專利名稱：制造單片多功能集成電路器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及一種制造單片多功能集成電路和由此產(chǎn)生的集成電路的方法，并且更詳細地說，涉及一種用于在一個公共襯底上按一種集成電路規(guī)格制造不同的半導(dǎo)體器件類型的選擇性分子束外延方法及由此產(chǎn)生的集成電路。
眾所周知，多功能電路器件，即在一個公共襯底上包含一個以上器件類型的電路的集成，在諸如微波、毫米波以及光電子等應(yīng)用中，提高組成集成器件的集成電路的性能高于將不同的器件類型分別集成的電路的性能。例如，通過將一個高電子遷移率晶體管(HEMT)同一個異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)單片集成，它們都是該技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的器件，該HEMT的低噪聲優(yōu)點與該HBT的高功率、高線性優(yōu)點相結(jié)合可使微波電路具有比通過用熟悉的基本(Baseline)制造技術(shù)分別制造HEMT和HBT并將這些器件在混合電路中結(jié)合起來所能達到的更低的噪聲和更高的功率。
許多其它電路也可以從多功能電路器件的集成得到好處。因為HEMT有由于高能量燒壞的趨勢。所以目前用PIN二極管限制器保護在高能量環(huán)境中的低噪聲HEMT。然而，因為PIN二極管限制器和HEMT目前是在混合電路中分別集成的，這就存在附加的傳輸損失，如果將該PIN二極管限制器與該HEMT單片集成在同樣的襯底上，該損失就會從本質(zhì)上被消除。另外，HBT的數(shù)字功能優(yōu)點可同HEMT的微波功能優(yōu)點相結(jié)合，這樣對許多應(yīng)用來說，如晶體管-晶體管邏輯(TTL)控制的移相器，HBT與HEMT的性能可以提高。在另一個例子中，為改善可靠性和穩(wěn)定性可利用HBT有源調(diào)整使HEMT放大器穩(wěn)定。實際上，任何需要多種高性能半導(dǎo)體器件的電路應(yīng)用可以用單片集成而不是用混合集成來更有效地實現(xiàn)。
當前的半導(dǎo)體制造技術(shù)在于一個公共襯底上制造一個以上的器件類型的能力上受到限制。在本技術(shù)領(lǐng)域中，眾所周知為集成具有不同功能的半導(dǎo)體器件有不同的技術(shù)。例如，利用一個帶有某些互連配置(Scheme)的單分子束外延生長層已經(jīng)實現(xiàn)了PIN二極管與金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFETS)或HEMT的集成。例如可參見S.Miura等的“A Monolithically Integrated AlGaAs/GaAsp-i-n/FET Photoreceiver by MOCVD，”IEEE ElectronDev.Lett.，Vol.4，pp.375-376，1983。另外，利用分子束外延(MBE)再生長工藝已將PIN二極管與MESFET或HEMT集成。參見Y.Zebda等的“Monolithically Integrated InP-Based Front-End Photoreceivers，”IEEE Trans.Elect.Dev.，Vol.38，pp.1324-1333，1991。并且，利用隱埋外延層和MBE再生長已實現(xiàn)激光器和HBT的集成。參見J.Shivata etal.，“Monolithic In-tegration of InGaAsP/InGaAsP/InP Laser Diode With HeterojunctionBipolar Transistors，”Appl.Phys.Lett.，Vol.45，pp.191-193和P.R.Berger等的“GaAs Quantum Well Laser and HeterojunctionBipolar Transistor Integration Using Molecular Beam EpitaxialRegrowth，”Appl.Phys.Lett.，Vol.59，pp2826-2828，1991。利用單外延生長與將FET(場效應(yīng)晶體管)合并入HBT的收集極或發(fā)射極，或者利用AlGaAs過生長與鈹注入結(jié)合的GaAs基Bi-FET技術(shù)已經(jīng)報導(dǎo)。參見K.Itakura等的“A GaAs Bi-FET Tech-nology For Large Scale Integration”IEDM Technical Digest，pp.389-392，1989；D.Cheskis etal.“Cointegration of GaAlAs/GaAs HBTs and GaAs FETs With A Simple ManufacturableProcesses，”IEDM Technical Digest，pp.91-94，1992 和J.Y.Yang等的“GaAs BIJFET Technology For Linear Circuits，”Proceeding IEEE IC Symposium，pp.341-344，1989。在這些例子的每一個中，由于斷面形狀和工藝的限制對FET的性能做了折衷。利用一個單外延生長也曾對InP基HEMT-HBT集成進行嘗試，但還沒有對兩種器件類型的成功的報導(dǎo)。參見W.E.Stanchina等的“InP-Based Technology for Monolithic Multiple-Device，Multiple-Function ICs，”GOMAC Digest of Papers，PP.385-388，1991。
授予Streit等、并轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的第5,262,334號美國專利，揭示了一種制造互補異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的方法，其中通過在一個襯底上選擇性分子束外延生長了一個第一NPN或PNP斷面形狀(Profile)。然后在該斷面(Profile)上淀積一層氮化硅，并且該氮化硅層與該斷面被有選擇地圖形化和刻蝕以確定一個NPN或PNP異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。然后在與原始的斷面相鄰的襯底上淀積相反的NPN或PNP斷面，這樣，該氮化硅層的剩下部分就保護了最初的斷面避免第二斷面的生長。對器件進行圖形化和刻蝕，這樣就去除了氮化硅層并且相鄰的互補NPN/PNP斷面就保留在襯底上。
現(xiàn)有技術(shù)的制造工藝，其制造單片集成器件的能力是有限的。本發(fā)明的一個目的是提供一種選擇性分子束外延制造方法，它使許多集成器件可以單片集成在一個公共襯底上。
根據(jù)本發(fā)明，揭示了一種制造單片多功能集成電路器件的方法。在本發(fā)明的一個方法中，將一個HBT或PIN二極管器件與一個HEMT或MESFET器件單片集成在一個公共襯底上。制造工藝包含首先在一個GaAs或InP襯底上用選擇性分子束外延生長一個HBT或PIN二極管斷面層。然后在該HBT或PIN二極管斷面層上淀積一個第一氮化硅層，或其它合適的介質(zhì)層。將該第一氮化硅層和該HBT或PIN二極管斷面層圖形化并進行刻蝕，這樣一個由氮化硅層覆蓋的HBT或PIN二極管器件層就保留在露出襯底的區(qū)域的附近。然后在襯底上生長一個HEMT或MESFET斷面層，這樣在襯底上就淀積了單晶HEMT或MESFET材料，而在該保留著氮化硅層上則淀積成多晶HEMT或MESFET材料。將該多晶HEMT或MESFET材料與該保留的氮化硅層刻蝕掉，于是，一個HBT器件斷面或PIN二極管器件斷面與一個MESFET器件斷面或一個HEMT器件斷面就保留在一個公共襯底上。
