薄膜导体材料

在薄膜混合集成电路中，薄膜导体用作电路内部元器件的互连线、薄膜电阻的端头电极、薄膜电容的电极、薄膜电感线圈、微带线、外贴元器件的焊区、外引线焊区等。对薄膜导体的主要要求是：导电性好、附着性好，化学稳定性高、可焊性和耐焊接性好、成本低。薄膜导体的电阻率高于块状材料，这是由于薄膜的厚度较薄所产生的表面散射效应以及薄膜具有较高的杂质和缺陷浓度所成的结果。连续金属薄膜的电阻率为声子、杂质、缺陷、晶界和表面对电子散射所产生的电阻率之和。

复合薄膜导体的结构一般包括底层和顶层两部分。底层也称为粘附层，主要起粘附作用，使顶层导体膜能牢固地附着在基片上；顶层主要起导电和焊接作用。薄膜的附着性取决于膜层与基片的结合形式。当它们是化学键结合时，附着性就好；当它们是物理吸附时，即由范氏力形成结合时，薄膜的附着性就差。导电性好、可焊性好的金属常是化学稳定性高，不易与基片形成化学结合。所以，为使它能牢固地附着在基片上，则必须通过“打底”，即确：它与基片之间加一过渡层(即粘附用的底层)。因此，复合膜中的底层是采用易氧化的金属，以便与基片中的氧形成化学键。顶层则采用导电性好、化学稳定性高的金属。此外，有时还在上述两层间加入中间层，以阻止两层的相互扩散和降低其成本。

薄膜导体材料相对于块(状)体导电材料而来。在薄膜混合集成电路中用以制作电路内部元器件之间的互连线、薄膜电阻电容的端头电极、薄膜电感线圈导线、微带线、外贴元器件的焊区和外引线焊区的材料。要求导电性好、附着性好、化学稳定性高、可焊性和耐焊接性好以及成本低等。这种材料分为单元素薄膜导体材料和复合薄膜导体材料两类。前者系指用单一金属(如铝、银、金等)形成的薄膜导体，后者系指由不同金属膜构成的薄膜导体。

薄膜导体材料分为两类：单元素薄膜和复合薄膜。前者系指用单一金属形成的薄膜导体，其主要材料是铝膜；后者系指不同的金属膜构成的薄膜导体：有二元系统(如铬金)、三元系统(如钛-钯-金)、四元系统(如钛-铜-镍-金)等。薄膜混合集成电路中，应用最为广泛的薄膜导体是复合薄膜。这是因为复合薄膜能较好地满足对薄膜导体的要求。

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

在薄膜电路中主要有四种薄膜：导电、电阻、介质和绝缘薄膜。导电薄膜用作互连线、焊接区和电容器极板。电阻薄膜形成各种微型电阻。介质薄膜是各种微型电容器的介质层。绝缘薄膜用作交叉导体的绝缘和薄膜电路的保护层。各种薄膜的作用不同，所以对它们的要求和使用的材料也不相同。

对导电薄膜的要求除了经济性能外，主要是导电率大，附着牢靠，可焊性好和稳定性高。因尚无一种材料能完全满足这些要求，所以必须采用多层结构。常用的是二至四层结构，如铬-金（Cr-Au）、镍铬-金（NiCr-Au）、钛-铂-金（Ti-Pt-Au）、钛-钯-金（Ti-Pd-Au）、钛-铜-金（Ti-Cu-Au）、铬-铜-铬-金（Cr-Cu-Cr-Au）等。

微型电容器的极板对导电薄膜的要求略有不同，常用铝或钽作电容器的下极板，铝或金作上极板。

对电阻薄膜的主要要求是膜电阻范围宽、温度系数小和稳定性能好。最常用的是铬硅系和钽基系。在铬硅系中有镍-铬(Ni-Cr)、铬-钴（Cr-Co）、镍-铬-硅（Ni-Cr-Si）、铬-硅（Cr-Si）、铬-氧化硅(Cr-SiO)、镍铬-二氧化硅（NiCr－ ）。属于钽基系的有钽（Ta）、氮化钽（Ta2N）、钽-铝-氮（Ta－Al－N）、 钽-硅（Ta-Si）、钽-氧-氮（Ta-O-N）、钽-硅-氧（Ta-Si-O）等。

对介质薄膜要求介电常数大、介电强度高、损耗角正切值小,用得最多的仍是硅系和钽系。即氧化硅（SiO）、二氧化硅、氧化钽和它们的双层复合结构： -SiO和 -SiO₂。有时还用氧化钇，氧化铪和钛酸钡等。

为了减小薄膜网路中的寄生效应，绝缘薄膜的介电常数应该很小，因而采用氧化硅（SiO）、二氧化硅、氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）、氮化硅等，适合于微波电路。

半导体材料特性参数

半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。

半导体材料特性要求

半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同的用途。

晶体管对材料特性的要求 ：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。

光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳能电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁带宽度(禁带宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极管、半导体激光二极管的发光效率大为降低。

温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁带宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。