專利名稱：硅基導電材料及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新的硅基導電材料，其中硅包含數(shù)量相對較多的各種元素，更特別地，涉及一種新的硅基導電材料，這個新的材料允許通過使用離子束技術，將磷，硼，鋁，或者類似的元素注入到一種硅襯底中，來按照一種圖案使所需區(qū)域變成導電，從而使襯底，芯片，和類似的體積更小，并且增加其生產(chǎn)率，其中這個硅基材料能夠被加工成一種片狀的，或者棒狀的，并且用于連接接頭，焊接點等等，或者例如被加工成很細的形狀并且分布在一種樹脂或者玻璃中，來產(chǎn)生一種片狀的導電材料，從而能夠適合于任何需要導電性能的應用。
導電材料需要很多特性。例如，在導電線應用中，例如半導體器件或者各種類型的電子和電氣器件的連線，其電阻必須很低，其抗腐蝕的性能和機械性能必須很好，并且其連接必須很簡單。銅和鋁，以及合金材料，例如銅合金和鋁合金材料，經(jīng)常被作為這個目的而使用。
根據(jù)封裝材料的不同，很多種合金材料可以被采用來作為導電片和導電條的引線基體材料，它們被表示成半導體引線基體材料。在這些材料中，已經(jīng)被使用的有Fe-Ni,Cu-Fe,Cu-Sn，和Cu-Zr系的材料。
各種合金材料，例如那些基于銅，碳，銀，金，或者一種鉑系金屬材料的材料，可以被用作焊接點的材料，作為焊接點的材料，需要有導電性并且具有抗電弧和抗磨損性能。
導電塑料是通過將導電性給予一種塑料(這是一種絕緣體)來生產(chǎn)的，并且被用來防靜電，已經(jīng)被用來制造導電塑料的方法包括將碳黑，碳纖維，或者一種金屬粉末或者纖維混合到一種樹脂中。
因為通過將電阻，電容，二極管和晶體管放置在一種芯片上而實現(xiàn)的高封裝密度，今天的各種電子和電氣器件越來越緊湊，其重量也變輕，但是芯片-套-芯片(chip-in-chip)技術的進步使能夠獲得更高的封裝密度，同時所謂的印制線密度也增加(例如，所使用的銅箔可能比20微米還窄)，并且線的焊接也在變得越來越好。
為了進一步改進芯片-套-芯片技術，已經(jīng)建議使用多層薄膜電路。已經(jīng)形成了其寬度不大于3微米、其厚度不大于0.1微米的一種導電薄膜，通過在層之間絕緣薄膜中的通孔，也可以實現(xiàn)3維走線。鋁薄膜被用作這些導電薄膜，并且在CPU的應用中越來越多地采用銅薄膜。
金屬和合金被用作導電線，例如半導體器件或者各種類型的電子和電氣器件的連線，另外，它們也被用作多層薄膜電路，這些材料已經(jīng)被用作片狀，條狀和線狀，以允許連接到一種支撐襯底或者半導體芯片上，但是，這已經(jīng)對增加精密程度和密度來獲得尺寸更小、重量更輕的產(chǎn)品形成了障礙。
使用一種普通的硅襯底材料或者其它半導體器件襯底材料時，就需要使用導電線或者類似的來獲得所需的導電性能，但是發(fā)明者得到一種結(jié)論，如果能夠在這個芯片上不使用導電線或者類似的，就可以確保所需要的導電性能的話，然后，器件就可以被做得更小和更薄，并且可以減少其部件的數(shù)目，并且各種器件能夠被緊湊地封裝在一單個襯底上。
一種半導體材料的電阻率ρ一般是10-2到109(Ω.m)。硅是一種具有金剛石結(jié)構的一種半導體，其電阻率ρ是2.3×105(Ω.m)，但是它可以通過在其中摻雜硼或者磷而變成一種p-型或者n-型半導體。硅也可以在很大的溫度范圍內(nèi)使用，并且作為一種半導體材料，它能夠允許對電流進行控制，所以硅在今天的很多器件中被使用。通過在硅襯底中摻雜僅一很小數(shù)量的雜質(zhì)(大略萬分之一)就可以控制其pn特性，并且眾所周知，摻雜數(shù)量較大時不能夠控制pn特性。
同時，眾所周知，當在硅中引入數(shù)量很大的雜質(zhì)時，硅就變成金屬化了。T.F.Rosembaum和R.F.Milligan發(fā)表的一篇題為“一種無序金屬的低溫磁致電阻”的論文(1981年12月14日，Physical ReviewLetters的第1758-1761頁)報告了在溫度為100mK下時，金屬Si-P的磁致電阻。它報告，在3mK溫度下的摻雜臨界密度是nc=3.74×1018cm-3，并且其電阻率ρ是2×10-2(Ω.m)。
另外，為了降低制造一種MOSFET過程中，一種部件內(nèi)的電阻，已經(jīng)開發(fā)出硅化物技術，在這個硅化物技術中，一種硅化物層被形成在柵極上和源極與漏電極的擴散層表面上，被研究的材料包括TiSi2,NiSi，和CoSi2。
上面所提到的硅半導體，金屬化Si-P，或者硅化物中沒有一種材料的電阻率ρ比半導體的電阻率要更好(10-2(Ω.m))，并且不能夠被用于來“載帶電流”。
但是，如上所述，如果多晶Si-TFT能夠被形成在一單個玻璃襯底上和各種器件例如微處理器能夠形成在周圍的襯底上，就可以進行系統(tǒng)集成，但是也認為，如果能夠使用在玻璃襯底上形成一種薄膜的特殊材料，特別是使用一種硅基材料，而不是一種金屬，就可以確保導電性能的話，封裝會更容易。
本發(fā)明的一種目的是提供一種基本上是基于半導體硅的硅基導電材料，這個材料的制造很容易，其處理也很容易，在正常溫度下其電阻率為10-3(Ω.m)或者更低(這是現(xiàn)在所不能達到的)，并且進一步獲得半導體中所常見的電阻率(10-6(Ω.m)或者更低)，并且能夠在一種半導體硅的襯底上形成所需的圖案，或者能夠被做成一種襯底，棒，或者線，或者能夠被做成很細并且分布在一種樹脂或者玻璃中來產(chǎn)生一種導電片狀材料，由此能夠適合于需要導電性能的任何應用。
本發(fā)明人進行了很多研究，希望能夠找到基本上是基于半導體硅的材料，并且在正常溫度下其電阻率為10-3(Ω.m)或者更低，或者甚至達到10-6(Ω.m)或者更低，這是過去所不可能做到的。在這個研究的過程中，他們將注意力轉(zhuǎn)到傳統(tǒng)的觀點上如果各種雜質(zhì)單獨被添加到硅中，其能量態(tài)密度減少，并且隨著被添加數(shù)量的增加，其Seebeck系數(shù)將穩(wěn)定地下降，即這樣一種觀點能量態(tài)密度的下降和Seebeck系統(tǒng)的下降是帶隙中雜質(zhì)電平的帶寬隨載流子濃度增加而增加的結(jié)果(A.F.Joffe:1957年，倫敦，半導體熱元件和熱電冷卻(Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling,Infosearch))。