本工藝也可推廣到在一個公共襯底上有兩個以上功能器件的情況。例如，為了生成一個PIN二極管-HBT-HEMT單片集成器件，可提供一個其上淀積了一個PIN二極管斷面層的襯底。在該PIN斷面層上淀積一個第一氮化硅層，并且對該氮化硅層和該PIN斷面層進行圖形化和刻蝕以確定一個由氮化硅層覆蓋的PIN二極管器件斷面。然后在該襯底上生長一個HBT斷面層，這樣在露出的襯底上就淀積了單晶HBT材料而在該第一氮化硅層的保留部分上則淀積成多晶HBT材料。將該多晶HBT材料與該保留的第一氮化硅層刻蝕掉，并淀積一個第二氮化硅層。然后將該第二氮化硅層與該HBT單晶材料圖形化并進行刻蝕，以在該襯底上確定一個HBT器件斷面。然后在該襯底上生長一個HEMT斷面層，這樣在該襯底上就淀積了單晶HEMT材料而在該第二氮化硅層的保留部分上就淀積成了多晶HEMT材料。然后將該多晶HEMT材料和該保留的第二氮化硅層刻蝕掉，這樣就剩下了一個集成的PIN二極管-HBT-HEMT器件。
一旦所有的器件斷面形狀都生長在該公共襯底上，就可以進行后面的器件與電路工藝以進一步確定和互連這些器件。
結(jié)合附圖，從下面的說明和附屬的權(quán)利要求書將使本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點和特征變得很明顯。


圖1(a)-1(d)說明了根據(jù)本發(fā)明的一個最佳實施例的用于制造HEMT-HBT、HEMT-PIN二極管、MESFET-HBT，或MESFET-PIN二極管集成電路器件的改進結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖2(a)-2(g)說明了根據(jù)本發(fā)明的一個最佳實施例的用于制造HEMT-HBT-PIN二極管或MESFET-HBT-PIN二極管集成電路器件的改進結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖3說明了根據(jù)本發(fā)明的一種方法制造的一個單片集成HBT-肖特基二極管-HEMT器件的側(cè)視圖；圖4說明了根據(jù)本發(fā)明的一種方法制造的一個單片集成HBT-PIN二極管-HEMT器件的側(cè)視圖；圖5說明了根據(jù)本發(fā)明的一種方法制造的一個單片集成PIN二極管-HEMT器件的側(cè)視圖6說明了用本發(fā)明的一種方法制造的一個單片集成HBT-肖特基二極管-HEMT-PIN二極管器件的側(cè)視圖；圖7說明了用本發(fā)明的一種方法制造的一個單片集成HBT-肖特基二極管-MESFET-PIN二極管器件的側(cè)視圖；圖8說明了用本發(fā)明的一種方法制造的另一個單片集成HBT一肖特基二極管一HEMT-PIN二極管器件；圖9說明了根據(jù)本發(fā)明的一種方法制造一個單片集成多功能器件的一種方法的流程圖；圖10是說明用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的形成一個單片集成HEMT-HBT器件的方法制造的一個2×10μm2單發(fā)射極HBT的電流(I)對電壓(V)的曲線圖；圖11是用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的形成一個單片集成HEMT-HBT器件的一種方法和一種已知的基本分子束外延制造方法制造的一個2×10μm2方形發(fā)射極HBT的截止頻率(fT)對收集極電流密度的曲線圖；圖12說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例與一個HBT單片制作在一起的一個T形柵HEMT的電流對電壓的曲線圖；圖13(a)-13(b)說明了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例與一個集成HEMT-HBT器件單片制作在一起的一個PIN二極管的正向與反向偏置電流和電壓的特性曲線圖；圖14說明了在一個用基本技術(shù)制造的HEMT放大器與一個帶有本發(fā)明實施例的一個單片集成HEMT-HBT器件的HEMT放大器之間進行增益與噪聲對頻率的對比的曲線圖；圖15為將一個低噪聲HEMT前端與HBT高截止頻率(intercept)放大器集成在一起的高性能放大器的示意圖；圖16說明了與HEMT低噪聲放大器集成在一起的PIN二極管限制器的示意圖；圖17說明了與HEMT低噪聲放大器集成在一起的HBT調(diào)節(jié)器的示意圖；圖18是一個發(fā)射-接收模塊的示意圖，它采用了一個用作接收功能部件的HEMT低噪聲放大器、一個利用HBT基極一收集極PIN或者單獨的PIN的PIN二極管開關(guān)，以及一個用作發(fā)射功能部件的HBT功率放大器。
下面的對涉及制造單片集成電路器件的方法以及由此產(chǎn)生的集成電路的最佳實施例的討論實際上僅是示范性的，而且目的決不是對本發(fā)明或其應(yīng)用及使用進行限制。
首先，從圖1(a)-1(d)開始，顯示了一個單片集成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10的一組側(cè)視圖，結(jié)構(gòu)10是用本發(fā)明的一個最佳實施例按照形成一個單片集成電路器件的步驟制成的。制造結(jié)構(gòu)10的方法可用于形成許多單片集成器件，這些單片集成器件，包括(但不限于)單片集成HEMT-HBT、HEMT-PIN二極管、MESFET-HBT或MESFET-PIN二極管器件。用將討論到的工藝制成的單片集成器件是在一個公共襯底12上形成的。在所示的實施例中，襯底12或為砷化鎵(GaAs)或為磷化銦(InP)，但是，也可用其它襯底。制造不同的半導(dǎo)體層的工藝是由選擇性分子束外延(MBE)工藝進行的，這對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是很熟悉的。
用MBE工藝首先在襯底12上生長一個HBT斷面層14，如圖1(a)中所示。該HBT斷面層14是在制造一個集成HEMT-HBT或MESFET-HBT器件時生長的。當制造一個HEMT一二極管或MESFET一二極管器件時，該斷面層14就是一個二極管斷面層。斷面層14應(yīng)包括構(gòu)成一個HBT或二極管器件的所有半導(dǎo)體層。該二極管斷面可以是任何可用的二極管斷面，包括(但不限于)PIN二極管、肖特基二極管、三極管，等等。層14生長之后，在結(jié)構(gòu)10上淀積一個氮化硅(Si3N4)層，可用例如等離子增強化學(xué)氣相淀積工藝，本領(lǐng)域的普通持術(shù)人員對此是很熟悉的。值得注意的是氮化硅被用來作為一個非限制的例子，至于其它介質(zhì)層，如二氧化硅，也同樣可用。氮化硅層16將用作一個阻擋層以保護HBT器件避免生長待制備的HEMT或MESFET斷面層，這將在下面的討論中變得很明顯。
