專利名稱：通信裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種包括半導(dǎo)體尤其是化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的通信裝置，以及包括一種單晶化合物半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造和用途。
背景技術(shù)：
大部分半導(dǎo)體分立器件和集成電路是由硅制成的，這至少部分是因?yàn)槟軌虻玫搅畠r和高質(zhì)量的單晶硅襯底。其它半導(dǎo)體材料例如所謂的化合物半導(dǎo)體材料具有的物理特性包括與硅相比更寬的帶隙和/或更高的遷移率，或者使得這些材料適用于一定類型半導(dǎo)體器件的直接帶隙。不幸的是，化合物半導(dǎo)體材料通常比硅貴很多，并且不能獲得與硅一樣大的晶片。砷化鎵(GaAs)是最容易獲得的化合物半導(dǎo)體材料，它只能獲得約150毫米(mm)以下直徑的晶片。相反，硅晶片可以達(dá)到約300mm，普遍可以得到的為200mm。150mm的GaAs晶片比它們的硅等同物貴許多倍。其它化合物半導(dǎo)體材料的晶片更不容易獲得，并且比GaAs更貴。
由于化合物半導(dǎo)體材料的理想特性，并且由于它們通常的高額成本以及不容易得到大的尺寸，所以多年來一直致力于在異質(zhì)襯底上生長化合物半導(dǎo)體材料的薄膜。但是為了實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體材料的最佳特性，需要高晶體質(zhì)量的單晶膜。例如已經(jīng)嘗試在鍺、硅和各種絕緣體上生長單晶化合物半導(dǎo)體材料層。這些努力通常是不成功的，因?yàn)樵诨|(zhì)晶體和生長晶體之間的晶格失配導(dǎo)致所得到的化合物半導(dǎo)體材料薄膜的晶體質(zhì)量較低。
如果能夠以低成本獲得高質(zhì)量單晶化合物半導(dǎo)體材料的大面積薄膜，則可以以這種膜有效地制造各種半導(dǎo)體器件，成本與在化合物半導(dǎo)體材料大晶片上或在化合物半導(dǎo)體材料大晶片上該材料的外延膜中制造這種器件的成本相比較低。另外，如果高質(zhì)量單晶化合物半導(dǎo)體材料的薄膜可以在大晶片(bulk wafer)例如硅晶片上實(shí)現(xiàn)，就可以獲得利用了硅和化合物半導(dǎo)體材料兩者優(yōu)點(diǎn)的集成器件結(jié)構(gòu)。
因此需要一種通信裝置，其使用的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能夠提供優(yōu)于其它單晶材料的高質(zhì)量單晶化合物半導(dǎo)體膜。


本發(fā)明以實(shí)施例的方式進(jìn)行描述，并且不限于附圖，在這些附圖中類似的附圖標(biāo)記表示相似的元件。
圖1、2、4、5示意性地顯示出根據(jù)本發(fā)明各個實(shí)施方案的器件結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3用曲線圖顯示出可得到的最大膜厚與基質(zhì)晶體和生長晶體覆蓋層間的晶格失配之間的關(guān)系；圖6是通訊裝置的一部分的方框圖；圖7-11為部分集成電路的截面圖，該集成電路包括一個化合物半導(dǎo)體部分、一個雙極部分以及一個MOS部分；并且圖12-18為另一個集成電路的一部分的截面圖，該集成電路包括半導(dǎo)體激光器和MOS晶體管。
普通技術(shù)人員會理解，在圖中圖示的元件是為了簡化和清楚起見，不必按照比例來畫出。例如圖中一些元件的尺寸可以相對于其它元件放大，以有助于理解本發(fā)明的實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地顯示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案的一部分半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20的截面圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20包括一個單晶襯底22、包含單晶材料的調(diào)節(jié)緩沖層(accommodating buffer layer)24以及單晶化合物半導(dǎo)體材料層26。在本文中，“單晶”具有在半導(dǎo)體工業(yè)中通常使用的含義。該詞指的是單晶體或基本是單晶體的材料，并且包括具有例如在硅或鍺或硅鍺混合物襯底中通常發(fā)現(xiàn)的位錯等少量缺陷的那些材料，所述材料還具有在半導(dǎo)體工業(yè)中通常發(fā)現(xiàn)的這種材料的外延層。