專利名稱：：InP襯底上集成增強型和耗盡型HEMT的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料與器件，特別涉及一種在InP襯底上集成增強型和耗盡型服MT(高電子遷移率晶體管)的制作方法。
背景技術(shù)：
：自從1980年MimuraE等首先研制成功AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管(服MT)以來，由于其卓越的電子輸運特性，使得此類器件和電路具有高頻、高速和低噪聲等特性，并得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。就襯底材料而言，InP與GaAs相比，擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子飽和速率均更高，用它制作的HEMT器件的截止頻率已經(jīng)接近600GHz。參見YoshimiYamashita，"PseudomorphicIno.52Alo.4sAs/Ino.7Gao.3AsHEMTsWithanUltrahighfTof562GHz"，IEEEElectronDev丄ett，2002年。InP基納米柵高電子遷移率晶體管(HEMT)被公認(rèn)為是在40—100Gb/s傳輸速率的光纖通信用電路及微波，毫米波以及亞毫米波無線通信應(yīng)用的首選。用InP基HEMT制作的低噪聲放大器、壓控振蕩器等都具有其他器件不可比擬的優(yōu)越性。HEMT器件根據(jù)其開啟電壓的不同，分為增強型HEMT和耗盡型HEMT。增強型HEMT定義為開啟電壓大于OV的HEMT器件，耗盡型HEMT定義為開啟電壓小于OV的HEMT器件。在現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路中，耗盡型晶體管和增強型晶體管都是基本的三端控制器件。然而實際制作中，耗盡型HEMT相對來說比較容易實現(xiàn)，目前為止，基于InP基HEMT的實際應(yīng)用一般都采用耗盡型HEMT，隨著近幾年HEMT技術(shù)的迅速發(fā)展，耗盡型HEMT的成品率、高頻特性、功率特性等已經(jīng)可以滿足小規(guī)模超高速集成電路的需求(已有文獻(xiàn)報導(dǎo)可在同一芯片上集成上千個耗盡型HEMT);而增強型InP基服MT的制作則要困難的多，雖然近幾年增強型HEMT的制作技術(shù)得到不斷的改進(jìn)，但距離實際應(yīng)用于集成電路尚有一定的差距，對InP基HEMT在邏輯電路方面的應(yīng)用有較大的限制。尤其在一些邏輯電路中，更需要同時制作增強型和耗盡型HEMT(比如DCFL電路)。由于在現(xiàn)代集成電路中，增強型晶體管和耗盡型晶體管都是關(guān)鍵的三端控制器件，而InP基服MT的高頻高速特性則遠(yuǎn)強于一般的MOS晶體管，也比GaAs基HEMT的高頻高速特性好得多。因而如果能在InP襯底上集成增強型和耗盡型HEMT，就可以進(jìn)一步制作出各種包括增強型HEMT和耗盡型HEMT的InP基超高速集成電路芯片，使得InP基HEMT在超高速集成電路方面的應(yīng)用范圍取得極大的突破。用InP基HEMT制作的集成電路芯片的工作頻率可以超過100GHz，相當(dāng)于一般電腦芯片工作頻率的幾十倍到一百倍。本發(fā)明的基本出發(fā)點是在InP襯底上實現(xiàn)增強型HEMT制作的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，使得可以在制作出增強型HEMT的同時也制作出耗盡型廳T。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，提供一種在同一InP襯底上集成增強型和耗盡型HEMT的制作方法，這種方法采用較成熟的InP基HEMT制作工藝，依靠在材料結(jié)構(gòu)中生長兩層AlAs阻擋層，實現(xiàn)增強型HEMT和耗盡型HEMT在InP襯底上的集成。本發(fā)明對HEMT的柵長或柵的結(jié)構(gòu)無特殊要求，柵的制作可分別采用增強型和耗盡型HEMT柵制作的各種成熟的方案。