專利名稱：量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料及器件制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料及器件制備方法，特別適用于制備量子線結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管器件。
中國專利申請?zhí)?1110768.5，名稱為《分子束外延自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料制備方法》的專利申請中，公開了一種自組織生長量子線結(jié)構(gòu)材料方法，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、可重復(fù)性強(qiáng)，形成的量子線密度高且均勻性好。國內(nèi)外目前量子線結(jié)構(gòu)材料的制備通常采用腐蝕、光刻等復(fù)雜工藝，有‘V’槽、脊型、‘T’型等各種結(jié)構(gòu)，利用自組織方法形成量子線結(jié)構(gòu)制備的器件僅集中在激光器應(yīng)用中。
理論上，半導(dǎo)體量子線晶體管具有超高速、低功耗和優(yōu)良的電學(xué)特性等特點(diǎn)，在通訊、航空、航天、軍事等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。制約量子線晶體管性能提高的主要因素是如何制備出特性良好、高均勻、高連續(xù)性的一維量子線結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外發(fā)展了多種制備量子線晶體管的技術(shù)，但其量子線結(jié)構(gòu)的形成都涉及了光刻、外延層化學(xué)腐蝕等復(fù)雜工藝，這樣就在外延材料生長中引入了大量的缺陷，同時量子線的密度很低而且工藝復(fù)雜、制備周期長，因此影響了量子線晶體管器件性能的提高。
本發(fā)明的目的在于避免上述背景技術(shù)中的不足之處而提供一種不涉及光刻和外延層腐蝕等復(fù)雜工藝，采用分子束外延自組織生長量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料及器件制備方法。該方法工藝簡單，可重復(fù)性強(qiáng)，制造成本低。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包含的步驟有在高面指數(shù)砷化鎵1襯底上生長一層厚度為50至150納米砷化鎵或40至100周期砷化鎵/砷化鋁超晶格材料的緩沖層2，在緩沖層2上生長一層厚度為10至30納米砷化鎵下勢壘層3，在砷化鎵下勢壘層3上生長一層厚度為1至5納米鎵銦砷材料作量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料4；在鎵銦砷材料作量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料4上生長一層厚度為1至7納米的鋁鎵砷材料的隔離層5；在隔離層5上生長一層厚度為0.5納米的n型‘δ’摻雜層6，n型‘δ’摻雜層6的摻雜濃度為2×1014至6×1014/厘米2；在n型‘δ’摻雜層6上生長一層厚度為5至50納米的鋁鎵砷上勢壘層7；在鋁鎵砷上勢壘層7上生長一層厚度為5至20納米的摻n型摻雜劑的砷化鎵歐姆接觸層8,n型摻雜劑濃度為2×1018至8×1020/厘米3，外延生長成量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料；在已外延生長好的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料上涂上正性光刻膠，并進(jìn)行隔離光刻，顯影出場效應(yīng)管器件有源區(qū)9圖形結(jié)構(gòu)臺面；在場效應(yīng)管器件有源區(qū)9圖形結(jié)構(gòu)有源區(qū)外隔離注入硼離子，再光刻量子線場效應(yīng)晶體管源電極10、漏電極11；對源電極10、漏電極11金屬蒸發(fā)，蒸發(fā)金屬為金/鍺/鎳/銀/金，再對源電極10、漏電極11金屬剝離并合金；在場效應(yīng)管器件有源區(qū)9圖形結(jié)構(gòu)上光刻量子線場效應(yīng)晶體管柵電極12、挖槽腐蝕去掉砷化鎵歐姆接觸層8，對柵電極12金屬蒸發(fā)，蒸發(fā)金屬為鈦/鉑/金，再對柵電極12金屬剝離成形；對源電極10、漏電極11、柵電極12壓焊柄布線光刻，引出光刻電極線，對光刻電極線蒸發(fā)布線金屬，蒸發(fā)金屬為鈦/金；再對蒸發(fā)布線金屬剝離，裝架、鍵合、封裝完成量子線場效應(yīng)晶體管的制備。
本發(fā)明還包含以下制造步驟本發(fā)明切拋的高面指數(shù)砷化鎵1襯底的晶面沿(111)B晶面偏向(110)B晶面方向，偏角大小為5至22度。