該氮化硅層16淀積在斷面層14上之后，在該氮化硅層16上淀積一抗蝕劑層(未示出)。然后利用一個掩模(未示出)使該抗蝕劑層圖形化，于是，該氮化硅層16將成為確定二極管器件或HBT器件的圖形。將該抗蝕劑層曝露在通過掩模的照射光中，然后用合適的溶劑顯影，使該抗蝕劑層的未被掩蔽部分被溶解并去除。然后對該氮化硅層16的露出部分使用一種刻蝕劑溶液以去除與去除了抗蝕劑層的區(qū)域重合的區(qū)域內(nèi)的氮化硅，以使這些區(qū)域的斷面層14露出來。然后用一種合適的各向異性刻蝕劑刻蝕斷面層14的露出區(qū)域，而露出襯底12。
圖1(b)說明了將層14的露出部分刻蝕掉后的結(jié)構(gòu)10。剩下的斷面層14確定了一個HBT器件層18，如圖所示。氮化硅層16的一部分保留在該器件層18上。各向異性刻蝕臺階造成了一個向后退的斷面形狀，這使保留的氮化硅層16的懸伸區(qū)域伸出該器件層18的上表面。這樣在該器件層18與后面的器件斷面層之間提供了一個清楚的分隔，這從下面的討論中將能清楚看到。然后將結(jié)構(gòu)10從MBE室(未示出)中取出，進行清洗，再重新放入MBE室中。保留的氮化硅層16在MBE室內(nèi)的常規(guī)去氣過程中被致密，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對此是很熟悉的。
然后通過眾所周知的HEMT MBE生長過程在結(jié)構(gòu)10上面生長一個贗晶InGaAs-GaAs HEMT斷面。在結(jié)構(gòu)10的加工中在該區(qū)域生長一個MESFET斷面而不是該HEMT斷面，這也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。如圖1(c)中所示，因為該HEMT材料與該氮化硅層16晶格不匹配，淀積在保留的氮化硅層16上的HEMT材料形成一個多晶HEMT斷面層20。因為HEMT材料與襯底12的清潔表面晶格匹配，淀積在清潔的襯底12上的HEMT材料形成一個單晶HEMT斷面層22。該單晶斷面層22形成HEMT器件。用濕法腐蝕工藝將多晶HEMT層20去除，并且用干法刻蝕工藝將保留的氮化硅層16去除，二者都是本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的工藝。用合適的掩?？涛g步驟可將部分單晶HEMT斷面層22去除，這樣可進一步確定該HEMT器件的器件形狀。這樣，該單片集成結(jié)構(gòu)10就可以準備進行器件和電路加工了，如圖1(d)中所示。
通過以上工藝，已經(jīng)避免了現(xiàn)有技術(shù)HBT中與非最優(yōu)化的MBE生長相聯(lián)系的鈹基區(qū)摻雜劑間隙擴散步驟。這使得P型斷面足夠穩(wěn)定以經(jīng)受與HEMT生長相聯(lián)系的附加的溫度循環(huán)，并且這也是該選擇性MBE技術(shù)成功的一個關(guān)鍵。為了使HBT或二極管斷面能經(jīng)受得住HEMT器件形成時的HEMT溫度循環(huán)，不僅該HBT的基區(qū)層必須是穩(wěn)定的，而且在HBT或二極管斷面內(nèi)的其它各層也必須是穩(wěn)定的。這還包括n＝2×1019cm-3的接觸層和n＝5×1017cm-3的Al0.3Ga0.7As的發(fā)射極層。
上面參照圖1(a)-1(d)所討論的技術(shù)可推廣為一種形成其它多種單片集成器件的工藝。例如，圖2(a)-2(g)說明了單片集成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)28的順序制造步驟，它形成一個單片集成HEMT-HBT-二極管器件。該器件形成于一個和上面的結(jié)構(gòu)10一樣的GaAs或InP襯底30上。如圖2(a)中所示，在襯底30上生長了一個二極管斷面層32。以前面所討論的方式淀積，掩蔽并刻蝕一個第一氮化硅層34，以形成一個如圖2(b)中所示的二極管器件層36。氮化硅層34的保留部分覆蓋住器件層36。值得注意的是由于形成該器件層36的各向異性刻蝕引起的后退的斷面形狀，該氮化硅層34的懸伸區(qū)域伸出了器件層36。然后在結(jié)構(gòu)28上生長一個HBT斷面，這樣淀積在襯底30上的HBT材料形成了一個單晶HBT斷面層38，而淀積在保留的氮化硅層34上的HBT材料形成了一個多晶HBT斷面層40，如圖2(c)中所示。圖2(d)說明了分別用合適的濕法腐蝕和干法刻蝕將氮化硅層34和多晶HBT斷面層40去除后得到的結(jié)構(gòu)28。
此后，在結(jié)構(gòu)28上淀積一個第二氮化硅層42。再用一個合適的抗蝕劑層和掩模層(未示出)，以上面所討論的方式，對該氮化硅層42進行圖形化和刻蝕，在襯底30上露出一個將容納HBT斷面的區(qū)域，如圖2(e)中所示。然后在結(jié)構(gòu)28上用選擇性MBE工藝生長HEMT材料，這樣就在襯底30上淀積了一個單晶HEMT層44，而在保留的第二氮化硅層42上則淀積了一個多晶HEMT層46，如圖2(f)中所示。和圖1(a)-1(d)所描述的工藝一樣，淀積一個MESFET斷面以代替HEMT斷面亦在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。一個合適的濕法腐蝕和干法刻蝕分別有選擇地除去多晶層46和保留的氮化硅層42，以露出和確定一個集成HEMT-HBT一二極管器件，如圖2(g)中所示。
圖1(a)-1(d)說明了制造兩個單片集成器件所必需的工藝步驟，考慮到第一個淀積器件可受到氮化硅層16的保護，其中第一個淀積的器件要穩(wěn)定得足以經(jīng)受制造第二個淀積器件時用到的溫度循環(huán)。圖2(a)-2(g)說明了用于制造三個單片集成器件的工藝步驟，考慮到第一個和第二個淀積器件都受到氮化硅層42的保護，其中第一個淀積的器件要穩(wěn)定得足以經(jīng)受制造第二個和第三個淀積的器件時用到的溫度循環(huán)，并且第二個淀積器件要穩(wěn)定得足以經(jīng)受制造第三個淀積器件時用到的溫度循環(huán)。該工藝可推廣到滿足該準則的其它半導(dǎo)體器件，包括將該工藝推廣到三個以上的單片集成器件。例如，可將該工藝推廣到制造一個單片集成HBT一二極管器件。參照圖2所述的工藝也可推廣到一個單片集成MESFET-HBT-二極管器件上，其中生長的是MESFET斷面而不是HEMT斷面。更進一步，在形成如圖1(d)和圖2(g)所示的器件斷面的選擇性分子束外延所涉及的制造步驟之后，還可以結(jié)合本領(lǐng)域已知的其它制造步驟以提供其它器件類型。例如，可執(zhí)行一個離子注入隔離步驟將HBT器件的集電極層的部分隔離以形成二極管，如肖特基二極管和PIN二極管。在選擇性分子束外延步驟之后，也可淀積其它器件，如超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體探測器。
圖3-8說明了用上面所討論的本發(fā)明的選擇性MBE工藝能夠制造的六個不同的單片集成電路器件在最后的器件與電路的工藝步驟之后的斷面?zhèn)纫晥D。下面針對具體器件所討論的不同器件層和斷面僅僅是作為一個非限制的例子，其中對于某一特殊器件的器件斷面結(jié)構(gòu)可以是本領(lǐng)域中已知的任何對于該器件可用的斷面結(jié)構(gòu)，這是可以理解的。因為不同的器件層和電極在本領(lǐng)域是熟知的，下面對這些層所做的說明只是粗略的。還值得注意的是，因為各種器件是用分子束外延形成的，各個器件的底層與襯底形成了外延鍵合。