本發(fā)明一種在InP襯底上集成增強型和耗盡型HEMT的制作方法，其特征在于1)半絕緣的InP襯底。2)在InP襯底上生長緩沖層這一層為不摻雜的半導(dǎo)體，目的是為獲得高質(zhì)量的外延層，減少襯底中的缺陷對電子溝道層的影響，厚度需1000A以上，較厚的緩沖層會有較好的效果，但成本也相應(yīng)增加，一般采用2500A的Ino.52Al。.4sAs層。3)在緩沖層上生長電子溝道層這一層為不摻雜In。.53Gao.47As層，是二維電子所在層，厚度一般在100A200A之間。4)在電子溝道層上生長空間層這一層為不摻雜Iri().52Al。.48As層，作用是將施主雜質(zhì)與二維電子氣隔開，減少電離雜質(zhì)散射，提高電子遷移率，厚度為30A50A，一般取30A。5)在空間層上生長面摻雜層摻雜濃度2X10^cm—2,所摻雜質(zhì)為Si。該層的目的是為溝道層提供二維電子氣。由于需要制作增強型HEMT，摻雜濃度不宜太高。6)在面摻雜層上生長第一層勢壘層這一層為不摻雜In。.52Al。.48As層，厚度50A60A。此層厚度專門為增強型HEMT設(shè)計，為使開啟電壓大于0V，需要較小的勢壘層厚度，以增強肖特基勢壘對溝道的控制能力。7)在第一層勢壘層上生長第一層腐蝕阻擋層這一層為不摻雜AlAs層，厚度2024A，作為增強型HEMT的柵槽的選擇腐蝕阻擋層。AlAs與InP之間的晶格常數(shù)不匹配，所以不宜太厚。該層與增強型HEMT的柵電極之間形成肖特基勢壘。8)在第一層腐蝕阻擋層上生長第二層勢壘層這一層為不摻雜的In。.52Al。.48As層，厚度根據(jù)耗盡型HEMT的開啟電壓要求而定，一般可考慮取20100A之間。該層與耗盡型HEMT的柵電極之間形成肖特基勢壘。9)在第二層勢壘層上生長第二層腐蝕阻擋層這一層為不摻雜AlAs層，厚度2024A，作為耗盡型HEMT的柵槽的選擇腐蝕阻擋層。10)在第二層腐蝕阻擋層上生長帽層這一層為高摻雜IncK53Gao.47As層，摻雜濃度lX10、m—3或更高，摻雜雜質(zhì)為Si。該層用來形成源漏的歐姆接觸，同時可以保護(hù)下面的AlAs層不被氧化。厚度一般為100A1000A。進(jìn)一步，所述增強型和耗盡型HEMT是在同一片InP襯底上制作的。進(jìn)一步，所述增強型和耗盡型HEMT的源漏電極是統(tǒng)一制作的，淀積在InGaAs帽層上，采用Ni/Ge/Au、GeAu/Ni/Au或Ti/Pt/Au;進(jìn)一步，所述腐蝕阻擋層為兩層AlAs腐蝕阻擋層，用于阻擋選擇濕法腐蝕。進(jìn)一步，所述增強型和耗盡型HEMT的器件隔離采用非選擇濕法腐蝕，柵槽制作采用選擇濕法腐蝕。進(jìn)一步，所述非選擇濕法腐蝕采用硫酸、雙氧水和水的混合溶液；選擇濕法腐蝕一般采用丁二酸、氨水、雙氧水和水的混合溶液。進(jìn)一步，所述增強型HEMT的柵槽和耗盡型.HEMT的柵槽是分別制作的，增強型HEMT的柵槽腐蝕到第一層AlAs腐蝕阻擋層，耗盡型HEMT的柵槽6腐蝕到第二層InAlAs勢壘層，柵槽制作采用選擇濕法腐蝕加上用稀鹽酸去AlAs腐蝕阻擋層的方法制作。進(jìn)一步，所述增強型HEMT的柵金屬淀積在第一層AlAs腐蝕阻擋層上，而耗盡型服MT的柵金屬淀積在第二層InAlAs勢壘層上。進(jìn)一步，用于制作增強型HEMT的柵金屬結(jié)構(gòu)為Pt/Ti/Pt/Au四層金屬結(jié)構(gòu)，用于制作耗盡型服MT的柵金屬結(jié)構(gòu)為Ti/Pt/Au三層金屬結(jié)構(gòu)。上述結(jié)構(gòu)的HEMT器件的生長采用成熟的分子束外延(MBE)技術(shù)。電極的制作采用電子束蒸發(fā)技術(shù)。器件圖形的形成采用光學(xué)曝光技術(shù)，在制作O.lixm量級柵長的時候可采用電子束曝光技術(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點在于，除兩層很薄的AlAs阻擋層以外，其他各層材料都是晶格匹配的，這樣可以降低材料生長的難度，提高器件的成品率和器件性能的一致性；制作過程中均采用濕法腐蝕，不會對二維電子氣造成損傷；所用選擇腐蝕液對AlAs與Ino.53Gao.47As、Ino.52Al,As之間有很好的選擇比，可有效控制腐蝕深度。