從這個觀點來說，發(fā)明者獲得一種結(jié)論如果載流子的濃度處于一種特定大小的濃度值，在均是載流子的電子或者空穴之間的工作上會有一種電子相關的作用或者空穴相關的作用，相反地，通過載流子在半導體中進行分離，載流子的能量態(tài)密度將變高，即出現(xiàn)Anderson分離(P.W.Anderson,1958年出版的Phys.Rev.102的第1008頁)。換句話說，即使載流子濃度增加到一特定的密度，其電阻仍然繼續(xù)降低，但是本發(fā)明者認為在某一特定的載流子濃度下，Seebeck系數(shù)可能會顯著增加，而這將引起性能指數(shù)發(fā)生一種顯著的增加。
本發(fā)明者了解到，在上述考慮的基礎上，將第3族或第5族元素獨立地添加到硅材料中將使Seebeck系數(shù)相等或者更高，并且在一特定的載流子濃度下，與過去所知道的Si-Ge和Fe-Si系材料相比，其Seebeck系數(shù)會極高，并且通過各種實驗證實了上述考慮的合理性；在不丟失僅有硅材料時所具有的基本優(yōu)點，他們也發(fā)現(xiàn)了一種很好的、用作一種熱電轉(zhuǎn)換材料的混合物和結(jié)構。
在他們基于上述假設而發(fā)現(xiàn)新的硅基導電材料的基礎上，本發(fā)明者通過將各種元素添加到硅中形成一種p類型的半導體和將各種元素添加到硅中形成n-型半導體(不是第3族或第5族的元素)，來制造了硅基材料，并且研究其摻雜數(shù)量與載流子濃度和電阻的關系。結(jié)果，他們研究發(fā)現(xiàn)出通過添加上述各種摻雜物來調(diào)節(jié)其載流子濃度，可以降低其電阻。例如，如果包含的鋅，硼，磷，鋁，鎵，釹，釔，或者類似的數(shù)量為至少0.001原子％，其結(jié)果是一種p-型半導體，并且其電阻率ρ是1×10-3(Ω.m)或者更低，并且如果其包含數(shù)量是至少1原子％，導電材料的電阻率是1×10-6(Ω.m)或者更低，并且可以出現(xiàn)1×10-7(Ω.m)或者更低的情形。
發(fā)明者進一步研究出包括眾所周知用于使硅變成一種p-型半導體的摻雜物A(Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl)和過渡金屬元素Ml(Y,MO,Zr)，和眾所周知使硅變成n-型半導體的摻雜物B(N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te)，過渡金屬M2(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au；其中Fe占10原子％或者更少)和稀土元素RE(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu)的組中一種或者多個元素是摻雜物時的特別影響。當它們被單獨地添加或者混合添加時有特殊的效果。進一步，即使使用上面沒有列舉的元素，也將獲得一種類似的導電材料。
本發(fā)明者還發(fā)現(xiàn)，前面所發(fā)現(xiàn)的、用作一種熱電轉(zhuǎn)換材料的混合物和其結(jié)構允許產(chǎn)品的性能能夠與一種導電材料的性能一樣好。進一步關于降低電阻率ρ的研究表明，沒有什么元素不能夠用作硅的摻雜物，其最佳摻雜數(shù)量隨被選擇的摻雜元素而變化，當使用了兩個或者多個摻雜物時，這個范圍也發(fā)生變化；通過使用一種方法并且在被選擇元素的增加數(shù)量下不產(chǎn)生金屬化或者化合的范圍內(nèi)，來制造一種導電材料，獲得的這個導電材料的電阻率ρ可以是任意大小或者在10-7(Ω.m)附近，而與結(jié)構狀態(tài)無關；并且導電線能夠被自由地提供給一種硅襯底，特別是使用離子注入技術時。這些發(fā)現(xiàn)就產(chǎn)生了本發(fā)明。
同時，本發(fā)明者試驗了各種摻雜方法，其中硅材料被摻雜了多種元素，并且盡可能地這樣來添加摻雜物的數(shù)量，以產(chǎn)生所規(guī)定的成分比例來獲得低電阻率和其載流子濃度為1017到1021(M/m3)的一種硅基導電材料。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，通過在事前產(chǎn)生一種硅和摻雜物的化合物，并且將其單獨添加到硅并且以一種化合物的形式進行熔化，以使被添加的混合器的熔點靠近硅的熔點，就可以使混合偏離最小。
特別地，他們了解到，在摻雜第3族的元素，例如B,Al,Ga,In,和Tl和第5族中的元素，例如N,P,As,Sb和Bi，或者第2族中的元素，例如Be,Mg,Ca,Sr,和Ba，第2B族的元素例如Zn,Cd，和Hg，和第6族的元素例如O,S,Se,Te和Po中，通過使用一種硅基化合物，例如Al4Si,B4Si,Mg2Si,Ba2Si,SiP,SiO2,SiS2,或者Si3N4，例如來用作控制硅半導體中載流子的濃度，可以更均勻地和更精確地控制載流子濃度。進行了進一步的研究來發(fā)現(xiàn)是否可以使用低純度的一種硅原材料，結(jié)果表明，即使是純度為3N的一種原材料也可以很好地被使用。
進一步，發(fā)明者進行了各種研究來進一步降低一種硅基導電材料的電阻率，這產(chǎn)生了一種假設，通過產(chǎn)生與在半導體體材料中很細密的半導體晶粒相不連續(xù)的一種金屬導電晶界相，就可以解決上述問題。這里所使用的術語“金屬導電晶界相”指經(jīng)歷了一種Mott轉(zhuǎn)換，并且其載流子濃度至少為1018(M/m3)的一種金屬相或者半金屬相。
從這個角度來說，本發(fā)明者認識到，通過使用粉末冶金過程，半導體相和金屬導電晶界相是不清晰的，這是因為在燒結(jié)后，摻雜物大量地出現(xiàn)在半導體晶粒中，這樣半導體的電阻率下降了。所以，他們進行了一種研究來使用電弧熔化技術將半導體晶粒相與金屬導電晶界相分開。
為了降低硅半導體的熱傳導率，發(fā)明者將第2族和第3族的元素和一種p-型半導體添加到硅中，將第5族和6的元素和一種n-型半導體添加到硅中，在這以后，每一種在氬的氣氛中被電弧熔化，緊接這以后，每一種就被放在一種冷卻器下來進行淬火，例如，以產(chǎn)生具有平均直徑為0.1到5微米的、很好的晶格的熱電轉(zhuǎn)換材料。對這些材料的電阻進行了測試，測試表明當被單獨添加到硅半導體中的各種元素的總數(shù)量小于0.001原子％時，在硅半導體體材料中晶界上幾乎沒有沉淀摻雜物，所以其電阻率很高，但是當總數(shù)量超過0.001原子％時，某些摻雜物開始沉淀在晶界上，并且在1原子％時，這個沉淀效果顯著地降低了電阻率。