本發(fā)明鎵銦砷量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料4中銦組份為0.05至1，鋁鎵砷材料隔離層5中鋁組份范圍為0至1，鋁鎵砷材料上勢壘層7的鋁組份范圍為0至1。
本發(fā)明量子線場效應(yīng)晶體管的源電極10、漏電極11間距為1至5微米，柵電極12柵長為0.5至2微米。
本發(fā)明相比背景技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)1．本發(fā)明通過控制生長溫度、元素蒸氣壓等生長條件在分子束外延生長室內(nèi)自組織一次生長形成量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料，因此該方法具有工藝簡單，可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
2．本發(fā)明自組織生長的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料不涉及光刻和外延層腐蝕等復(fù)雜工藝，因此制備出的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料具有量子線密度高、均勻性好及優(yōu)良的光電特性等特點(diǎn)。
3．本發(fā)明采用的制造設(shè)備、源材料及器材等通用性強(qiáng)，因此可大大降低制造加工成本。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料示意圖。
圖2是本發(fā)明量子線場效應(yīng)晶體管器件結(jié)構(gòu)示意圖。
參照圖1、圖2，本發(fā)明采取以下加工步驟在高面指數(shù)砷化鎵(GaAs)1襯底上生長一層厚度為50至150納米砷化鎵(GaAs)或40至100周期砷化鎵(GaAs)/砷化鋁(AIAs)，超晶格材料的緩沖層2。實(shí)施例采用(553)B-GaAs材料作襯底1，切拋時沿(111)B偏向(110)B方向，偏角大小為5至22度，采用偏角大小為12.3°。首先對(553)B砷化鎵1襯底進(jìn)行常規(guī)的化學(xué)腐蝕、清洗以去除機(jī)械損傷和氧化層后進(jìn)行烘干。(553)B砷化鎵襯底1的化學(xué)腐蝕速度會對外延生長的材料質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。襯底腐蝕的速度過慢時就無法去除拋光機(jī)械損傷和表面氧化層；過快時易在表面形成腐蝕條紋，這樣在進(jìn)行分子束外延生長時會在外延層形成大量的缺陷，影響材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，嚴(yán)重時甚至?xí)贡砻娉熟F狀，無法發(fā)光，同時大大降低載流子的遷移率。因此合適的襯底腐蝕速度是進(jìn)行襯底清潔和獲得高質(zhì)量外延薄膜的前提。實(shí)施例采用濃硫酸(H2SO4)、雙氧水(H2O2)和去離子水(H2O)的常規(guī)腐蝕液，把腐蝕速度控制在20至35納米/分鐘進(jìn)行襯底表面處理。然后把處理好并烘干的(553)B砷化鎵襯底裝入RIBER-32P型分子束外延設(shè)備的生長室。裝入生長室的襯底在砷蒸氣壓為1×10-5至2.5×10-7托下經(jīng)過高溫預(yù)處理，這一過程是為了去除襯底表面的薄氧化層。接著在生長溫度530至610℃下生長一層厚度為50至150納米的砷化鎵(GaAs)緩沖層2和10至30納米砷化鎵(GaAs)下勢壘層3。實(shí)施例采用砷蒸氣壓為5×10-6托，鎵蒸氣壓為5×10-7托，砷(As)與鎵(Ga)蒸氣壓比為10∶1。生長溫度為580℃。砷化鎵(GaAs)緩沖層2生長厚度為80納米，砷化鎵(GaAs)下勢壘層3為20納米，生長速率約為1.0微米/小時。
接著在砷化鎵GaAs下勢壘層3上生長一層厚度為1至5納米鎵銦砷(GaxIn1-xAs)材料作量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料4。實(shí)施例生長鎵銦砷(GaxIn1-xAs)量子線溝道采用的砷蒸氣壓為5×10-6托，鎵蒸氣壓為5×10-7托，砷(As)與鎵(Ga)蒸氣壓比為10∶1，生長溫度為570℃，生長速率為0.6微米/小時，生長鎵銦砷(GaxIn1-xAs)量子線溝道材料4的厚度為3納米。本發(fā)明生長溫度的高低直接影響到外延材料的質(zhì)量，太高或太低的生長溫度都無法得到鏡亮的表面，而且生長溫度對材料的發(fā)光有強(qiáng)烈的影響。