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，結(jié)構(gòu)20也包括位于襯底22和調(diào)節(jié)緩沖層24之間的無定形中間層28。結(jié)構(gòu)20可以還包括位于調(diào)節(jié)緩沖層和化合物半導(dǎo)體層26之間的模板層(template layer)30。如以下所詳細(xì)描述的，模板層有助于引發(fā)化合物半導(dǎo)體層在調(diào)節(jié)緩沖層上的生長。無定形中間層有助于釋放調(diào)節(jié)緩沖層中的應(yīng)變，這樣就有助于高晶體質(zhì)量的調(diào)節(jié)緩沖層的生長。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，襯底22是單晶半導(dǎo)體晶片，優(yōu)選是大直徑的。該晶片是由周期表中第IV族的材料、優(yōu)選是IVA族的材料制成。IV族半導(dǎo)體材料的示例包括硅、鍺、硅鍺混合物硅碳混合物和硅鍺碳混合物等。優(yōu)選的襯底22是含有硅或鍺的晶片，最優(yōu)選是如在半導(dǎo)體工業(yè)使用的高質(zhì)量單晶硅晶片。調(diào)節(jié)緩沖層24優(yōu)選外延地生長在下伏襯底上的單晶氧化物或氮化物材料。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，無定形中間層28在層24生長期間通過襯底22的氧化作用而生長在襯底22上位于襯底22和生長調(diào)節(jié)緩沖層24之間的界面處。無定形中間層用于釋放在單晶調(diào)節(jié)緩沖層中因?yàn)橐r底和緩沖層的晶格常數(shù)差異而可能產(chǎn)生的應(yīng)變。在這里所使用的晶格常數(shù)指的是在表面的平面中所測量出的在晶格的各原子之間的距離。如果這種應(yīng)變沒有被無定形中間層所釋放，則該應(yīng)變會導(dǎo)致調(diào)節(jié)緩沖層的晶體結(jié)構(gòu)缺陷。調(diào)節(jié)緩沖層晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷又會使得難以在單晶化合物半導(dǎo)體層26中獲得高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。
調(diào)節(jié)緩沖層24優(yōu)選是根據(jù)其與下伏襯底和上覆化合物半導(dǎo)體材料的結(jié)晶相容性(crystalline compatibility)來選擇的單晶氧化物或氮化物材料。例如，該材料可以是其晶格結(jié)構(gòu)與襯底以及與隨后覆蓋的半導(dǎo)體材料相匹配的氧化物或氮化物。適合作調(diào)節(jié)緩沖層的材料包括金屬氧化物，例如堿土金屬鈦酸鹽、堿土金屬鋯酸鹽、堿土金屬鉿酸鹽、堿土金屬鉭酸鹽、堿土金屬釕酸鹽、堿土金屬鈮酸鹽、堿土金屬釩酸鹽、堿土金屬錫基鈣鈦礦(alkaline earth metal tin-based perovskites)、鋁酸鑭、鑭鈧氧化物以及氧化釓。另外，各種氮化物例如氮化鎵、氮化鋁和氮化硼也可以用于調(diào)節(jié)緩沖層。這些材料中的大多數(shù)都是絕緣體，但是例如釕酸鍶是導(dǎo)體。一般來說，這些材料是金屬氧化物或金屬氮化物，更具體地說，這些金屬氧化物或氮化物通常包括至少兩種不同的金屬元素。在一些特定用途中，金屬氧化物或氮化物可以包括三種或更多不同的金屬元素。
無定形中間層28優(yōu)選是通過襯底22表面的氧化作用形成的氧化物，更優(yōu)選的是由氧化硅構(gòu)成。層28的厚度足以釋放因?yàn)橐r底22和調(diào)節(jié)緩沖層24之間晶格常數(shù)不匹配而導(dǎo)致的應(yīng)變。通常層28的厚度大致在0.5-5nm的范圍內(nèi)。
層26的化合物半導(dǎo)體材料可以根據(jù)特定半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的需要而選自下列化合物中的任何一種IIIA和VA族元素(III-V半導(dǎo)體化合物)、混合的III-V族化合物、II族(A或B)和VIA族元素(II-VI半導(dǎo)體化合物)，以及混合的II-VI族化合物。示例包括砷化鎵(GaAs)、砷化鎵銦(GaInAs)、砷化鎵鋁(GaAlAs)、磷化銦(InP)、硫化鎘(CdS)、碲化鎘汞(CdHgTe)、硒化鋅(ZnSe)、硒化硫鋅(Zinc sulfur selenide，ZnSSe)等。適合的模板材料在選定位置通過化學(xué)鍵結(jié)合在調(diào)節(jié)緩沖層的表面上，并提供用于隨后化合物半導(dǎo)體層26的外延生長的成核位置。模板30的適當(dāng)材料如下所述。