特別地，本發(fā)明是一種硅基導電材料，其中硅包含至少一種數(shù)量為0.1原子％到25原子％，或者超過25原子％的其它元素，數(shù)量與被選擇元素的類型有關，或者當使用兩個或者多個添加元素時，類似地包含優(yōu)選0.5原子％到20原子％數(shù)量的其它元素，這與從摻雜物組中選擇出來產(chǎn)生上述p-或者n-型半導體的元素類型有關，或者當使用兩個或者多個添加元素時，并且其電阻率ρ是1×10-3(Ω.m)或者更低，在一種不錯的情形下其電阻率是1×10-6(Ω.m)或者更低。
當在熔化后，使用任何方法來進行淬火時，本發(fā)明的硅基導電材料具有好的導電特性，并且由半導體晶粒相和金屬或者半金屬的導體晶界相構成。
另外，本發(fā)明的硅基導電材料具有好的導電特性，當通過離子注入技術或者另一種這樣的方法，使另一種元素的原子基本上分布在硅晶格中時。


圖1A是在電弧熔化后被進行淬火的、本發(fā)明的硅基導電材料的晶體結(jié)構的示意圖，圖1B是在電弧熔化后沒有被淬火的一種半導體的晶體結(jié)構圖；圖2包括了描述在電弧熔化后沒有被淬火的一種材料的晶體結(jié)構的剖面EPAM分析照像圖(放大了100倍)，其中圖2A顯示了沒有添加摻雜物時的圖，圖2B顯示了其中摻雜了1.0原子％的鋁的一種p-型半導體，圖2C顯示了其中添加了3原子％的鋁的一種p-型半導體。
圖3包括了描述在電弧熔化后被淬火的、本發(fā)明的硅基導電材料的晶體結(jié)構的剖面EPAM分析照像圖(放大了100倍)，其中圖3A顯示了沒有添加摻雜物時的圖，圖3B顯示了其中摻雜了1.0原子％的鋁的一種p-型半導體，圖3C顯示了其中添加了3原子％的鋁的一種p-型半導體。
圖4包括了描述在電弧熔化后沒有被淬火的一種材料的晶體結(jié)構的剖面EPAM分析照像圖(放大了100倍)，其中圖4A顯示了沒有添加摻雜物時的圖，圖4B顯示了其中摻雜了1.0原子％的磷的一種n-型半導體，圖4C顯示了其中添加了3原子％的磷的一種n-型半導體。
圖5包括了描述在電弧熔化后被淬火的、本發(fā)明的硅基導電材料的晶體結(jié)構的剖面EPAM分析照像圖(放大了100倍)，其中圖5A顯示了沒有添加摻雜物時的圖，圖5B顯示了其中摻雜了1.0原子％的磷的一種n-型半導體，圖5C顯示了其中添加了3原子％的磷的一種n-型半導體。
圖6是在電弧熔化后進行冷卻的一種示意圖。
本發(fā)明中，沒有對添加元素進行任何限制，添加元素可以是上述用于使硅變成一種p-型或者n-型半導體的元素中的任何一種元素，也可以是其它元素。但是，如果元素的離子直徑與硅的原子直徑相差太大，以致于不能進行被作為添加物時，其大部分將沉淀在晶界上，所以優(yōu)選使用離子直徑相對來說與硅原子直徑相近的元素。如果被添加到僅硅中元素的總數(shù)量小于0.001原子％，不管是單獨添加或者是混合添加，其大部分將沉淀在硅半導體體材料中的晶界上，并且其電阻率將降低。所以被添加的數(shù)量至少是0.001原子％。但是，通過使用某些摻雜物，在0.001原子％摻雜量時將不能獲得所需的電阻率，所以優(yōu)選的摻雜數(shù)量是至少0.1原子％，當至少是0.5原子％時就更好，在至少1原子％時就特別好。
本發(fā)明中，沒有對被添加摻雜物的數(shù)量的上限進行任何限制，但是，有各種元素情形，能夠產(chǎn)生與半導體體材料中的很細的半導體晶粒相不連續(xù)的金屬導體晶界相，并且有最佳被添加的數(shù)量，或者對添加混合元素來說有被添加的數(shù)量。另外，如果被添加的數(shù)量太大，摻雜物將不能被晶體中的硅原子局部替代，將沉淀一種另外的晶體相，并且不能夠降低電阻值，所以為了降低電阻值必須進行合適的選擇。特別地，當添加了混合元素時，其優(yōu)選的被添加數(shù)量就與添加單個元素時被添加的數(shù)量不同，為了降低電阻值，必須再一此次進行合適的選擇。
例如，使硅變成一種p-型半導體的摻雜物是摻雜物A(Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl)和過渡金屬Ml(Y,Mo,Zr),和使硅變成一種n-型半導體的摻雜物是摻雜物B(N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te)，過渡金屬M2(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au；其中Fe占10原子％或者更少)，和稀土金屬元素RE(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu)。通過選擇元素和調(diào)節(jié)它們的添加數(shù)量，以使其載流子濃度在一特定范圍內(nèi)(1017到1021)(具體值與這些元素是被單獨添加還是被混合添加有關)，就可以減少電阻率。
當通過使用上述選擇元素和被添加數(shù)量的方法來控制載流子濃度，而降低電阻率時，用于產(chǎn)生一種p-型半導體的摻雜物和用于產(chǎn)生一種n-型半導體的摻雜物中每一種的包括數(shù)量應為10原子％或者更少，并且其總數(shù)量是20原子％或者更少，這樣使載流子濃度維持在1017到1021(M/m3)之間。
也可能選擇元素和調(diào)節(jié)它們被添加的數(shù)量，以使載流子濃度超過1021(M/m3)，這可以根據(jù)目標電阻率來進行。
在本發(fā)明中，在摻雜第3族的元素，例如B,Al,Ga,In，和Tl和第5族中的元素，例如N,P,As,Sb和Bi，或者第2族中的元素，例如Be,Mg,Ca,Sr，和Ba，第2B族的元素例如Zn,Cd，和Hg，和第6族的元素例如O,S,Se,Te和Po中，通過熔化一種硅基化合物，例如Al4Si,B4Si,Mg2Si,Ba2Si,SiP,SiO2,SiS2，或者Si3N4，例如，可以更均勻地和更精確地控制載流子濃度，這是因為硅被摻雜了各種元素來使它變成p-或者n-型半導體，并且載流子濃度在1017到1021(M/m3)之間被調(diào)節(jié)。進行了進一步的研究來發(fā)現(xiàn)是否可以使用低純度的一種硅原材料，結(jié)果表明，即使是3N純度的一種原材料也可以很好地被使用。
