。常用的是二至四層結(jié)構(gòu)，如鉻-金（Cr-Au）、鎳鉻-金（NiCr-Au）、鈦-鉑-金（Ti-Pt-Au）、鈦-鈀-金（Ti-Pd-Au）、鈦-銅-金（Ti-Cu-Au）、鉻-銅-鉻-金（Cr-Cu-Cr-Au）等。

微型電容器的極板對導(dǎo)電薄膜的要求略有不同，常用鋁或鉭作電容器的下極板，鋁或金作上極板。

對電阻薄膜的主要要求是膜電阻范圍寬、溫度系數(shù)小和穩(wěn)定性能好。最常用的是鉻硅系和鉭基系。在鉻硅系中有鎳-鉻(Ni-Cr)、鉻-鈷（Cr-Co）、鎳-鉻-硅（Ni-Cr-Si）、鉻-硅（Cr-Si）、鉻-氧化硅(Cr-SiO)、鎳鉻-二氧化硅（NiCr－ ）。屬于鉭基系的有鉭（Ta）、氮化鉭（Ta2N）、鉭-鋁-氮（Ta－Al－N）、 鉭-硅（Ta-Si）、鉭-氧-氮（Ta-O-N）、鉭-硅-氧（Ta-Si-O）等。

對介質(zhì)薄膜要求介電常數(shù)大、介電強(qiáng)度高、損耗角正切值小,用得最多的仍是硅系和鉭系。即氧化硅（SiO）、二氧化硅、氧化鉭和它們的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)： -SiO和 -SiO₂。有時(shí)還用氧化釔，氧化鉿和鈦酸鋇等。

為了減小薄膜網(wǎng)路中的寄生效應(yīng)，絕緣薄膜的介電常數(shù)應(yīng)該很小，因而采用氧化硅（SiO）、二氧化硅、氮化硼（BN）、氮化鋁（AlN）、氮化硅等，適合于微波電路。

半導(dǎo)體材料特性參數(shù)

半導(dǎo)體材料雖然種類繁多但有一些固有的特性，稱為半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)。這些特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別，而且更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下特性上的量的差別。常用的半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有：禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率(載流子即半導(dǎo)體中參加導(dǎo)電的電子和空穴)、非平衡載流子壽命、位錯密度。禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中價(jià)電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場）下內(nèi)部的載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的弛豫特性。位錯是晶體中最常見的一類晶體缺陷。位錯密度可以用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度。當(dāng)然，對于非晶態(tài)半導(dǎo)體是沒有這一反映晶格完整性的特性參數(shù)的。

半導(dǎo)體材料特性要求

半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)對于材料應(yīng)用甚為重要。因?yàn)椴煌奶匦詻Q定不同的用途。

晶體管對材料特性的要求 ：根據(jù)晶體管的工作原理，要求材料有較大的非平衡載流子壽命和載流子遷移率。用載流子遷移率大的材料制成的晶體管可以工作于更高的頻率（有較好的頻率響應(yīng)）。晶體缺陷會影響晶體管的特性甚至使其失效。晶體管的工作溫度高溫限決定于禁帶寬度的大小。禁帶寬度越大，晶體管正常工作的高溫限也越高。

光電器件對材料特性的要求：利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)（光照后增加的電導(dǎo)）性能的輻射探測器所適用的輻射頻率范圍與材料的禁帶寬度有關(guān)。材料的非平衡載流子壽命越大，則探測器的靈敏度越高，而從光作用于探測器到產(chǎn)生響應(yīng)所需的時(shí)間(即探測器的弛豫時(shí)間)也越長。因此，高的靈敏度和短的弛豫時(shí)間二者難于兼顧。對于太陽能電池來說，為了得到高的轉(zhuǎn)換效率，要求材料有大的非平衡載流子壽命和適中的禁帶寬度(禁帶寬度于1.1至1.6電子伏之間最合適)。晶體缺陷會使半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光二極管的發(fā)光效率大為降低。

溫差電器件對材料特性的要求：為提高溫差電器件的轉(zhuǎn)換效率首先要使器件兩端的溫差大。當(dāng)?shù)蜏靥幍臏囟龋ㄒ话銥榄h(huán)境溫度）固定時(shí)，溫差決定于高溫處的溫度，即溫差電器件的工作溫度。為了適應(yīng)足夠高的工作溫度就要求材料的禁帶寬度不能太小，其次材料要有大的溫差電動勢率、小的電阻率和小的熱導(dǎo)率。