圖3說明了一個單片集成器件50，它包括一個HBT52、一個THz肖特基二極管54，和一個HEMT56，它可用上面參照圖1討論過的工藝制造。該HBT52肖特基二極管54和HEMT56的每個不同的層都做了說明。如前所述，HBT器件層18應(yīng)包括該HBT52的所有層，而HEMT斷面層22應(yīng)包括該HEMT56的所有層。然而，對該HBT52要比器件層18做更進一步地確定和加工，而對該HEMT56要比斷面層22做更進一步地確定和加工。襯底30在此表示為GaAs襯底58。
該HBT52包括一個生長在襯底58上，厚度約為600nm的重摻雜n型GaAs子集電極層60。在該子集電極層60上淀積并確定了兩個歐姆集電極電極62。在該子集電極層60上生長厚度約為700nm的輕摻雜n型GaAs集電極層64。在該集電極層64上生長厚度約為140nm的重摻雜p型GaAs基極層66。在該基極層66上淀積并確定一個歐姆基極接觸68和厚度約為180nm的n型Al-GaAs發(fā)射極層70。在該發(fā)射極層70上生長厚度約為85nm的重摻雜n型InGaAs發(fā)射極接觸層72。該發(fā)射極層70與該發(fā)射極接觸層72結(jié)合形成了一個發(fā)射極臺面74。在該發(fā)射極接觸層72上淀積并確定一個歐姆發(fā)射極接觸76。圖3所示的生成該HBT52的各個接觸以及集電極、基極和發(fā)射極臺面的不同工藝步驟在本領(lǐng)域中是熟知的。
構(gòu)成肖特基二極管54的各層與HBT52的集電極層60和64同時淀積，并且隨后將二極管54同HBT52分隔開。特別是，在生長HBT52的子集電極層60的同時生長二極管54的重摻雜n型GaAs二極管層80，因此，層80與子收集極層60有相同的厚度和組分。用一個注入隔離區(qū)82將該子集電極層60與該二極管層80分開，該離子隔離區(qū)82用合適的離子(例如氧)的離子注入步驟形成，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對此是熟悉的。在該二極管層80上淀積并確定一組歐姆接觸84。在二極管層80上形成一個輕摻雜n型GaAs二極管層86。該二極管層86同HBT52的集電極層64同時形成，因而，它的厚度和組分與層64一樣。在二極管層86上淀積并確定一個頂部歐姆接觸88。用本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟悉的任何合適的圖形化工藝確定二極管層86并任其與集電極層64分開。在進行了對某些應(yīng)用來說很有用的分子束外延步驟之后，肖特 基二極管54和HBT52的集電極層的分隔提供了一個構(gòu)成另一種單片集成器件的方便途徑。用刻蝕步驟來清除MBE步驟之后曾在二極管層80和86上面的斷面各層。
該HEMT56具有與圖1的HEMT斷面層22不同的器件層。尤其是，此HEMT56包含了一個生長在襯底58上的超晶格緩沖層92。在該超晶格緩沖層92上生長一個厚度約15nm的In0.22Ga0.78As溝道層94。在該溝道層94上淀積一個硅平面摻雜層96以確定該溝道層94，這是本領(lǐng)域所熟悉的。在該平面摻雜層96上生長一個厚度約30nm的Al0.22Ga0.78As施主層98。在該施主層98上生長一個厚度約40nm的重摻雜n型GaAs接觸層100。在所示的該接觸層100上淀積并用電子束光刻工藝確定一個源電極102和一個漏電極104。刻蝕接觸層100以露出施主層98，并在所示的施主層98上淀積和刻蝕出一個T形柵漏電極106。如上所討論的用一個MESFET代替該HEMT56也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖4給出了一個單片集成器件110的側(cè)剖圖，它也可以用上面參照圖1討論過的工藝制造。該集成器件110包括在公共襯底118上形成的一個HBT112、一個PIN二極管114和一個HEMT116。HBT112與上面討論過的HBT52相同，而HEMT116與HEMT56相同，因此，將不討論HBT112和HEMT116的各不同層。由上述可知HEMT116可用一個MESFET代替。同上面將肖特基二極管54與HBT52隔離的方式一樣，用一個注入隔離區(qū)120將PIN二極管114與HBT112隔開。該PIN二極管114包括一個重摻雜n型GaAs二極管層122和一個輕摻雜n型GaAs二極管層124，它們分別與HBT112的子集電極層和集電極層同時生長，因此和這些層具有同樣的厚度和組份。層124作為PIN結(jié)構(gòu)中的本征層。在該輕摻雜n型GaAs層124上生成一個重摻雜p型GaAs層126，以構(gòu)成PIN二極管結(jié)構(gòu)。層126與HBT112的基極層同時生長。但是，已對層126進行刻蝕，從而使它的厚度減小到小于HBT112的基極層。淀積二極管各接觸并確定它們與所示的層122和層126相連。同上面的肖特基二極管54一樣，該PIN二極管114以方便的方式與HBT112隔開，這樣就比上面參照圖1討論過的兩元件電路多提供了一個附加的集成器件。
圖5示出了一個單片集成器件130的側(cè)面輪廓圖，它也可以用上面參照圖1討論過的工藝制造。該集成器件130包括在公共襯底136上形成的一個PIN二極管132和一個HEMT134。該HEMT134同上面討論過的HEMT56一樣，因此，將不再討論HEMT134的各個不同層。該HEMT134也可以是一個MESFET。該PIN二極管132表示出一個PIN二極管斷面的各不同器件層。該PIN二極管132和HEMT134生長在襯底136上，就象器件層18和斷面層22形成在襯底12上一樣。該PIN二極管132包括一個生長在襯底136上厚度約為600nm的重摻雜n型GaAs接觸層138。在該接觸層138上淀積并確定第一二極管各個歐姆接觸140。在該接觸層138上生長一個厚度約2000nm的GaAs本征層142。在該本征層142上生長一個厚度約100nm的p型GaAs層144。在層144上生長一個厚度約50nm的重摻雜p型GaAs的接觸層146。在該接觸層146上淀積并確定一個第二歐姆接觸148。該PIN二極管132和與HBT112分離的PIN二極管114相比較有顯著不同。這是因為PIN二極管114由于HBT112擴展的結(jié)果而很方便地被分隔開了，而PIN二極管132則是通過更復(fù)雜的選擇性分子束外延工藝形成的。
圖6說明了一個單片集成器件156的側(cè)視圖，它可以用上面參照圖2(a)-2(g)討論過的步驟制出。該集成器件156包括在一個公共襯底166上的一個HBT158、一個THZ肖特基二極管160、一個HEMT162和一個PIN二極管164。這些不同器件的每一個都表現(xiàn)出每個特殊器件的不同的層，因此，HBT158可由HBT斷面層38形成，HEMT162可由HEMT斷面層44形成，并且PIN二極管164可由圖2的PIN二極管斷面層36形成。因為圖6的HBT158，與肖特基二極管160的組合件以及HEMT162同圖3的HBT52與肖特基二極管54的組合件以及HEMT56是一樣的，將不再討論HBT158、肖特基二極管160以及HEMT162的各個層。同樣，因為圖6的PIN二極管164與圖5的PIN二極管132有相同的層結(jié)構(gòu)，也將不再討論PIN二極管164。
圖7說明了一個單片集成器件174的側(cè)視圖，它可用上面參照圖2(a)-2(g)討論過的步驟制出。該集成器件174包括在公共襯底184上形成的一個HBT176、一個THZ肖特基二極管178、一個MESFET180和一個PIN二極管182。除了HEMT162被MESFET180代替外，該集成器件174與集成器件156相同。因此，在其它的器件斷面與上面所討論過的一樣的條件下，將只說明MESFET180的具體器件斷面。該MESFET180包括一個淀積在襯底184上的GaAs緩沖層186。在該緩沖層186上生長一個厚度約200nm的n型GaAs層188上生長一個厚度約40nm的重摻雜n型GaAs層190。在層190上淀積并用電子束光刻工藝確定一個源電極192和一個漏電極194?？涛g層190以露出層188，并在所示的層188上淀積和刻蝕出一個T形柵漏電極196。