另外，通過選擇元素和調(diào)節(jié)它們在本發(fā)明中被添加的數(shù)量，可以控制熱傳導率和電阻率。例如，添加至少一種第3族元素和至少一種第5族元素，并且控制載流子的濃度在1019到1021(M/m3)的范圍內(nèi)，有可能能夠破壞晶體結(jié)構而不需要改變硅中載流子的濃度，這允許熱傳導率在室溫下能夠減少30％到90％直至50到150W/m.K或者更低。
在上述示例中，如果第3族元素的數(shù)量比第5族元素的數(shù)量大0.3到5原子％，就獲得一種p-型半導體，如果第5族元素的數(shù)量比第3族元素的數(shù)量大0.3到5原子％，就獲得一種n-型半導體。通過向硅中添加第3-5族化合物半導體或者一種第2-6族化合物半導體，并且進一步添加至少一種第3族或者第5族元素并且將載流子濃度控制在1019到1021(M/m3)的范圍內(nèi)，就可能破壞晶體結(jié)構而不需要改變硅中載流子的濃度，所以在室溫下，而熱傳導率可以被維持在150W/m.K或者更低的水平。
另外，如果包括在硅中第4族的元素，鍺，碳，和錫的數(shù)量為0.1到5原子％時，并且部分硅元素被用不同原子量的第4族元素替代時，晶體中的聲子將有較大的散射，并且能夠?qū)雽w的熱傳導率降低20％到90％，并且在室溫下使熱傳導率保持在150W/m.K以下。
本發(fā)明中所添加的主要摻雜物數(shù)量和其電阻率如下Zn 7.0原子％4.4×10-7Ω.m(25℃)Al 7.0原子％3.6×10-7Ω.m(25℃)Al 8.0原子％,Y 3.0原子％7.60×10-7Ω.m(25℃)Al 8.0原子％,Zr 3.0原子％ 7.60×10-7Ω.m(25℃)Nd 15.0原子％ 8.3×10-7Ω.m(25℃)Bi 6.0原子％,Ti 6.0原子％ 8.2×10-7Ω.m(25℃)P 15.0原子％ 9.40×10-7Ω.m(25℃)Gs 8.0原子％,Zr 6.0原子％ 9.60×10-7Ω.m(25℃)Bi 6.0原子％,Ni 6.0原子％ 1.1×10-6Ω.m(25℃)P 10.0原子％ 1.1×10-6Ω.m(25℃)Al 4.0原子％,Y 2.0原子％1.1×10-6Ω.m(25℃)As 3.0原子％1.2×10-6Ω.m(25℃)Bi 15.0原子％ 1.2×10-6Ω.m(25℃)Zn 1.0原子％,Cd 1.0原子％ 1.2×10-6Ω.m(25℃)Al 3.0原子％,Zr 2.0原子％ 1.3×10-6Ω.m(25℃)Fe 15.0原子％ 1.5×10-6Ω.m(25℃)B 8.0原子％,P 2.0原子％2.4×10-6Ω.m(25℃)為了進行參考，這里列出主要導體的電阻率銅1.72×10-8Ω.m，鋁2.75×10-8Ω.m，鐵9.8×10-8Ω.m，錫1.14×10-7Ω.m，和鉛2.19×10-7Ω.m。
本發(fā)明中，優(yōu)選是硅和摻雜物的化合物成為相對穩(wěn)定的化合物，并且其制造方法也隨化合物而變化，使用電弧熔化，高頻熔化，或者類似方法制造的化合物的熔點較高，并且優(yōu)選采用它們，因為在熔化時其濺射較少。
本發(fā)明中，通過產(chǎn)生一種熔化物，以使硅包含所需數(shù)量的一種類型或者更多種型的、用于產(chǎn)生p-或者n-型半導體的摻雜物，并且使用任何方法對這個熔化物進行淬火，例如用一種冷卻器來淬火熔化物，或者通過與一種旋轉(zhuǎn)的輥子接觸而激冷熔化物，以使大部分熔化物變成非晶體，然后再執(zhí)行加熱處理，就可以獲得由半導體晶粒相和分散在材料中的金屬或者半金屬導體晶界相的一種硅基導電材料。
基本上基于硅的、本發(fā)明的硅基導電材料可以應用于所有需要電氣連接的應用中，并且對其平均晶粒直徑?jīng)]有任何限制。但是，如果平均晶粒直徑在0.1到5微米之間，其晶體晶粒將更細密，并且金屬晶界處于一種分散的狀態(tài)，其電子或者空穴載流子能夠通過跳過這些分散的金屬晶界相來進行移動，并且降低電阻率。
在本發(fā)明中，可以采用任何已知的淬火方法。例如，在電弧熔化以后，如圖6所顯示的，就立即通過在一種熔爐3較厚的部分安裝一種冷卻水管4來建立對這個熔爐的水冷，并且通過將被熔化的塊5以三明治的形式放置在水冷熔爐3和一種用熱傳導率好的一種金屬制成的一種冷卻器6之間，來對這個被熔爐3內(nèi)的被熔化塊5進行淬火。這使被熔化塊5具有一種很精細的晶體晶粒直徑。
特別地，如圖1A所顯示的，如果通過淬火其晶體已經(jīng)被變成很細密的一種金屬或者半金屬晶界相是分散的，其電阻率就低。但是當在電弧熔化后沒有執(zhí)行淬火，如圖1B所顯示的，晶體顆粒的直徑增加了，金屬或者半金屬晶界相2部分地連接起來，并且在晶界相2上的載流子移動，以抵消由溫度梯度所產(chǎn)生的半導體相的溫差電動勢力，這明顯地降低了電阻率。
圖2和圖3顯示一種半導體的晶體結(jié)構的剖面XMA分析照像圖(放大了100倍)。圖2A和圖3A顯示了沒有添加摻雜物時的圖，而圖2B和圖3B顯示了其中摻雜了1.0原子％的鋁的一種p-型半導體，圖2C和圖3C顯示了其中添加了3原子％的鋁的一種p-型半導體。在圖2的任何一種圖中，材料在電弧熔化后沒有被淬火，但是在圖3中，材料在電弧熔化后被淬火。具體地，可以很清楚地看出，當添加了所需的摻雜物并且在電弧熔化后執(zhí)行了淬火時，晶體變得更細密，并且金屬或者半金屬晶界相是疏散的，如圖1A所顯示的，圖1A是這個半導體的晶體結(jié)構的示意圖。
圖4和圖5類似地顯示一種半導體的晶體結(jié)構的剖面XMA分析照像圖(放大了100倍)。圖4A和圖5A顯示了沒有添加摻雜物時的圖，而圖4B和圖5B顯示了其中摻雜了1.0原子％的磷的一種n-型半導體，圖4C和圖5C顯示了其中添加了3原子％的磷的一種n-型半導體。在圖4的任何一種圖中，材料在電弧熔化后沒有被淬火，但是在圖5中，材料在電弧熔化后被淬火。具體地，可以很清楚地看出，當添加了所需的摻雜物并且在電弧熔化后執(zhí)行了淬火時，晶體變得更細密，并且金屬或者半金屬晶界相是疏散的，如圖1A所顯示的，圖1A是這個半導體的晶體結(jié)構的示意圖。
任何已知的方法可以被采用來對高溫硅基熔化物進行淬火，只要能夠獲得所需的平均晶粒直徑。被熔化的塊可以被輥子來冷卻，或者這個熔化物能夠被兩個輥子之間的一種片來進行冷卻。另一種可以被采用的方法是用在兩個輥子之間的一種薄板和薄帶來激冷這個熔化物以使大部分變成非晶體，然后在合適選擇的條件下對其進行加熱處理，以使平均晶粒直徑位于上述范圍內(nèi)。