圖1為HEMT整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為HEMT器件制備流程示意圖。具體實施例方式采用本發(fā)明提出的方法制備的增強型和耗盡型HEMT的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中l(wèi)為InP襯底，2為2500A厚的InAlAs緩沖層，3為150A厚的InGaAs溝道層，4為30A厚的InAlAs空間層，5為摻雜濃度為2X1012011—2的Si面摻雜層，6為55A厚的第一層InAlAs勢壘層，7為20A厚的第一層AlAs腐蝕阻擋層，8為50A厚的第二層InAlAs勢壘層，9為20A厚的第二層AlAs腐蝕阻擋層，10為500A厚摻雜濃度為lX10"cm—s的InGaAs帽層，ll為Pt/Ti/Pt/Au層狀結(jié)構(gòu)的增強型HEMT柵電極，12為Ti/Pt/Au層狀結(jié)構(gòu)的耗盡型HEMT柵電極，13為增強型HEMT的源電極，14為增強型HEMT的漏電極，15為耗盡型HEMT的源電極，16為耗盡型HEMT的漏電極。其中13、14、15、16是一起一次性制作的，都是在InGaAs帽層上制作的Ni/Ge/Au結(jié)7構(gòu)的歐姆接觸。以上各層的厚度只是一個示意性的數(shù)值，其可選擇的范圍參見下表。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>半絕緣InP襯底制備過程如圖2所示1.首先進(jìn)行器件隔離通過光學(xué)曝光刻出HEMT臺面的圖形，然后用硫酸、雙氧水和水的混合溶液進(jìn)行濕法腐蝕，腐蝕過程在冰水混合物形成的外部環(huán)境下進(jìn)行。通過對隔離區(qū)域腐蝕到InAlAs緩沖層2及以下實現(xiàn)器件的隔離。如圖1所示。2.接著制作源漏電極的歐姆接觸(圖1中13、14、15、16):通過光學(xué)曝光在HEMT臺面上刻出源和漏區(qū)，用電子束蒸發(fā)Ti/Pt/Au(或者Ni/Ge/Au和GeAu/Ni/Au)金屬作為源漏的接觸金屬，并在^氣和&氣的混合環(huán)境下合金，形成良好的歐姆接觸。3.然后是耗盡型HEMT柵12的制作通過光學(xué)曝光刻出柵槽區(qū)，用丁二酸、氨水、雙氧水和水的混合溶液進(jìn)行選擇腐蝕，腐蝕到靠上面的AlAs層8，然后用稀鹽酸去掉該層AlAs，露出下面的InAIAs層7。在此InAlAs層上通過光學(xué)曝光刻出柵條，再用電子束蒸發(fā)技術(shù)淀積Ti/Pt/Au金屬，形成耗盡型HEMT的肖特基接觸。由于所用溶液的選擇性，腐蝕的位置可以精確控制，這是保證HEMT成品率和性能一致性的基礎(chǔ)。4.最后是增強型HEMT柵11的制作通過光學(xué)曝光刻出柵槽區(qū)，用丁二酸、氨水、雙氧水和水的混合溶液進(jìn)行選擇腐蝕，腐蝕停止在靠上面的AlAs層8，然后用稀鹽酸去掉該層AlAs層，之后再用上述選擇腐蝕溶液腐蝕到靠下面的AlAs層6。在此AlAs層上通過光學(xué)曝光刻出柵條，再用電子束蒸發(fā)技術(shù)淀積Pt/Ti/Pt/Au金屬，形成增強壁HEMT的肖特基接觸。以上制作方法是基于增強型HEMT的制作方法，通過在增強型HEMT的勢壘層結(jié)構(gòu)上多生長一層InAlAs層，以減小柵對溝道的控制，由此可以在制作增強型HEMT的同時也制作出耗盡型HEMT。從而實現(xiàn)增強型HEMT和耗盡型HEMT在同一InP襯底上的集成。柵的制作也可采用電子束曝光的方法，這樣可以制作出0.1ym量級的柵長，使得HEMT擁有更高的頻率特性。一般通過光學(xué)曝光制作的InP基HEMT應(yīng)用于不超過10GHz的電路，通過電子束曝光制作的HEMT可應(yīng)用于幾十GHz到超過百GHz的電路。以上制作實例為本發(fā)明的一般實施方案，制作工藝上實際可采用的制作方案是很多的，凡依本發(fā)明的權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。