薄膜導(dǎo)體材料性能

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。

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。

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。這是因為復(fù)合薄膜能較好地滿足對薄膜導(dǎo)體的要求。

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。當它們是化學鍵結(jié)合時，附著性就好；當它們是物理吸附時，即由范氏力形成結(jié)合時，薄膜的附著性就差。導(dǎo)電性好、可焊性好的金屬常是化學穩(wěn)定性高，不易與基片形成化學結(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鍵。頂層則采用導(dǎo)電性好、化學穩(wěn)定性高的金屬。此外，有時還在上述兩層間加入中間層，以阻止兩層的相互擴散和降低其成本。

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行提純，要求的純度在6個“9”以上，最高達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組成進行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學提純。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)使用的主要是化學氣相外延，其次是液相外延。金屬有機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。因為不同的特性決定不同的用途。

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)所需的時間(即探測器的弛豫時間)也越長。因此，高的靈敏度和短的弛豫時間二者難于兼顧。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?shù)蜏靥幍臏囟龋ㄒ话銥榄h(huán)境溫度）固定時，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。