在本發(fā)明中，通過熔化用于制造一種p-或者n-型半導體的一種摻雜物以使它包括(或者是單個的，或者是混合的)在硅中的數(shù)量為所需數(shù)量，冷卻這個熔化物來獲得一種塊的、帶的、薄片的，或者其它這種半導體材料，將這個產(chǎn)品研磨成粒徑為所需大小的粉末，通過機械形成合金的方法來對這個粉末進行微晶體化，然后對它進行低溫熱處理，就可以獲得孔隙率為5％到40％的的一種多孔導電材料。這里，當晶粒尺寸減少時(減少到平均晶粒直徑為0.1到5微米)，電阻沒有明顯的改變，但是電阻將減少到不在這個范圍內(nèi)。
簡而言之，在熔化上述混合物后，用一種冷卻器來淬火這個熔化物，或者用旋轉(zhuǎn)的輥子來激冷這個熔化物以使其大部分或者全部變成非晶體，在這以后，就進行加熱處理，例如，并且淬火這個熔化物。結(jié)果，本發(fā)明的硅基導電材料具有很精細的晶粒直徑，并且金屬晶界相是分散的，所以電阻或者空穴載流子能夠通過跳過這些分散的金屬晶界相來進行移動，并且降低電阻率。
與摻雜物的類型或者其混合的類型有關，可以采用在熔化后不進行淬火的方法，在某些情形下，可以通過使用普通的方法來冷卻這個熔化物，然后進行加熱處理來影響晶粒生長的方法，來獲得由一種半導體晶粒相和分布在材料中的一種金屬或者半金屬的導體晶界相組成的一種結(jié)構。但是，通過使用在熔化后進行淬火的這個方法，可以更容易地獲得上述這個結(jié)構。
本發(fā)明的硅基導電材料的特征是由一種半導體晶粒相和分布在材料中的一種金屬或者半金屬的導體晶界相組成，但是，當通過離子注入的方法或者另一種方法，另一種元素的原子基本上分布在硅晶格中時，也可能獲得一種導電材料。
離子注入允許使用一種離子束將磷或者硼以一種很細的圖案進行注入，如今天制造CPU的集成電路產(chǎn)品和類似的時一樣，但是即使精度不是很高，只要注入精度能夠適合于需要導電性的應用，就可以使用任何裝置，盡管一種優(yōu)選的結(jié)構將冷卻這個硅襯底并且將它盡可能地維持在低溫。
可以用任何形式來使用本發(fā)明的、硅基導電材料，例如一張板的形狀，棒的形狀，帶的形狀，或者微顆粒形狀，如需要導電性的應用所提出的。例如，與所需元素一起被熔化的原材料能夠以一張板的形狀，棒的形狀，線的形狀，或者其它所需形狀被注塑成一種導電部分，或者磷或者硼能夠以一種圖案，使用一種離子束被注入到上述硅襯底中，并且使用其本身的產(chǎn)品。換句話說，制造了一種單晶硅或者多晶硅襯底，并且恰好在那些需要導電性能的區(qū)域包括一種摻雜物。
也可以從這些硅基導電材料形成一種導電的連接器部分，并且可以使用許多不同的結(jié)構，例如被安裝在另一種襯底末端的一種導電材料連接的單晶或者多晶硅襯底。
本發(fā)明的硅基導電材料可以被制成更細的形狀并且可以被分布在一種金屬或者半金屬材料或者粉末中，可以被分布在各種類型的樹脂材料中，可以被分布在陶瓷材料或者玻璃材料中，可以被分布在從金屬或者合金體材料或者粉末，樹脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中選擇的材料的混合物中。
通過一種方法可以獲得一種很容易被注塑的硅基導電材料，其這個方法中，通過將本發(fā)明的硅基導電材料的細顆粒分布在從金屬或者合金材料或者粉末，樹脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中選擇的材料的混合物中而產(chǎn)生一種漿糊狀的混合物，例如僅對需要導電性能的區(qū)域的表面進行鍍膜，和對這個漿糊狀的混合物形成圖案，注塑和固化。
通過使用一種離子束，以使所需區(qū)域變成導電區(qū)域的一種圖案來將磷，硼，鋁，或者類似的元素注入到一種硅襯底中，本發(fā)明的硅基導電材料允許襯底，芯片，和類似的可以被做得更小，并且能夠增加其生產(chǎn)率，其中這個硅基導電材料能夠被做成一種板狀或者棒狀，并且可以被用于連接接頭，焊接點，等等中，或者可以被做得更細并且分布在一種樹脂或者玻璃中來產(chǎn)生一種導電片狀材料，例如，所以能夠適合于任何需要電氣導電性能的應用。
所以，當多晶Si-TFT被形成在一單個玻璃襯底上，并且各種器件，例如微處理器被形成在周圍的襯底上時，例如，使用在一種玻璃襯底上形成一種薄膜的一種材料，即硅基材料可以確保電氣導電性能，所以封裝更容易，并且也能夠進行帶一種顯示器的系統(tǒng)集成。
簡而言之，如上述示例所顯示的，用于制造一種集成電路或者類似的一種已知裝置可以被合適的選擇和利用，例如以一種漿糊狀混合物或者顆粒狀的形式來構成一種硅基材料，三維地構成一種材料例如在一種襯底的厚度方向上，通過使用二維注入來形成一種薄膜，或者使用各種圖案形成薄膜和走線，通過對一種僅含硅的襯底，或者一種多晶硅襯底進行離子束注入和形成圖案，以獲得本發(fā)明的硅基材料，或者使用已知的汽相生長方法，例如汽相沉積，離子濺射，或者離子鍍。
實施方式實施方式1為了產(chǎn)生本發(fā)明的導電材料，如表1所顯示的，對高純度硅(10N)和一種第3族元素進行化合，在這以后，在一種氬氣氣氛中對它們進行電弧熔化。這樣所獲得的、按鈕形狀的塊被切成尺寸為5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米直徑×2毫米的塊，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。
通過使用四端方法來測量電阻和載流子濃度，來決定其電阻率。通過激光閃光的方法來測量200℃下的熱傳導率。這些測量結(jié)果見表1。
實施方式2為了產(chǎn)生一種n-型硅熱電轉(zhuǎn)換半導體，如表2所顯示的，對高純度硅(10N)和一種第5族元素進行化合，在這以后，在一種氬氣氣氛中對它們進行電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表2。表1
表2
實施方式3為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表3所顯示的元素，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表3。
實施方式4為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表4所顯示的元素，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表4。通過在進行電弧熔化以前添加Si3N4和SiO2，添加了氮和氧。
實施方式3a和4a為了產(chǎn)生n-型和p-型Si-Ge半導體，以一種原子比例為4∶1的比例混合硅和多晶鍺(4N)，以特定比例稱量了表3和4中序號為19,20,40和41的元素，并且這些成分在一種氬氣氣氛中被電弧熔化。在熔化后，測量樣品被切成與實施方式3和4中形狀相同的形狀，并且其測量條件也與實施方式3和4中的相同。表3