9權(quán)利要求1.一種在InP襯底上集成增強型和耗盡型HEMT的制作方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用半絕緣材料作為襯底；2)在襯底上生長緩沖層；3)在緩沖層上生長電子溝道層；4)在電子溝道層上生長空間層；5)在空間層上生長摻雜層；6)在摻雜層上生長第一層勢壘層；7)在第一層勢壘層上生長第一層腐蝕阻擋層；8)在第一層腐蝕阻擋層上生長第二層勢壘層；9)在第二層勢壘層上生長第二層腐蝕阻擋層；10)在第二層腐蝕阻擋層上生長帽層。2.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述襯底為半絕緣InP材料，所述緩沖層采用InAlAs，所述電子溝道層采用InGaAs，所述空間層采用InAlAs。3.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述摻雜層采用Si面，所述第一層勢壘層采用InAlAs，所述第一層腐蝕阻擋層采用AlAs，所述第一層腐蝕阻擋層采用AlAs，所述第二層勢壘層采用InAlAs，所述第二層腐蝕阻擋層采用AlAs，所述帽層采用InGaAs。4.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述增強型和耗盡型HEMT的源漏電極是統(tǒng)一制作的，淀積在InGaAs帽層上，采用Ni/Ge/Au、GeAu脂Au或Ti/Pt/Au。5.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述腐蝕阻擋層為兩層AlAs腐蝕阻擋層，用于阻擋選擇濕法腐蝕。6.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述增強型和耗盡型HEMT的器件隔離采用非選擇濕法腐蝕，柵槽制作采用選擇濕法腐蝕。7.如權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述非選擇濕法腐蝕采用硫酸、雙氧水和水的混合溶液；所述選擇濕法腐蝕采用丁二酸、氨水、雙氧水和水的混合溶液。8.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述增強型HEMT的柵槽和耗盡型HEMT的柵槽是分別制作的，增強型HEMT的柵槽腐蝕到第一層AlAs腐蝕阻擋層，耗盡型HEMT的柵槽腐蝕到第二層InAlAs勢壘層，柵槽制作采用選擇濕法腐蝕加上用稀鹽酸去AlAs腐蝕阻擋層的方法制作。9.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述增強型HEMT的柵金屬淀積在第一層AlAs腐蝕阻擋層上，而耗盡型HEMT的柵金屬淀積在第二層InAlAs勢壘層上。10.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，增強型服MT的柵金屬結(jié)構(gòu)為Pt/Ti/Pt/Au四層金屬結(jié)構(gòu)，耗盡型HEMT的柵金屬結(jié)構(gòu)為Ti/Pt/Au三層金屬結(jié)構(gòu)。全文摘要本發(fā)明提出一種在InP襯底上集成增強型和耗盡型HEMT(高電子遷移率晶體管)的制作方法，此方法適用于需要同時集成增強型HEMT和耗盡型HEMT的InP基集成電路。其特征在于a)在InAlAs有源層和n⁺InGaAs帽層之間生長雙AlAs阻擋層；b)采用選擇腐蝕在兩層AlAs阻擋層之間形成兩種不同厚度、不同結(jié)構(gòu)的勢壘層；c)在兩種不同的勢壘層上分別制作兩種不同結(jié)構(gòu)的柵電極，分別形成增強型和耗盡型的HEMT。文檔編號H01L21/70GK101515568SQ200810057889公開日2009年8月26日申請日期2008年2月20日優(yōu)先權(quán)日2008年2月20日發(fā)明者揚張,揚戴,睿杜,楊富華申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所