[發(fā)明專利]采用干法刻蝕技術實現(xiàn)RTD與HEMT單片集成的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200610076521.0
• 申請日: 2006-04-28
• 公開（公告）號: CN101064275A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發(fā)明（設計）人: 馬龍;楊富華;王良臣;黃應龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L21/82
• 分類號: H01L21/82;H01L21/822;H01L21/84
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發(fā)明屬于半導體技術領域，特別是在III-V族襯底上制備共振隧穿二極管與晶體管單片集成電路工藝方面。

背景技術

自上世紀六十年代硅大規(guī)模集成電路實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大生產(chǎn)以來，一直遵循摩爾定律，通過特征尺寸的縮小改善電路性能，實現(xiàn)更高的集成度，更快的速度以及更低的功耗。正由于此，上世紀末，Intel公司將集成度和性能都達到空前高水平的奔騰處理器芯片和個人計算機送到用戶手中。目前MOSFET特征尺寸已達到45nm，而后隨著特征尺寸向納米尺度靠近，量子效應逐漸顯現(xiàn)并占據(jù)主導地位，一些諸如金屬互連、電流隧穿以及功耗等問題日益突出，將極大阻礙其向前發(fā)展的進程，按比例縮小的辦法繼續(xù)將更加困難。理論分析指出20-30nm可能是CMOS器件特征尺寸的物理極限，這不僅是指量子尺寸效應對現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受材料自身性質(zhì)的限制。

為了減小器件特征尺寸，從而達到整體提升器件性能的目的，人們希望找到其它的方法來避開上述困難。在設法抑制短溝道效應的實驗中發(fā)現(xiàn)，當特征尺寸接近物理極限時，基于量子隧道效應的隧道效應器件比傳統(tǒng)MOSFET好。換言之，基于隧道效應器件的量子器件比MOSFET更適合于納米電子學的發(fā)展。

共振隧穿二極管(RTD)是一種利用納米尺度上的隧穿效應實現(xiàn)開關特性的量子器件。作為率先實用化以及當前發(fā)展最成熟的納米電子器件，RTD峰谷轉(zhuǎn)換頻率的理論值高達2.5THz，實際器件振蕩頻率達到712GHz，實際器件開關時間達到1.5ps。由于它的高速度與低功耗，同時其所特有的微分負阻特性可以簡化電路的復雜性，吸引著人們的關注。RTD最主要的優(yōu)點，一是它所具有的、多重穩(wěn)態(tài)特性可以用來制作出十分緊湊的電路，二是它的本征速度可進入GHz范疇。RTD如今已經(jīng)在諸如A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)器、時鐘量化器、分頻器、移位寄存器、加法器、存儲器、可編程邏輯門等許多方面得到了應用。

材料方面，RTD主要采用分子束外延(MBE)技術或金屬有機化合物汽相淀積(MOCVD)技術生長厚度合適的窄禁帶半導體薄層制得量子阱區(qū)，在其上再生長寬禁帶半導體層得到勢壘層。由于MOCVD和MBE技術生長的薄層厚度可控制在幾個納米以內(nèi)，量子阱和勢壘的厚度都可控制在幾個納米內(nèi)。RTD的勢壘厚度相當于MOSFET的“溝道”長度，電子渡越這種“溝道”靠的是比漂移運動快得多的量子隧穿運動，因而RTD的速度性能應比MOSFET好。而RTD事實上不存在MOSFET那樣的溝道，所以不會出現(xiàn)短溝道效應。其所特有的微分電阻特性可用較少數(shù)量的器件完成相當?shù)墓δ埽喝缬脙蓚€背靠背連接的RTD和一個晶體管構(gòu)成SRAM單元，既節(jié)省芯片面積，又降低功耗。制作RTD的材料主要是III-V族化合物半導體，最合適的是InAlAs/InGaAs材料系，即以量子阱為窄禁帶半導體InGaAs，勢壘為寬禁帶半導體AlAs。InP和GaAs與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點。在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優(yōu)勢。

由于RTD屬于兩端器件，不能實現(xiàn)電流的調(diào)制，因此在形成電路時需要與三端器件相結(jié)合。由于具有高的電子遷移率，GaAs和InP等化合物半導體材料制造的高速器件，在微波毫米波范圍內(nèi)得到廣泛應用，高電子遷移率晶體管(HEMT)便是其中的代表。利用半導體平面工藝將基于量子隧穿效應的RTD和HEMT等器件在GaAs或InP襯底上集成起來，所形成的電路不僅保持了高頻率、低噪聲和低功耗的特點，而且比實現(xiàn)相同功能的其它器件電路所需的元件數(shù)要少得多，因此大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，減小了芯片面積，提高了集成度，在數(shù)字以及混合電路中有著重要的應用。

目前RTD與HEMT的單片集成主要采用濕法腐蝕的方法實現(xiàn)的，但由于濕法工藝普遍存在著側(cè)向腐蝕，不能精確控制器件的尺寸，不適應小尺寸器件電路的制作。而且由于濕法的一致性問題不能在整個片子上(尤其是4英寸以上)實現(xiàn)較均勻的腐蝕，不利于大規(guī)模器件的集成，并不適應產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種采用干法刻蝕技術實現(xiàn)RTD與HEMT單片集成的方法，對器件造成的損傷低，同時方向性更好，更適用于微小尺寸的制作；使小線條工藝得以實現(xiàn)，提高了良品率，適用于未來微納米尺寸RTD與HEMT單片集成電路產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需要。