本發(fā)明鎵銦砷(GaxIn1-xAs)量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料4中銦組份為0.05至1。實(shí)施例采用銦組份為0.15在量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料4上生長一層厚度為1至7納米的鋁鎵砷(AlxGa1-xAs)材料的隔離層5，鋁鎵砷(AlxGa1-xAs)隔離層5中鋁的組份范圍為0至1。實(shí)施例生長隔離層5的砷(As)蒸氣壓為5×10-6托，鎵(Ga)蒸氣壓為2.5×10-7托，砷蒸氣壓與鎵蒸氣壓之比為10∶1，生長溫度為570℃，生長速率為0.6微米/小時，生長鋁鎵砷(AlxGa1-xAs)隔離層5的厚度為4納米。鋁鎵砷(AlxGa1-xAs)材料的隔離層5中鋁的組份為0.3。
本發(fā)明在隔離層5上生長一層厚度為0.5納米的n型‘δ’摻雜層6,n型‘δ’摻雜層6的摻雜濃度為2×1014至6×1014/厘米2。摻雜層6的作用是增加鎵銦砷量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料4中的載流子數(shù)量。實(shí)施例采用硅(Si)為n型摻雜劑，摻雜濃度約為3×1012/厘米2。
在n型‘δ’摻雜層6上生長一層厚度為5至50納米的鋁鎵砷材料上勢壘層7，上勢壘層7中鋁組份范圍為0至1。上勢壘層7的作用是實(shí)現(xiàn)在對量子線溝道中載流子的兩維限制作用。實(shí)施例生長鋁鎵砷(AlxGa1-xAs)材料上勢壘層7的砷蒸氣壓為5×10-6托，鎵蒸氣壓為2.5×10-7托，砷蒸氣壓與鎵蒸氣壓之比為10∶1，生長溫度為570℃，生長速率為0.6微米/小時，上勢壘層7的生長厚度為15納米。鋁鎵砷(AlxGa1-xAs)上勢壘層7中鋁的組份為0.3。
在上勢壘層7上生長一層厚度為5至20納米摻n型摻雜劑的砷化鎵(GaAs)歐姆接觸層8,n型摻雜劑濃度為2×1018至8×1020/厘米3，外延生長成量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料。實(shí)施例在上勢壘層7上生長一層砷化鎵(GaAs)歐姆接觸層8的砷蒸氣壓為5×10-6托，鎵蒸氣壓為2.5×10-7托，砷蒸氣壓與鎵蒸氣壓之比為10∶1，生長溫度為570℃，生長速率為0.6微米/小時，生長GaAs歐姆接觸層8的厚度為15納米，硅(Si)為n型摻雜劑，濃度為3×1019/厘米3。
在已生長好的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料上涂上正性光刻膠，再放入EM56009型光刻機(jī)中進(jìn)行隔離臺面光刻，顯影出場效應(yīng)管器件有源區(qū)9圖形結(jié)構(gòu)臺面。
在場效應(yīng)管器件圖形結(jié)構(gòu)有源區(qū)9外利用常規(guī)的離子注入設(shè)備注入硼離子B+實(shí)現(xiàn)器件隔離。后置入EM5609型光刻機(jī)中光刻量子線場效應(yīng)晶體管的源電極10、漏電極11，光刻量子線場效應(yīng)晶體管的源電極10、漏電極11間距為1至5微米，實(shí)施例源電極10、漏電極11光刻的間距為4微米。
對源電極10、漏電極11金屬蒸發(fā)，蒸發(fā)金屬為鍺/鎳/銀/金。實(shí)施例采用ES-26C電子束蒸發(fā)臺進(jìn)行對源電極10、漏電極11金屬化蒸發(fā)鍺/鎳/銀/金。蒸發(fā)金屬以后對無用金屬進(jìn)行剝離，實(shí)施例金屬剝離是放入H66025型超聲波發(fā)生器中進(jìn)行的。金屬剝離后對源電極10、漏電極11進(jìn)行合金。實(shí)施例采用HJ24型合金爐進(jìn)行合金，合金的溫度控制在480℃至520℃，時間為90秒鐘。
源電極10、漏電極11合金后在場效應(yīng)管器件有源區(qū)9圖形結(jié)構(gòu)上光刻量子線場效晶體管柵電極12、柵電極柵長為0.5至2微米(總小于源電極10和漏電極11的間距)。實(shí)施例采用EM5609型光刻機(jī)光刻柵電極12，柵電極12柵長為1微米。光刻柵電極12后對場效應(yīng)管器件圖形結(jié)構(gòu)挖槽腐蝕去掉砷化鎵歐姆接觸層8，實(shí)施例挖槽腐蝕控制閥值電壓為-0.8V至-1.2V。再對柵電極12金屬化，蒸發(fā)金屬為鈦/鉑/金。實(shí)施例采用ES-26C電子束蒸發(fā)臺進(jìn)行蒸發(fā)鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)。柵電極12金屬化后再進(jìn)行金屬剝離成形。
柵電極12剝離完成后對源電極10、漏電極11、柵電極12壓焊柄布線光刻，引出光刻電極線，并對光刻電極線蒸發(fā)布線金屬，蒸發(fā)金屬為鈦/金。再對布線金屬剝離、裝架、鍵合、封裝成量子線場效應(yīng)晶體管器件。實(shí)施例采用EM5609型光刻機(jī)進(jìn)行源電極10、漏電極11、柵電極12布線光刻，布線光刻以后蒸發(fā)布線金屬，形成鈦/金(Ti/Au)電極，對布線金屬進(jìn)行金屬剝離，最后裝架、鍵合，并封裝成量子線場效應(yīng)晶體管樣管。
