專利名稱：△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可廣泛用于高速集成電路及高頻電路的△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作工藝方法，特別涉及一種采用有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積工藝(MOCVD)制作的△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法，從而可得到一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的GaAs/AlGaAs△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
通常，高速GaAs/AlGaAs△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管是采用分子束外延工藝(MBE)制作的。日本特許出愿號(hào)昭61-276269公開(kāi)了一種此類GaAs/AlGaAs△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它是采用分子束外延工藝形成的。按該現(xiàn)有技術(shù)，△-摻雜量子阱是形成在非溝道區(qū)上的，而摻雜的GaAs是用在柵極上的。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中采用這種結(jié)構(gòu)，不僅降低了其擊穿電壓，而且也不可能得到其它的優(yōu)良特性。
另一現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例是A.Ishibashi等人的GaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管，公開(kāi)在ElectronicsLetters上，Vol.24，No.16，PP1034，Au-gust1988。該GaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)置了一長(zhǎng)度為0.15μm的柵，得到最大本征跨導(dǎo)為400ms/mm，其水平相對(duì)較高。
另外一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例是E.F.Schubert等人提出的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，公開(kāi)在IEEE上，Vol.33，No5，PP625，May1986。根據(jù)他們的方案，分子束外延工藝是這樣進(jìn)行的，讓GaAs的摻雜得以形成一種符合Diracδ函數(shù)的電子濃度分布，由此形成一種場(chǎng)效層晶體管。在此情況下，可以得到一種高二維電子層(2DEG)，高擊穿電壓和高非本征跨導(dǎo)，因而能獲得一種高性能的器件。
再一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例是W.P.Hong等人的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，公開(kāi)在IEEE上，Vol.37，No.8，PP1924-1926，August 1990分子束外延工藝被用來(lái)形成此種晶體管，當(dāng)覆蓋層為300
，柵長(zhǎng)為1.3μm時(shí)，可獲得最大跨導(dǎo)為160ms/mm、柵電壓擺幅為2.1V、最大漏極電流為420mA/mm。
然而，按上述常規(guī)技術(shù)，GaAs/AlGaAs量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管大多數(shù)是采用分子束外延工藝形成的，但是若要實(shí)施分子束外延工藝，則必須提供低于10-11乇的超高真空。結(jié)果就會(huì)使得制作工藝的生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)實(shí)效下降。
本發(fā)明旨在克服常規(guī)技術(shù)中的上述不足之處。
所以，本發(fā)明的目的在于提供一種用于高速和高頻電路的GaAs/AlGaAs△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作工藝方法，按此法，采用一種可易于推廣實(shí)際應(yīng)用的有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積工藝，由此，得到比常規(guī)GaAs/AlGaAs量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能更好的特性。
根據(jù)本發(fā)明，GaAs/AlGaAs晶體的生長(zhǎng)是在650-750℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以△-摻雜分布不會(huì)變寬，而形成高質(zhì)量晶體。
若結(jié)晶溫度低于650℃，則不能制成高質(zhì)量晶體;但若超過(guò)750℃，則摻雜分布將變寬，那就不適宜用于電子器件。
同時(shí)，量子阱的厚度最好處于100-200
的范圍內(nèi)。若量子阱的厚度薄于100A，則會(huì)惡化對(duì)載流子的約束，而若厚于200
，其量子效應(yīng)就會(huì)被減弱。
AlGaAs覆蓋層的厚度應(yīng)為100-500
，在此情況下，△-摻雜分布的彌散可被減至最小，從而獲得最大的跨導(dǎo)。若覆蓋層的厚度薄于100
，會(huì)出現(xiàn)遂道效應(yīng)，器件的特性將被劣化。同時(shí)，若厚于500
，雖然柵與溝道間的距離可通過(guò)開(kāi)槽工藝加以調(diào)整，卻使源-漏電阻增大，且使摻雜分布變寬，因而降低了器件的特性。
在△-摻雜期間，用N型雜質(zhì)，如SiH4或SiH6使GaAs層內(nèi)硅的摻雜范圍做成2-7×1012/cm3。在Si摻雜期間，摻雜劑電子濃度是靠控制SiH4或Si2H6的摻雜時(shí)間來(lái)調(diào)整的，而且，其界面應(yīng)是突變的，其厚度必須是可調(diào)整的。
