[发明专利]采用干法刻蚀技术实现RTD与HEMT单片集成的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是在III-V族衬底上制备共振隧穿二极管与晶体管单片集成电路工艺方面。

背景技术

自上世纪六十年代硅大规模集成电路实现产业化大生产以来，一直遵循摩尔定律，通过特征尺寸的缩小改善电路性能，实现更高的集成度，更快的速度以及更低的功耗。正由于此，上世纪末，Intel公司将集成度和性能都达到空前高水平的奔腾处理器芯片和个人计算机送到用户手中。目前MOSFET特征尺寸已达到45nm，而后随着特征尺寸向纳米尺度靠近，量子效应逐渐显现并占据主导地位，一些诸如金属互连、电流隧穿以及功耗等问题日益突出，将极大阻碍其向前发展的进程，按比例缩小的办法继续将更加困难。理论分析指出20-30nm可能是CMOS器件特征尺寸的物理极限，这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受材料自身性质的限制。

为了减小器件特征尺寸，从而达到整体提升器件性能的目的，人们希望找到其它的方法来避开上述困难。在设法抑制短沟道效应的实验中发现，当特征尺寸接近物理极限时，基于量子隧道效应的隧道效应器件比传统MOSFET好。换言之，基于隧道效应器件的量子器件比MOSFET更适合于纳米电子学的发展。

共振隧穿二极管(RTD)是一种利用纳米尺度上的隧穿效应实现开关特性的量子器件。作为率先实用化以及当前发展最成熟的纳米电子器件，RTD峰谷转换频率的理论值高达2.5THz，实际器件振荡频率达到712GHz，实际器件开关时间达到1.5ps。由于它的高速度与低功耗，同时其所特有的微分负阻特性可以简化电路的复杂性，吸引着人们的关注。RTD最主要的优点，一是它所具有的、多重稳态特性可以用来制作出十分紧凑的电路，二是它的本征速度可进入GHz范畴。RTD如今已经在诸如A/D和D/A转换器、触发器、时钟量化器、分频器、移位寄存器、加法器、存储器、可编程逻辑门等许多方面得到了应用。

材料方面，RTD主要采用分子束外延(MBE)技术或金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)技术生长厚度合适的窄禁带半导体薄层制得量子阱区，在其上再生长宽禁带半导体层得到势垒层。由于MOCVD和MBE技术生长的薄层厚度可控制在几个纳米以内，量子阱和势垒的厚度都可控制在几个纳米内。RTD的势垒厚度相当于MOSFET的“沟道”长度，电子渡越这种“沟道”靠的是比漂移运动快得多的量子隧穿运动，因而RTD的速度性能应比MOSFET好。而RTD事实上不存在MOSFET那样的沟道，所以不会出现短沟道效应。其所特有的微分电阻特性可用较少数量的器件完成相当的功能：如用两个背靠背连接的RTD和一个晶体管构成SRAM单元，既节省芯片面积，又降低功耗。制作RTD的材料主要是III-V族化合物半导体，最合适的是InAlAs/InGaAs材料系，即以量子阱为窄禁带半导体InGaAs，势垒为宽禁带半导体AlAs。InP和GaAs与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点。在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

由于RTD属于两端器件，不能实现电流的调制，因此在形成电路时需要与三端器件相结合。由于具有高的电子迁移率，GaAs和InP等化合物半导体材料制造的高速器件，在微波毫米波范围内得到广泛应用，高电子迁移率晶体管(HEMT)便是其中的代表。利用半导体平面工艺将基于量子隧穿效应的RTD和HEMT等器件在GaAs或InP衬底上集成起来，所形成的电路不仅保持了高频率、低噪声和低功耗的特点，而且比实现相同功能的其它器件电路所需的元件数要少得多，因此大大简化了电路结构，减小了芯片面积，提高了集成度，在数字以及混合电路中有着重要的应用。

目前RTD与HEMT的单片集成主要采用湿法腐蚀的方法实现的，但由于湿法工艺普遍存在着侧向腐蚀，不能精确控制器件的尺寸，不适应小尺寸器件电路的制作。而且由于湿法的一致性问题不能在整个片子上(尤其是4英寸以上)实现较均匀的腐蚀，不利于大规模器件的集成，并不适应产业化批量生产的需要。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用干法刻蚀技术实现RTD与HEMT单片集成的方法，对器件造成的损伤低，同时方向性更好，更适用于微小尺寸的制作；使小线条工艺得以实现，提高了良品率，适用于未来微纳米尺寸RTD与HEMT单片集成电路产业化生产的需要。