表4
實施方式5為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，高純度單晶硅(10N)和第3族和第5族中的元素按表5-1中所顯示的組成混合，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣來調(diào)節(jié)被添加在熔化物中的數(shù)量，以使p-類型的元素稍微多一些，以使p-型載流子濃度為1019-1020(M/m3)。
這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表5-2。實施方式6為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，高純度單晶硅(10N)和第3族和第5族中的元素按表6-1中所顯示的組成混合，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣來調(diào)節(jié)被添加在熔化物中的數(shù)量，以使n-類型的元素稍微多一些，以使n-型載流子濃度為1019-1020(M/m3)。
這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表6-2。實施方式7為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，一種第2-6族化合物半導體或者一種第3-5族化合物半導體，高純度單晶硅(10N)和一種第3族或者第5族中的元素按表7-1中所顯示的組成混合，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣來調(diào)節(jié)被添加在熔化物中的第3族或者第5族中的元素數(shù)量，以使p-型載流子濃度和n-型載流子濃度為1019-1020(M/m3)。
這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表7-2。表5-1
表5-2
表6-1
表6-2
表7-1
表7-2
實施方式8為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，高純度單晶硅(10N)和第3族和第4族中的元素按表8-1中所顯示的組成混合，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表8-2。實施方式9為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，高純度單晶硅(10N)和第5族和第4族中的元素按表9-1中所顯示的組成混合，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表9-2。表8-1
表8-2
表9-1
表9-2
實施方式10為了產(chǎn)生一種p-型硅半導體，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表10所顯示的元素，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表10。實施方式11為了產(chǎn)生一種n-型硅半導體，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表11-1所顯示的元素，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表11-1和11-2。表10
表11-1
表11-2
實施方式12為了產(chǎn)生一種p-型硅半導體，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表12-1所顯示的元素，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表12-1和12-2。實施方式13為了產(chǎn)生一種n-型硅半導體，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表13-1所顯示的元素，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表13-1和13-2。通過在進行電弧熔化以前添加Si3N4和SiO2，添加了氮和氧。實施方式12a和13a為了產(chǎn)生n-型和p-型Si-Ge半導體，以一種原子比例為4∶1的比例混合硅和多晶鍺(4N)，以特定比例測量了表14-1和15-1中序號為29,30,59和60的元素，并且這些成分在一種氬氣氣氛中被電弧熔化。在熔化后，測量樣品被切成與實施方式12中形狀相同的形狀，并且其測量條件也與實施方式1中的相同。表12-1
表12-2
表13-1
表13-2
實施方式14為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表14-1和14-4所顯示的元素，然后使用一種標準的方法在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化，在這以后就立即將一種冷卻器放置在這個熔化物上以對其進行淬火，而這就產(chǎn)生了一種樣品。為了進行比較，將使用標準方法進行電弧熔化所獲得的樣品在大約1000℃進行加熱，以長出晶體晶粒并且產(chǎn)生一種用于比較的樣品。
這個電弧熔爐的形狀是倒過來的一種圓錐并且是被切去頂部的一種圓錐，如圖6所顯示的。其頂部的內(nèi)直徑為60毫米，其底部的內(nèi)直徑是40毫米，其深度是30毫米。冷卻器是由銅制作的，并且被設計成能夠放置到這個熔爐中。為了提高冷卻的效率，這個冷卻器被加工成厚度為50毫米，以使其熱容量較大。
這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊的尺寸是40毫米外直徑×4毫米。這些塊被切成5×5×3毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表14-1和14-2。