上述的本發(fā)明的目的及其它的優(yōu)點(diǎn)，將通過(guò)參考附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述而變得更加明顯。


圖1是表示依照本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的垂直剖視圖。
圖2是表示依照本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管與漏-源電壓的關(guān)系特性曲線圖。
圖3是表示依照本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管非本征跨導(dǎo)及漏極電流測(cè)量值與柵電壓的關(guān)系曲線圖。
圖4是表示依照本發(fā)明制作有肖特基(Schottky)二極管的電壓一電流特性曲線圖。
圖5是表明依照本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管量子阱的△-摻要分布圖。
圖6是表明依照本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管電流及功率增益與頻率的關(guān)系圖。
圖1是依照本發(fā)明的用有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積工藝制成的GaAs/Al0.3Ga0.7As△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的垂直剖面圖，其中將一個(gè)△-摻雜引入為使電子通過(guò)而設(shè)置的GaAs層中。
通過(guò)GaAs基片1浸入超聲波浴中，依提到的次序用三氯乙烯、丙酮和甲醇各浸漬5分鐘，即把它浸入上述三種化學(xué)物質(zhì)中，各浸漬5分鐘，清洗GaAs基片1以便去掉有機(jī)外來(lái)材料。然后將基片1放入由硫酸、過(guò)氧化氫和去離子水按4∶1∶1配比組成的溶液中浸漬30秒進(jìn)行腐蝕。用于該工藝的設(shè)備是有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積裝置，流量速率保持在6標(biāo)準(zhǔn)升/秒(SLM)，同時(shí)，在反應(yīng)腔內(nèi)的壓力維持在76乇。
在基片1上形成一超晶格層(S/L)2，將該超晶格層2放入一反應(yīng)腔，向反應(yīng)腔內(nèi)引入三甲基鎵(TMG)和三甲基鋁(TM
)。流量分別為5.8sccm和4.8sccm;并向反應(yīng)腔內(nèi)，引入0.3SLM砷化三氫氣(AsH3)。因而在此條件下生成層2，使得50 的GaAs超晶格和50 的Al0.3Ga0.7As超晶格通過(guò)20個(gè)循環(huán)來(lái)形成。在此工藝過(guò)程中，GaAs的生長(zhǎng)速率是5 /sec，而AlGaAs的生長(zhǎng)速率是6.4 /sec。
在超晶格層2上形成一層不摻雜AlGaAs緩沖層3，為形成該緩沖層3，使用的三甲基鎵和三甲基鋁的流量分別為5.8sccm和2.5sccm。在層3的形成過(guò)程中，AlGaAs的生長(zhǎng)速率是5.3 /sec，而該工藝過(guò)程持續(xù)31分鐘，使AlGaAs層生長(zhǎng)10000 。
在該緩沖層3上形成第一GaAs量子阱4，該量子阱4經(jīng)15秒的形成工藝過(guò)程，采用的三甲基鎵的流量為5.8sccm，因而使其生長(zhǎng)到75 。然后，鎖住三甲基鎵的氣門，代之以打開(kāi)SiH4或Si2H6的氣門，由此完成一次n型雜質(zhì)引入第一GaAs量子阱4的△-摻雜。在實(shí)行該工藝過(guò)程之前和之后，分別進(jìn)行排氣15秒和7秒。
采用有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積工藝進(jìn)行在第一量子阱4內(nèi)的Si△-摻雜，然后在與第一量子阱4相同的生長(zhǎng)條件下，生長(zhǎng)第二量子阱5。
在第二量子阱5上，用分別為5.8sccm和2.5scm的三甲基鎵和三甲基鋁生長(zhǎng)56秒，形成AlGaAs覆蓋層6。該層的生長(zhǎng)速率與緩沖層3的生長(zhǎng)速率相同，因而，所形成的覆蓋層6的厚度為300 。此后，為了增強(qiáng)歐姆接觸，在覆蓋層6上形成一層厚度為20 的GaAs歐姆層7。在此形成工藝過(guò)程中，使用的三甲基鎵的流量為5.8sccm，生長(zhǎng)時(shí)間為4秒。
同時(shí)，在上述工藝過(guò)程中，將三甲基鋁保持在20℃的恒溫器中，而三甲基鎵保持在-10℃的恒溫器內(nèi)，再用氫把胂稀釋到10%，也用氫把甲硅烷稀釋到100ppm，此時(shí)的生長(zhǎng)溫度為700-750℃。特別是，當(dāng)反應(yīng)層溫度上升和下降時(shí)，若反應(yīng)溫度超過(guò)400℃，要讓200sccm的AsH3流經(jīng)樣品1，以便防止樣品1表面的分解。
下面表1表明了各種氣體的流量，生長(zhǎng)時(shí)間和生長(zhǎng)溫度。
現(xiàn)在將介紹場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作工藝過(guò)程。
器件的隔離是通過(guò)臺(tái)面腐蝕及形成一層低雜質(zhì)濃度的不摻雜的層實(shí)現(xiàn)的，臺(tái)面腐蝕工藝則用UV接觸對(duì)準(zhǔn)器完成的，以便形成器件圖形，并用硫酸、過(guò)氧化氫和去離子水(以1∶1∶25的配比混合)的混合溶液腐蝕12秒鐘，大約腐蝕掉700
，來(lái)實(shí)現(xiàn)腐蝕。
此后，源-漏的形成工藝過(guò)程是這樣進(jìn)行的首先去掉光致抗蝕劑，然后用光掩模形成源-漏圖形，再用熱分解工藝依次淀積金屬AuGe(1200
)，Ni(350
)和Au(1500
)。然后用剝離工藝，去掉所要求部位上的金屬，再在430℃的溫度下進(jìn)行30秒鐘熱處理。
隨后，再用一個(gè)柵極光掩膜和接觸對(duì)準(zhǔn)器進(jìn)行柵形成工藝，形成μm的柵圖形。而后通過(guò)將其浸入硫酸、過(guò)氧化氫和去離子水的溶液(以3∶1∶50的配比混合)中，形成柵凹槽。然后，用去離子水進(jìn)行清洗，再用氮進(jìn)行干燥。
然后，把所得部件浸入氫氧化銨和去離子水(混合比1∶15)溶液浸漬，再用氮干燥。隨后放入金屬化設(shè)備中，以便進(jìn)行淀積厚度為0.3μm的Au。然后進(jìn)行剝離工藝，從而完成本發(fā)明的最終的△-摻雜GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的形成。