上面討論的制造單片多功能集成電路的工藝技術(shù)的可利用性不可以與用于微波探測混頻和數(shù)字應(yīng)用的超導(dǎo)薄膜相結(jié)合。常用濺射法來淀積超導(dǎo)薄膜，這對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是很熟悉的，但也可利用其它的淀積技術(shù)，如采用蒸發(fā)法和激光燒蝕法來淀積超導(dǎo)薄膜。因此，集成器件156的襯底166也可以容納一個超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體(SIS)探測器206，如圖8中所示。該SIS探測器206包括一個淀積在襯底166上的底部超導(dǎo)薄膜210。在該超導(dǎo)薄膜210上淀積一個絕緣體層212。在該絕緣體層212上淀積另一個超導(dǎo)薄膜層214。該SIS探測器206也可僅與一個HEMT、一個PIN二極管-HEMT集成器件、或者一個PIN二極管-HBT集成器件集成在一起，這取決于其具體應(yīng)用。該SIS探測器206也可用超導(dǎo)傳輸線或超導(dǎo)數(shù)字電路代替。
為獲得上面討論過的全部集成器件，已開發(fā)了合并工藝技術(shù)。圖9說明了一個流程圖220，它參照上面對圖1(a)-1(d)的討論，對單片集成電路50、110和130的形成以及后面的器件工藝步驟進行了分步討論?？?22代表在襯底12上生長HBT斷面層14或一個PIN斷面層的步驟?？?24代表通過對氮化硅16的淀積、掩蔽和刻蝕步驟形成HBT器件層18?？?26代表單晶HEMT斷面層22和多晶HEMT斷面層20的生長或者單晶MESFET斷面層和多晶MESFET斷面層的生長。框228代表對多晶層20和保留的氮化硅層16的刻蝕步驟。
流程圖160的其余各步驟是指器件和電路的工藝步驟，如形成各個器件的接觸和器件之間分別形成的連接線，這在本領(lǐng)域是很熟悉的。但是，因為本發(fā)明包含了改進了的單片集成電路，對各個步驟或一些連續(xù)步驟以不同形式的組合可能在現(xiàn)有技術(shù)中未加說明?？?30代表形成HEMT56的歐姆金屬接觸102和104或MESFET的各接觸的步驟。將HEMT或MESFET歐姆金屬蒸發(fā)在改進了的HEMT或MESFET結(jié)構(gòu)上并被迅速熱退火。然后以本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很熟悉的方式對蒸發(fā)的金屬圖形化以形成接觸。
如果將一個HEMT或MESFET與圖3的HBT52或圖4的HBT集成制造在一起，那么，流程圖160從框230轉(zhuǎn)到框232?？?32代表將HBT結(jié)構(gòu)的發(fā)射極臺面74圖形化和刻蝕的步驟。然后在改進了的HBT52上蒸發(fā)基極金屬并將其圖形化以形成基極接觸68，如框234表示。下面，對形成HBT基極層66的臺面、肖特基二極管層80和86以及PIN二極管層122、124和126圖形化和刻蝕，如框236所示。然后在改進了的HBT52結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)歐姆金屬并使其圖形化以形成集電極接觸62和發(fā)射極接觸76，用框238表示。下面，對發(fā)射極接觸76、基極接觸68和集電極接觸62進行退火，如框240表示。
如果將一個HEMT或MESFET同PIN二極管132單片集成在一起，如圖5中所示，于是，在框230的HEMT或MESFET金屬淀積步驟之后，就刻蝕形成PIN二極管層138、142、144和146的臺面，如框242表示。下面，蒸發(fā)p型歐姆接觸148和n型歐姆接觸140，如框244表示。然后對該歐姆接觸140和148進行熱退火，如框246表示。
該臺面和歐姆接觸在HBT52或PIN二極管112上形成后，如上面討論過的，下面的步驟是用氧離子注入步驟進行器件隔離，如248表示。對于集成器件50，離子注入?yún)^(qū)82將HBT52同肖特基二極管54分開。對于集成器件110，離子注入步驟將HBT112同PIN二極管114分開。下面，用電子束光刻(EBL)刻寫出HEMT56的T形柵電極106或一個與MESFET關(guān)連的T形柵電極以形成其形狀，如步驟250表示。下面，在全部已單片形成的集成電路50、110和130上淀積一個氮化硅鈍化層(未示出)，并且形成到相應(yīng)電極的通孔，如框252代表。然后在每個HBT、HEMT、MESFET、PIN二極管和肖特基二極管內(nèi)以及這些器件之間確定薄膜電阻、電容、電感、跨接線(airbridges)和互連金屬化(未示出)，如框254代表。然后形成壓焊塊通孔和背面通孔，如框256代表。最后，在整個集成器件50和110上形成一個背面金屬平面層(未示出)，如框258代表。
對圖6和8的集成電路156以及圖7的集成電路174來說，在進行了框230的步驟之后，如框232所表示的那樣刻蝕HBT發(fā)射極臺面，并且進行框234和244的形成HBT基極接觸和p型PIN二極管接觸。然后如框236所示形成HBT基極層和肖特基二極管臺面，并且如框242表示的形成PIN二極管臺面。下面，按照框238和240蒸發(fā)HBT發(fā)射極接觸和集電極接觸并退火。下面，按照框246使PIN二極管接觸退火。然后工藝在框248處繼續(xù)進行，如上面所討論的。
用上面說明的合并HEMT-HBT工藝制造的分立HEMT和HBT的直流和微波性能結(jié)果同用熟悉的基本單器件技術(shù)工藝制造的分立器件的性能結(jié)果一樣。圖10說明了一個顯示用上面討論的HEMT-HBT單片工藝制造的2×10μm2單發(fā)射極HBT的I-V特性的圖，縱軸為電流(I)，橫軸為電壓(V)。該HBT的擊穿電壓Vceo大于10V。厄利(Early)電壓大于500V，并且在Ic＝4.5mA時β約為56。拐點電壓(knee voltage)是正常是，說明在本發(fā)明的選擇性MBE工藝中設(shè)有引入附加的集電極電阻。1mA電流下基極-發(fā)射極電壓Vbe＝1.1539V，對于該電流密度下的這一器件尺寸來說這是典型的。任何顯著和基極摻雜劑擴散進入緩變的AlGaAs發(fā)射極，或者任何增加的發(fā)射極電阻將造成Vbe的增大。具體的發(fā)射極接觸電阻為1.1×10-7Ω/cm2，對這種類型的器件來說是典型的值，這就說明在后面的HEMT生長中，該HBT的In-GaAs發(fā)射極接觸沒有退化。發(fā)射極為75×75μm2的大的HBT器件，在Ic＝1mA(19A/cm2)時平均β＝102，而在Ic＝40mA(711A/cm2)時平均β＝175，對基極-發(fā)射極結(jié)二級管有一個n＝1.03的理想因子。
具有一個2×10μm2方形發(fā)射極的HBT器件，在Ic＝16mA(2×104A/cm2)時截止頻率fT＝21.4GHz且fmax＝50GHz，對這種類型的器件來說是典型的參數(shù)。圖11示出了用基本的和選擇性的MBE工藝分別制造的HBT的fT與集電極電流密度的關(guān)系圖。所記錄的值在所測量的電流范圍內(nèi)基本上一致。用基本的和根據(jù)本發(fā)明的選擇性的MBE工藝制造的HBT的直流與射頻特性結(jié)果相同，這說明了在HEMT-HBT集成工藝過程中沒有發(fā)生HBT材料特性的顯著退化。