在首先對其拋光然后用化學的方法蝕刻這個樣品后，測量了其平均晶粒直徑。使用標準方法進行電弧熔化的一種樣品的平均晶粒直徑為大約10到20微米。并且使用EPMA的方法來觀察了摻雜物在晶體晶粒內(nèi)部和在晶界上的沉淀狀態(tài)，結(jié)果這個被淬火樣品中摻雜物是沿晶界分散的，但是，對兩類沒有被淬火的樣品，摻雜物是出現(xiàn)在基本上連續(xù)地沿晶界的一些局部帶。
實施方式15為了產(chǎn)生一種n-型半導體，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表15-1和15-2所顯示的元素，然后使用一種標準的方法在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化來產(chǎn)生了兩類樣品一種電弧熔化樣品和在進行電弧熔化以后就立即將一種冷卻器放置在這個熔化物上以對其進行淬火而獲得的一種樣品。為了進行比較，將使用標準方法進行電弧熔化所獲得的樣品在大約1000℃進行加熱，以生長晶體晶粒并且產(chǎn)生一種用于比較的樣品。在電弧熔化以后進行淬火的方法與實施方式14中淬火的方法相同。
這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊的尺寸是40毫米外直徑×4毫米。這些塊被切成5×5×3毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表15-1和15-2。
在首先對其拋光然后用化學的方法蝕刻這個樣品后，測量了其平均晶粒直徑。使用標準方法進行電弧熔化的一種樣品的平均晶粒直徑為大約10到20微米。并且使用EPMA的方法來觀察了摻雜物在晶體晶粒內(nèi)部和在晶界上的沉淀狀態(tài)，結(jié)果這個被淬火樣品中摻雜物是沿晶界分散的，但是，對兩類沒有被淬火的樣品，摻雜物是出現(xiàn)在基本上連續(xù)地沿晶界的一些局部帶。表14-1
表14-2
表15-1
表15-2
實施方式16為了產(chǎn)生一種p-型半導體，稱量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表16-1所顯示的元素，然后在一種氬氣氣氛中將它們電孤熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊在一種盤式研磨機中被粗研磨，在這以后，它們在一種氣流研磨機中被研磨來產(chǎn)生其平均顆粒直徑如表1所顯示的粉末。然后，每一種粉末在如表16-2和16-3所顯示的熱壓條件下放置3個小時，來產(chǎn)生具有如表16-2所顯示的各種孔隙度的燒結(jié)塊。
這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊在一種氬氣氣氛中進行機械形成合金，時間為50個小時，在這以后，在如表16-2和16-3所顯示的熱壓條件下放置3個小時，來產(chǎn)生具有如表16-3所顯示的各種平均晶粒直徑的燒結(jié)塊。
這樣所獲得的燒結(jié)塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表16-1和16-2，和16-3。
實施方式17為了產(chǎn)生一種n-型半導體，測量了特定比例的高純度單晶硅(10N)和表17-1所顯示的元素，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊在一種盤式研磨機中被粗研磨，在這以后，它們在一種氣流研磨機中被研磨來產(chǎn)生其平均顆粒直徑如表17-1所顯示的粉末。然后，每一種粉末在如表17-2所顯示的熱壓條件下放置3個小時，來產(chǎn)生具有如表17-3所顯示的各種孔隙度的燒結(jié)塊。
這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊在一種氬氣氣氛中進行機械形成合金，時間為50個小時，在這以后，在如表17-3所顯示的熱壓條件下放置3個小時，來產(chǎn)生具有如表17-5所顯示的各種平均晶粒直徑的燒結(jié)塊。
這樣所獲得的燒結(jié)塊被切成尺寸與實施方式1中尺寸相同的塊。在與實施方式1中條件相同的條件下測量其熱傳導率。這些測量結(jié)果見表17-2和17-3。表16-1
表16-2
表16-3
表17-1
表17-2
表17-3
實施方式18為了產(chǎn)生一種p-型半導體，以特定比例形成高純度單晶硅(10N)或者低純度單晶硅(3N)和表18所顯示的硅基化合物的混合物，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化，以使載流子濃度為1020(M/m3)。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表18。
如從表18中可以看出的，當摻雜物是一種硅化合物時，熔化的摻雜物很少被蒸發(fā)和分散，如在熔化后的分析值所表示的，剩余了95原子％的摻雜物。這使能夠更精確地控制摻雜物的被添加數(shù)量。
實施方式19
為了產(chǎn)生一種n-型半導體，以特定比例形成高純度單晶硅(10N)或者低純度單晶硅(3N)和表19所顯示的硅基化合物的化合物，然后在一種氬氣氣氛中將它們電弧熔化，以使載流子濃度為1020(M/m3)。這樣，所獲得的、按鈕形狀的塊被切成5×5×5毫米，10×10×2毫米，和10毫米外直徑×2毫米的尺寸，并且測量每一種的載流子濃度，電阻率，和熱傳導率。這些測量結(jié)果見表19。
如從表19中可以看出的，當摻雜物是一種硅化合物時，熔化的摻雜物很少被蒸發(fā)和分散，如在熔化后的分析值所表示的，剩余了95原子％的摻雜物。這使能夠更精確地控制摻雜物的被添加數(shù)量。表18
表19
實施方式20為了產(chǎn)生一種硅基導電材料，以這樣一種方法來在一種高純度單晶硅(10N)襯底中摻雜硼，以使用一種離子束裝置來畫一條細線，以使在一預定寬度和預定深度區(qū)域中的硅包含3原子％的硼。對被摻雜區(qū)域的電阻率的測量結(jié)果表明被摻雜區(qū)域的電阻率大約是10-5(Ω.m)，另外，還發(fā)現(xiàn)這樣所獲得的導電材料的特性與前面通過使用熔化方法所獲得的、包含3原子％的硼的導電材料的特性類似。