按上述方式制得的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流對(duì)漏-源電壓的特性曲線示于圖2，其漏極電流和跨導(dǎo)對(duì)柵壓的特性曲線示于圖3。
由圖可見(jiàn)，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵長(zhǎng)為2μm時(shí)，其跨導(dǎo)為190mS/mm，柵壓的變化范圍是2.5V，而漏電流的線性度是非常令人滿意的，特別是，最大漏極電流為425mA/mm，與常規(guī)的GaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，改善了數(shù)十倍。
圖4用圖解表示依照本發(fā)明的具有GaAs/Al0.3Ga0.7As△-摻雜量子阱的肖特基(Schottky)二極管電壓-電流特性曲線。
圖5用圖解來(lái)表示對(duì)本發(fā)明的△-摻雜GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱結(jié)構(gòu)所測(cè)得的△-摻雜分布的電容-電壓特性曲線圖。在此，在Si△-摻雜層的最大值一半處的總寬度很窄，為43
。
圖6用圖解表示依照本發(fā)明的2μm×10μm△-摻雜GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流增益及功率增益對(duì)頻率的關(guān)系曲線。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明，在低壓反應(yīng)腔內(nèi)，用有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積工藝，可以形成一種高速高性能的△-摻雜GaAs/AlGaAs量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所以，本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管與常規(guī)的只能在超高真空下制造的△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，具有經(jīng)濟(jì)上的及其它優(yōu)良特性的優(yōu)點(diǎn)。所以，若將本發(fā)明的晶體管用于超大型計(jì)算機(jī)上，可以制成超高速大容量數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種制作△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝方法，包括依次形成基片、超晶格、緩沖層、量子阱、覆蓋層以及歐姆層等各工藝步驟，以及在所述覆蓋屋上和在所述歐姆層上，用金屬化和剝離，工藝形成源極、漏極以及柵極等各工藝步驟，所說(shuō)的量子阱的形成步驟進(jìn)一步包括將三甲基鎵和胂引入一反層腔內(nèi)的步驟；通過(guò)使用有機(jī)化學(xué)汽相淀積工藝形成一個(gè)第一GaAs理量子阱的步驟；將Si雜質(zhì)摻入所述第一量子阱的步驟；以及將三甲基鎵和胂引入所說(shuō)的反應(yīng)腔內(nèi)，在與形成所述第一量子阱時(shí)相同的條件下，形成一個(gè)第二量子阱的步驟。
2.如權(quán)利要求1所請(qǐng)求保護(hù)制作△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝方法，其中所述有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積工藝是在650-750℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。
3.一種如權(quán)利要求1所請(qǐng)求保護(hù)的制作△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝方法，其中所述第一和第二量子阱的組合厚度在100-200
范圍內(nèi)。
4.一種如權(quán)利要求1所請(qǐng)求保護(hù)的制作△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝方法，其中向所述第一和第二量子阱做Si△-摻雜的雜質(zhì)是SiH4。
5.一種如權(quán)利要求1所請(qǐng)求保護(hù)的制作△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝方法，其中向所述第一和第二量子阱做Si△-摻雜的雜質(zhì)是Si2H6。
6.一種如權(quán)利要求1所請(qǐng)求保護(hù)的制作△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝方法，其中△-摻雜范圍是2-5×1012/cm2。
7.一種如權(quán)利要求1所請(qǐng)求保護(hù)的制作△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝方法，其中在實(shí)現(xiàn)△-摻雜之前和之后，都在76乇壓力下，分別進(jìn)行15秒和7秒的排氣。
全文摘要
一種制作△-摻雜量子阱場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工藝方法，該晶體管包括一基片、超晶格、緩沖層、量子阱、覆蓋層以及歐姆接觸層。在歐姆層上形成漏極、源極和柵極。各量子阱均按下述方式形成用有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積工藝在低反層壓力下形成第一GaAs層；然后將Si雜質(zhì)，如SiH
文檔編號(hào)H01L29/78GK1070515SQ9210560
公開(kāi)日1993年3月31日 申請(qǐng)日期1992年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月12日
發(fā)明者丁潤(rùn)夏, 鄭東皓, 張景植 申請(qǐng)人:浦項(xiàng)綜合制鐵株式會(huì)社, 產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所