和GaAs-AlGaAs HBT單片制作在一起的低噪聲贗晶InGaAs-GaAs 0.2μm T形柵HEMT具有與用熟悉的基本工藝制作的HEMT相同的直流和射頻特性。圖12中說明了一個2指(finger)80μm柵寬HEMT器件的I-V特性曲線。
從集成器件50的HBT集電極一子集電極區(qū)制成的THz肖特基二極管54的正向和反向I-V特性在圖13(a)-13(b)中加以說明。當采用熟悉的基本HBT工藝制作時對這種類型的肖特基二極管，典型的二極管理想因子為n＝1.04，串聯(lián)電阻為12Ω，而擊穿電壓約為13V。
圖14說明了一個使用有源HBT調(diào)節(jié)的HEMT低噪聲放大器的單片HEMT-HBT集成電路器件的性能。該放大器設(shè)計為5-10GHz帶寬，標稱增益大于10dB，而噪聲因子小于3dB。該HEMT低噪聲放大器為單級反饋類型，使用了一個單0.2μmT形柵HEMT，其長度為200μ。利用一個在片上的HBT電流調(diào)節(jié)器，當閾值電壓變化量為±0.5V時可將該HEMT器件的偏置電流調(diào)節(jié)在5％之內(nèi)，它通過一個10V正電源電壓消耗5mA的電流。以HEMT-only(只有HEMT)技術(shù)制造了無HBT調(diào)節(jié)器的相同放大器以便比較。用根據(jù)本發(fā)明的選擇性MBE工藝和用熟悉的基本單器件技術(shù)制造的放大器的增益和噪聲因子幾乎相同，如圖14中所示。實際上，用合并HEMT-HBT工藝制造的HEMT放大器在10GHz附近增益稍微高些。這可能是由于工藝中的正常變化而引起的。
在同一集成電路上的HEMT和HBT單片集成使微波電路具有用分立器件制造技術(shù)達不到的性能水平。在同一芯片上既使用HEMT也使用HBT器件的設(shè)計機會范圍很廣，尤其當與THz肖特基二極管和PIN二極管結(jié)合時。例如，微波和數(shù)字功能的單片集成可以顯著提高接收機的性能。利用高性能HEMT和HBT的單片集成，一些新的電路設(shè)計都是可能的，例如，TTL控制移相器、低噪聲高功率發(fā)射-接收模塊、將HBT變量控制振蕩器同HEMT低噪聲放大器組合的FMCW單片雷達電路等。另外，超導(dǎo)探測器、混頻器、傳輸線和數(shù)字電路可與MESFET、HEMT、HBT、或PIN二極管電路組合在一起以提高低溫下的性能。
圖15-18說明了HEMT-HBT、PIN二極管-HEMT和PIN二極管-HBT-HEMT電路的幾個電路實例，它們可從用上面討論過的方式進行單片集成中得到好處。圖15-18的每個電路在混合的和分立的芯片實施已得到廣泛發(fā)展的領(lǐng)域內(nèi)都是很熟悉的。利用如上討論的本發(fā)明，可將這些電路的各個電路元件單片集成在一個公共襯底上。換句話說，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以互相聯(lián)系上面討論過的集成電路而獲得圖15-18的電路。這些類型的單片集成電路在現(xiàn)有技術(shù)中至今還未出現(xiàn)。通過在一個公共襯底上單片集成不同的電路元件，用這些單片集成電路可實現(xiàn)許多優(yōu)點，包括但不限于，電路元件間的低傳輸損失、對面積的需要減小、低成本、緊密性好和高性能。
圖15說明了一個在本領(lǐng)域熟知的高性能放大器260，它能提供一個低噪聲前端、三次諧波的高阻抗和低失真、最優(yōu)靈敏和高功率。該放大器260包括一個HEMT低噪聲放大器262，它接收一個射頻信號并將放大了的輸出信號加到第一和第二HBT高截止頻率(intercept)放大器(HIA)264和266上。通過在一個公共襯底上單片集成放大器262、264和266，可提高該電路的眾所周知的優(yōu)點。
因為HEMT放大器在高輸入功率下很容易燒壞，可提供一個連到一個HEMT放大器的基極(B)和發(fā)射極(E)端的PIN二極管限制器，以保護HEMT放大器免于這樣高的輸入信號，這在本領(lǐng)域是公知的。圖16說明了一個這種類型的HEMT放大器電路270。該電路270包括一個PIN二極管限制器272，其中，二極管限制器272的陰極連到HEMT274的基極端而其陽極連到HEMT放大器274的發(fā)射極端。二極管限制器272將加到HEMT274基極的輸入過載信號旁路，這樣就保護了HEMT274免受信號過載和燒壞。通過以上面討論過的方式在一個公共襯底上單片集成二極管限制器272和HEMT274，可實現(xiàn)許多優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的這種類型電路和優(yōu)點。
圖17說明了一個HBT調(diào)節(jié)的HEMT低噪聲放大器278。因為HEMT放大器的特性隨時間有較大變化，可提供一個HBT運算放大器(OPAMP)以對加到HEMT放大器的基極端的信號進行調(diào)節(jié)，這在本領(lǐng)域是很熟悉的。對放大器278來說，輸入信號加到了一個HMT運算放大器280的輸入端上。該HBT運算放大器280的輸出信號加到了一個HEMT低噪聲放大器282的基極端上以實現(xiàn)調(diào)節(jié)。通過以上面討論過的方式將HBT運算放大器280和HEMT放大器282在一個公共襯底上單片集成，可以實現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的HBT調(diào)節(jié)的HEMT低噪聲放大器的某些優(yōu)點，例如在電路元件之間的傳輸損失較低。
圖18以一個方框圖的形式說明了一個在本領(lǐng)域很熟悉的發(fā)射一接收模塊284，它用了一個作為接收功能部件的HEMT低噪聲放大器286、PIN二極管開關(guān)288和290，以及一個HBT功率放大器292作為發(fā)射功能部件。以這種方式配置的一個發(fā)射一接收模塊的工作對本領(lǐng)域技術(shù)人員是很熟悉的。通過以上面討論過的方式將HEMT放大器286、PIN二極管開關(guān)288和290，以及HBT功率放大器292在一個公共襯底上單片集成，可以實現(xiàn)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的把這些元件組合成發(fā)射-接收模塊的某些優(yōu)點。
對于單片PIN-HEMT-HBT集成電路和對于用討論過的各個技術(shù)將超導(dǎo)薄膜集成方面的應(yīng)用并不限于這里揭示的幾個專門電路和應(yīng)用。所揭示的這些技術(shù)可應(yīng)用于制造各種各樣的新型微波和光電子電路，它們可以把HEMT、HBT、PIN二極管、MESFET，成超導(dǎo)薄膜組合成各種各樣的制品，以實現(xiàn)目前單獨用單個器件制造技術(shù)不能達到的各種優(yōu)點。
上面的討論僅僅揭示和說明了本發(fā)明的示范性的實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從這些討論以及從附圖和權(quán)利要求書中很容易認識到，在其中可以做出各種改變、改進和變換，而不會脫離如在下面的權(quán)利要求書中確定的本發(fā)明的構(gòu)思范圍。
權(quán)利要求