通過添加各種所需元素，過渡金屬元素，或者稀土元素到具有一金剛石類型結(jié)構的硅中，并且通過合適的選擇摻雜物的數(shù)量和類型來進行調(diào)節(jié)，可以降低本發(fā)明的硅基導電材料的電阻。淬火產(chǎn)生了一種結(jié)構，其中半導體的平均晶粒直徑很小，并且顯示金屬導電性或者半金屬導電性的一種晶界相是分散的，這產(chǎn)生了導電性能很好的(電阻率為10-5(Ω.m)或者更少)的一種硅基導電材料。另外，也能夠通過將其它元素的原子基本上分布在硅晶格中來獲得導電性能很好的(電阻率為10-5(Ω.m)或者更少)的一種導電材料。
根據(jù)本發(fā)明的硅基導電材料可以用于任何需要導電的應用中，并且還可以根據(jù)應用的需要，形成任何形狀，例如片狀，棒狀，球狀，帶狀，或者微粒狀。例如，與所需元素一起被熔化的原材料可以被注塑形成一種導電部分，其形狀可以是片狀，棒狀，線狀，或者其它所需形狀，或者通過使用汽相生長技術和成膜可以產(chǎn)生一種薄膜，或者使用一種離子束和成膜技術可以在一種硅襯底中注入磷或者硼，以允許按照需要而形成導電路徑。
權利要求
1．一種硅基導電材料，其中所述硅包含含量至少為0.001原子％的至少一種其它元素，并且其電阻率ρ不大于1×10-3(Ω.m)。
2．如權利要求1的硅基導電材料，由一種半導體晶粒相和分散在材料中的一種金屬或者半金屬導體晶界相組成。
3．如權利要求1的硅基導電材料，其中所述其它元素的原子均勻地分布在硅晶格中。
4．如權利要求1到3的硅基導電材料，其中所述其它元素是從下述元素組中選擇出的一種或者多種元素，這組元素包括摻雜物A(Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl)和過渡金屬元素M1(Y,Mo,Zr)。
5．如權利要求1到3的硅基導電材料，其中所述其它元素是從下述元素組中選擇出的一種或者多種元素，這組元素包括摻雜物B(N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te)，過渡金屬元素M2(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au)，和稀土元素RE(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu)。
6．如權利要求1到3的硅基導電材料，其中所述其它元素是從下述元素組中選擇出的一種或者多種元素，這組元素包括摻雜物A(Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Zn,Cd,Hg,B,Al,Ga,In,Tl)，摻雜物B(N,P,As,Sb,Bi,O,S,Se,Te)，過渡金屬元素M1(Y,Mo,Zr),過渡金屬元素M2(Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt,Au)，和稀土元素RE(La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Yb,Lu)。
7．如權利要求1到6的硅基導電材料，其中所述其它元素的含量是0.1原子％到25原子％，其電阻率ρ不大于1×10-5(Ω.m)。
8．如權利要求1到7的硅基導電材料，其形狀是一種帶狀，片狀，棒狀，或者球狀。
9．如權利要求1到7的硅基導電材料，其形狀是形成于襯底上的薄膜。
10．如權利要求1到7的硅基導電材料，其形狀是單晶硅或者多晶硅襯底，并且僅在需要導電的地方包括摻雜物。
11．如權利要求10的硅基導電材料，其中使用離子注入技術，以所需形狀在硅襯底摻入所需的摻雜物。
12．如權利要求11的硅基導電材料，其中摻雜物是硼或者磷。
13．如權利要求1到7的硅基導電材料，其形狀是單晶硅或者多晶硅襯底，并且這個被摻雜了所需摻雜物的單晶硅或者多晶硅襯底連接到另一種襯底。
14．如權利要求1到7的硅基導電材料，它被做成很細的形狀并且分布在一種金屬或者合金材料或者粉末中。
15．如權利要求1到7的硅基導電材料，它被做成很細的形狀并且分布在一種樹脂材料中。
16．如權利要求1到7的硅基導電材料，它被做成很細的形狀并且分布在陶瓷或者玻璃材料中。
17．如權利要求1到7的硅基導電材料，它被做成很細的形狀并且分布在從金屬或者合金材料或者粉末，樹脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中選擇出的混合物材料中。
18．如權利要求1到7的硅基導電材料，它分布在從金屬或者合金材料或者粉末，樹脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中選擇出的混合物材料中并形成很細的漿糊狀混合物，并且漿糊狀混合物被注塑成形并且被固化在所需表面上。
19．用于制造硅基導電材料的方法，其中由包含含量至少為0.001原子％的至少一種其它元素的硅組成的熔化物被淬火，以獲得由半導體晶粒相和分散在材料中的一種金屬或者半金屬導體晶界相組成的一種結(jié)構。
20．如權利要求19所述的用于制造硅基導電材料的方法，其中淬火的方法包括用一種冷卻器進行淬火。
21．如權利要求19所述的用于制造硅基導電材料的方法，其中淬火的方法包括通過與一種旋轉(zhuǎn)的輥子進行接觸來激冷，以使大部分或者全部材料均被變成非晶體，然后對這個產(chǎn)品進行加熱處理。
22．如權利要求21所述的用于制造硅基導電材料的方法，包括在激冷后進行熱處理。
23．如權利要求19所述的用于制造硅基導電材料的方法，其中淬火的方法包括對這個熔化物進行淬火，以使其平均晶粒直徑為0.1到5微米。
24．用于制造硅基導電材料的方法，其中由包含含量至少為0.001原子％的至少一種其它元素的硅組成的一種熔化物被淬火，然后被進行熱處理，以獲得由半導體晶粒相和分散在材料中的金屬或者半金屬導體晶界相組成的一種結(jié)構。
25．用于制造硅基導電材料的方法，其中使用離子注入技術，在單晶硅或者多晶硅襯底中摻雜所需的摻雜物，并且在被摻雜的位置形成導體。
26．用于制造硅基導電材料的方法，其中通過將如權利要求1到7的形狀很細的硅分布在從金屬或者合金材料或者粉末，樹脂材料，和陶瓷或者玻璃材料中選擇出的混合物材料中制成漿糊狀混合物，并且這個漿糊狀混合物被注塑成形并且被固化在所需表面上。
27．用于制造硅基導電材料的方法，其中使用汽相生長技術，如權利要求1到7中任何一項的硅基導電材料被形成為薄膜。
全文摘要
在室溫下,其電阻率為10
文檔編號H01L35/16GK1280707SQ98811697
公開日2001年1月17日 申請日期1998年8月14日 優(yōu)先權日1997年10月24日
發(fā)明者春山俊一, 山下治, 貞富信裕, 西鄉(xiāng)恒和 申請人:住友特殊金屬株式會社, 春山俊一