權(quán)利要求
1．一種量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料及器件制備方法，包括步驟在高面指數(shù)砷化鎵(1)襯底上生長一層厚度為50至150納米砷化鎵或40至100周期砷化鎵/砷化鋁超晶格材料的緩沖層(2)，在緩沖層(2)上生長一層厚度為10至30納米砷化鎵下勢壘層(3)，在砷化鎵下勢壘層(3)上生長一層厚度為1至5納米的鎵銦砷材料作量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料(4)，其特征在于還包括以下步驟a．在鎵銦砷材料作量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料(4)上生長一層厚度為1至7納米的鋁鎵砷材料的隔離層(5)；b．在隔離層(5)上生長一層厚度為0.5納米的n型‘δ’摻雜層(6),n型‘δ’摻雜層(6)的摻雜濃度為2×1014至6×1014/厘米2；c．在n型‘δ’摻雜層(6)上生長一層厚度為5至50納米的鋁鎵砷上勢壘層(7)；d．在鋁鎵砷上勢壘層(7)上生長一層厚度為5至20納米的摻n型摻雜劑砷化鎵歐姆接觸層(8),n型摻雜劑濃度為2×1018至8×1020/厘米3，外延生長成量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料；e．在已外延生長好的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料上涂上正性光刻膠，并進(jìn)行隔離光刻，顯影出量子線場效應(yīng)管器件有源區(qū)(9)圖形結(jié)構(gòu)臺面；f．在場效應(yīng)管器件有源區(qū)(9)圖形結(jié)構(gòu)有源區(qū)外隔離注入硼離子，再光刻量子線場效應(yīng)晶體管源電極(10)、漏電極(11)；g．對源電極(10)、漏電極(11)金屬蒸發(fā)，蒸發(fā)金屬為鍺/鎳/銀/金，再對源電極(10)、漏電極(11)金屬剝離并合金；h．在場效應(yīng)管器件有源區(qū)(9)圖形結(jié)構(gòu)上光刻量子線場效應(yīng)晶體管柵電極(12)、挖槽腐蝕去掉砷化鎵歐姆接觸層(8)，對柵電極(12)金屬蒸發(fā)，蒸發(fā)金屬為鈦/鉑/金，再對柵電極(12)金屬剝離成形；i．對源電極(10)、漏電極(11)、柵電極(12)壓焊柄布線光刻，引出光刻電極線，對光刻電極線蒸發(fā)布線金屬，蒸發(fā)金屬為鈦/金；再對蒸發(fā)布線金屬剝離，裝架、鍵合、封裝完成量子線場效應(yīng)晶體管的制備。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料及器件制備方法，其特征在于切拋的高面指數(shù)砷化鎵(1)襯底的晶面沿(111)B晶面偏向(110)B晶面方向，偏角大小為5至22度。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料及器件制備方法，其特征在于鎵銦砷材料作量子線場效應(yīng)晶體管溝道材料(4)中銦組份為0.05至1，鋁鎵砷材料的隔離層(5)中鋁組份范圍為0至1，鋁鎵砷材料上勢壘層(7)中鋁組份范圍為0至1。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料及器件制備方法，其特征在于量子線場效應(yīng)晶體管的源電極(10)、漏電極(11)間距為1至5微米，柵電極(12)柵長為0.5至2微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種量子線場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)材料及器件制備方法。該方法具有工藝簡單,可重復(fù)性強(qiáng),制造成本低等特點(diǎn)。量子線結(jié)構(gòu)材料是利用分子束外延設(shè)備,通過控制生長溫度、元素蒸氣壓比、生長速率和生長時間等條件自組織實(shí)現(xiàn)的,它不涉及光刻、外延層腐蝕等復(fù)雜工藝,具有高密度、高均勻性及良好的一維特性。理論上,量子線場效應(yīng)管具有超高速、低功耗等優(yōu)良性能,是微電子學(xué)的重要研究領(lǐng)域。
文檔編號H01L21/02GK1320955SQ01115889
公開日2001年11月7日 申請日期2001年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月14日
發(fā)明者閻發(fā)旺, 梁春廣, 張文俊, 李獻(xiàn)杰, 張榮桂, 曾慶明, 熬金平, 劉偉吉 申請人:信息產(chǎn)業(yè)部電子第十三研究所