1.一種單片集成電路，它具有一個襯底；一個制備該襯底上的高電子遷移率晶體管(HEMT)，上述HEMT包括用選擇性分子束外延(MBE)淀積在該襯底上的多個HEMT斷面層，以使該HEMT襯底接觸的斷面層與襯底形成外延鍵合；以及一個制備在該襯底上的第一半導(dǎo)體器件，上述第一半導(dǎo)體器件包括用MBE淀積在該襯底上的多個第一半導(dǎo)體器件斷面層，以使該第一半導(dǎo)體器件與襯底接觸的斷面層與襯底形成外延鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的集成電路，其中，第一半導(dǎo)體器件是一種異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)，而與襯底接觸的該HBT斷面層是一個子集電極層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的集成電路，其中，第一半導(dǎo)體器件是PIN二極管，而與襯底接觸的該PIN二極管的斷面層是一個接觸層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的集成電路，還包括制備在該襯底上的一個第二半導(dǎo)體器件，上述第二半導(dǎo)體器件包括用選擇性MBE淀積在該襯底上的多個第二半導(dǎo)體斷面層，以使該第二半導(dǎo)體器件與襯底接觸的一個斷面層與襯底形成外延鍵合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的集成電路，其中，第一半導(dǎo)體器件是一種HBT而第二半導(dǎo)體器件是一種肖特基二極管，上述HBT和肖特基二極管用一個離子注入?yún)^(qū)隔開，并且其中與襯底接觸的HBT斷面層是一個子集電極層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的集成電路，其中，第一半導(dǎo)體器件是一種HBT而第二半導(dǎo)體器件是一種PIN二極管，并且其中與襯底接觸的HBT斷面層是一個子集電極層，而與襯底接觸的PIN二極管斷面層是一個接觸層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的集成電路，其中，HBT和PIN二極管用一個離子注入?yún)^(qū)隔開。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的集成電路，還包括一個肖特基二極管器件，上述肖特基二極管器件由一個離子注入?yún)^(qū)與HBT隔開，其中與襯底接觸的該肖特基二極管器件的一個斷面層與襯底形成外延鍵合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的集成電路，其中，將該PIN二極管、HBT和HEMT互連，以形成一個發(fā)射—接收電路，其中HEMT作為一個低噪聲放大器用作接收功能部件，HBT作為一個功率放大器用作發(fā)射功能部件而PIN二極管作為一個開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的集成電路，其中將該HBT和HEMT互連，以形成一個HBT調(diào)節(jié)的HEMT低噪聲放大器。
11.根據(jù)權(quán)利要求3的集成電路，其中，將該HEMT和PIN二極管互連，以形成一種包括一個PIN二極管限制器的HEMT放大器。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的集成電路，其中，將該HBT和HEMT互連，以形成一個高性能放大器，其中該HEMT作為接收射頻信號的低噪聲放大器而該HBT作為接收一個來自該HEMT的放大的輸出信號的高截止頻率放大器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的集成電路，還包括一個淀積在該襯底上的超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體(SIS)探測器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的集成電路，其中，所述襯底由從砷化鎵和磷化銦組成的一組中選出的一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
15.一種單片集成電路，具有一個襯底；一個制備在該襯底上的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)，上述MESFET包括用選擇性分子束外延(MBE)淀積在該襯底上的多個MESFET斷面層，以使該MESFET與襯底接觸的一個斷面層與襯底形成外延鍵合；以及一個制備在該襯底上的第一半導(dǎo)體器件，上述第一半導(dǎo)體器件包括用MBE淀積在該襯底上的多個第一半導(dǎo)體器件斷面層，以使該第一半導(dǎo)體器件與襯底接觸的一個斷面層與襯底形成外延鍵合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的集成電路，其中，第一半導(dǎo)體器件是一種異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)而與襯底接觸的該HBT輪廓層是一個子集是極層。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的集成電路，其中，第一半導(dǎo)體器件是一種PIN二極管，而與襯底接觸的該PIN二極管斷面層是一個接觸層。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的集成電路，還包括制備在該襯底上的一個第二半導(dǎo)體器件，上述第二半導(dǎo)體器件包括用選擇性MBE淀積在襯底上的多個第二半導(dǎo)體斷面層，該第二半導(dǎo)體器件與襯底接觸的斷面層與襯底形成外延鍵合。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的集成電路，其中，第一半導(dǎo)體器件是一個HBT而第二半導(dǎo)體器件是一個肖特基二極管，上述HBT和上述肖特基二極管用一個離子注入?yún)^(qū)隔開，并且其中與襯底接觸的HBT斷面層是一個子集電極層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的集成電路，其中，第一半導(dǎo)體器件是一個HBT而第二半導(dǎo)體器件是一個PIN二極管，并且其中與該襯底接觸的HBT斷面層是一個子集電極層而與襯底接觸的PIN二極管斷面層是一個接觸層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的集成電路，其中，該HBT和該二極管用一個離子注入?yún)^(qū)隔開。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的集成電路，它進一步具有一個肖特基二極管器件，上述肖特基二極管器件由一個離子注入?yún)^(qū)與該HBT隔開，而該肖特基二極管器件與該襯底接觸的一個斷面層與該襯底形成外延鍵合。
23.根據(jù)權(quán)利要求15的集成電路，其中該襯底由從砷化鎵和磷化銦組成的一組中選出的一種半導(dǎo)體材料組成。
24.一種單片集成電路，它具有一個襯底；一個制備在該襯底上的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)，上述HBT包括用選擇性分子束外延淀積在該襯底上的多個HBT斷面層，以使該HBT與襯底接觸的一個斷面層與該襯底形成外延鍵合；以及一個制備在該襯底上的半導(dǎo)體二極管，上述半導(dǎo)體二極管包括用分子束外延淀積在該襯底上的多個二極管斷面層，以使該半導(dǎo)體二極管與襯底接觸的一個輪廓層與襯底形成外延鍵合。
25.一種用選擇性分子束外延(MBE)工藝在一個公共襯底上制造單片集成電路的方法，上述方法包括以下步驟用MBE工藝在襯底上淀積一個第一半導(dǎo)體斷面；在該半導(dǎo)體斷面上淀積一個第一介質(zhì)層；在選定的區(qū)域去除該第一介質(zhì)層和該第一半導(dǎo)體斷面的一部分，這樣將限定出一個第一半導(dǎo)體器件斷面的那部分第一半導(dǎo)體斷面保留在襯底上，并且將該襯底的第一部分露出來，上述第一半導(dǎo)體器件斷面由第一保留介質(zhì)層覆蓋；用MEB工藝在該第一保留介質(zhì)層和該襯底的第一曝露部分上淀積一個高電子遷移率晶體管(HEMT)斷面；以及去除淀積在該第一保留介質(zhì)層上的該HEMT斷面和去除該第一保留介質(zhì)層，以在該公共襯底上形成集成的第一半導(dǎo)體與HEMT器件的各斷面。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，淀積一個第一半導(dǎo)體斷面的步驟包括在襯底上淀積一個異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)斷面，以便在襯底上形成集成的HBT和HEMT器件的斷面。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，淀積一個第一半導(dǎo)體斷面的步驟包括淀積一個PIN二極管斷面，以便在公共襯底上形成集成的PIN二極管和HEMT器件的斷面。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，去除一部分介質(zhì)層和半導(dǎo)體斷面的步驟包括各向異性刻蝕半導(dǎo)體斷面以形成一個退后的半導(dǎo)體斷面，從而使第一保留介質(zhì)層的一部分伸出第一半導(dǎo)體器件斷面的上表面之外。
29.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，淀積一個HEMT輪廓的步驟包括在該襯底的露出部分上淀積一個單晶HEMT斷面和在該第一保留介質(zhì)層上淀積一個多晶HEMT斷面。
30.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，該襯底包括從砷化鎵(GaAs)和磷化銦(Inp)組成的組中選出的一種材料。
31.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，淀積一個第一介質(zhì)層的步驟包括淀積一個氮化硅介質(zhì)層。
32.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，還包括以下步驟首先在該HEMT器件斷面上淀積一個歐姆金屬層，然后對該歐姆金屬層圖形化以確定與HEMT器件斷面相聯(lián)的一個源電極和一個漏電極，再由HBT器件斷面圖形化出一個HBT發(fā)射極臺面，接著淀積并圖形化出一個HBT基極接觸，然后由HBT器件斷面圖形化出一個HBT基極臺面，其后淀積并圖形化出一個HBT發(fā)射極接觸和一個HBT集電極接觸，以及淀積并圖形化出一個HEMT柵電極。
33.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，還包括將離子注入進HBT器件斷面的一個區(qū)域的步驟，以便將HBT器件斷面的一部分分隔開來，以便由與HBT器件斷面相鄰的HBT器件斷面的分開部分形成一個二極管器件斷面。
34.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，還包括以下步驟在去除一部分第一介質(zhì)層的步驟之后用MBE工藝在該第一保留介質(zhì)層和該襯底的第一曝露部分上淀積一個第二半導(dǎo)體斷面；去除淀積在第一保留介質(zhì)層上的該第二半導(dǎo)體斷面的一部分和去除第一保留介質(zhì)層，以在該襯底上形成與該第一半導(dǎo)體器件斷面相鄰的一個第二保留半導(dǎo)體斷面；在該第一半導(dǎo)體器件斷面和該第二保留半導(dǎo)體斷面上淀積一個第二介質(zhì)層，以及在所選定的區(qū)域去除該第二介質(zhì)層和該第二保留半導(dǎo)體斷面的一部分，以便將限定第二半導(dǎo)體器件斷面的那部分第二保留半導(dǎo)體斷面留在該襯底上并且將該襯底的一個第二部分曝露出來，上述第一半導(dǎo)體器件斷面和上述第二半導(dǎo)體器件斷面由一個第二保留介質(zhì)層覆蓋，其中形成第二半導(dǎo)體器件斷面的步驟在淀積HEMT斷面的步驟之前進行。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中淀積第一半導(dǎo)體斷面的步驟包括淀積一個PIN二極管斷面，而淀積第二半導(dǎo)體斷面的步驟包括淀積一個HBT斷面。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中，淀積第二半導(dǎo)體斷面的步驟包括在該襯底的第一曝露部分上淀積一個單晶半導(dǎo)體斷面和在第一保留介質(zhì)層上淀積一個多晶半導(dǎo)體斷面，并且其中淀積HEMT斷面的步驟包括在襯底的第二曝露部分上淀積一個單晶HEMT斷面和在第二保留介質(zhì)層上淀積一個多晶HEMT斷面。
37.一種用選擇性分子束外延(MBE)工藝在一個公共襯底上制造單片集成電路器件的方法，包括以下步驟用MBE工藝在該襯底上淀積一個半導(dǎo)體斷面；在該半導(dǎo)體斷面上淀積一個介質(zhì)層；在所選定的區(qū)域去除部分介質(zhì)層與該半導(dǎo)體斷面，以便使限定一個半導(dǎo)體器件斷面的那部分半導(dǎo)體斷面保留在該襯底上，并且將該襯底的一部分露出來，上述半導(dǎo)體器件斷面由一個保留介質(zhì)層覆蓋；用MBE工藝在該保留介質(zhì)層和該襯底的曝露部分上淀積一個金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)斷面；以及去除淀積在該保留介質(zhì)層上的MESFET斷面和去除該保留介質(zhì)層，以在該公共襯底上形成集成的半導(dǎo)體和MESFET器件的斷面。
全文摘要
在一襯底上制造包括PIN二極管器件、HBT器件、HEMT器件和MESFET器件的組合的單片集成電路器件的方法，包括在襯底上淀積上述各器件之一的斷面層，然后在該斷面層上淀積第一介質(zhì)層，刻蝕該斷面層和介質(zhì)層以限定第一器件斷面，在露出的襯底上淀積第二斷面層，選擇性刻蝕第二斷面以確定第二器件斷面。該工藝可推廣到在一公共襯底上單片集成兩個以上的不同器件，只要先制作的器件穩(wěn)定得足以承受制作后部器件所用的溫度循環(huán)。
文檔編號H01L27/085GK1131819SQ9511814
公開日1996年9月25日 申請日期1995年11月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月2日
發(fā)明者德懷特·C·斯特賴特, 唐納德·K·昂莫托, 阿倫·K·奧基, 凱文·W·科巴亞欣 申請人:Trw公司