圖2顯示出根據(jù)本發(fā)明再一個實(shí)施方案的一部分半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)40的截面圖。結(jié)構(gòu)40類似于前述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)20，但是在調(diào)節(jié)緩沖層24和單晶化合物半導(dǎo)體材料層26之間還設(shè)置了附加緩沖層32。具體地說，附加緩沖層32位于模板層30和上覆化合物半導(dǎo)體材料層之間。由半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體材料形成的附加緩沖層用于在調(diào)節(jié)緩沖層的晶格常數(shù)與上覆單晶化合物半導(dǎo)體材料層之間不能充分匹配時提供晶格補(bǔ)償。
以下非限制性的示例實(shí)施例闡述了可以用于根據(jù)本發(fā)明不同實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)20和結(jié)構(gòu)40的材料的各種組合。這些實(shí)施例只作為示例之用，本發(fā)明不限于這些示例性實(shí)施例。
實(shí)施例1
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，單晶襯底22是沿著(100)方向取向的硅襯底。該硅襯底可以是例如在制造互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路中通常使用的直徑約為200-300nm的硅襯底。根據(jù)本發(fā)明的這個實(shí)施方案，調(diào)節(jié)緩沖層24是SrzBa1-zTiO3單晶層，其中z是0-1，無定形中間層是在硅襯底和調(diào)節(jié)緩沖層之間的界面處形成的氧化硅(SiOx)層。對z值進(jìn)行選擇，以獲得一個或多個與隨后形成的層26的對應(yīng)晶格常數(shù)密切匹配的晶格常數(shù)。調(diào)節(jié)緩沖層厚度可以約是2-100納米(nm)，優(yōu)選的厚度是約10nm。通常，希望調(diào)節(jié)緩沖層的厚度足以將化合物半導(dǎo)體層與襯底隔離，以獲得理想的電學(xué)和光學(xué)性能。大于100nm的層厚度通常很少能提供更多的優(yōu)點(diǎn)，但是成本卻不必要的增加；但是如果需要可以制造較厚的層。氧化硅無定形中間層的厚度約為0.5-5nm，優(yōu)選的厚度是1.5-2.5nm。
根據(jù)該實(shí)施方案，化合物半導(dǎo)體材料層26是砷化鎵(GaAs)或砷化鋁鎵(AlGaAs)層，厚度是約1nm-約100μm，優(yōu)選厚度是約0.5μm-10μm。厚度通常取決于所制備的層的應(yīng)用。為了便于砷化鎵或砷化鋁鎵在單晶氧化物上的外延生長，通過覆蓋氧化物層而形成一個模板層。模板層優(yōu)選是Ti-As、Sr-O-As、Sr-Ga-O或Sr-Al-O的1-10個單層。作為優(yōu)選實(shí)施例，Ti-As和Sr-Ga-O的1-2個單層已經(jīng)表明能成功生長GaAs層。
實(shí)施例2根據(jù)本發(fā)明的再一個實(shí)施方案，單晶襯底22是如上所述的硅襯底。調(diào)節(jié)緩沖層是立方晶相或斜方晶相的鍶或鋇的鋯酸鹽或鉿酸鹽單晶氧化物，氧化硅無定形中間層在硅襯底和調(diào)節(jié)緩沖層之間的界面處形成。調(diào)節(jié)緩沖層的厚度是約2-100nm，優(yōu)選是至少5nm，以確保足夠的結(jié)晶和表面質(zhì)量，它由單晶SrZrO3、BaZrO3、SrHfO3、BaSnO3或BaHfO3形成。例如BaZrO3單晶氧化物層可以在約700攝氏度生長。所形成的氧化物晶體的晶格結(jié)構(gòu)相對于襯底硅晶格結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出45度的旋轉(zhuǎn)。
這些鋯酸鹽或鉿酸鹽材料形成的調(diào)節(jié)緩沖層適合于在磷化銦(InP)系統(tǒng)中生長化合物半導(dǎo)體材料?；衔锇雽?dǎo)體材料可以是例如磷化銦(InP)或砷化銦鎵(InGaAs)，厚度約為1.0nm-10μm。適合于這種結(jié)構(gòu)的模板是鋯-砷(Zr-As)、鋯-磷(Zr-P)、鉿-砷(Hf-As)、鉿-磷(Hf-P)、鍶-氧-砷(Sr-O-As)、鍶-氧-磷(Sr-O-P)、鋇-氧-砷(Ba-O-As)、銦-鍶-氧(In-Sr-O)、或鋇-氧-磷(Ba-O-P)的1-10個單層，優(yōu)選是這些材料之一的1-2個單層。舉例來說，對于鋯酸鋇調(diào)節(jié)緩沖層來說，表面是鋯的1-2個單層，然后沉積砷的1-2個單層，以形成Zr-As模板。然后來自磷化銦系統(tǒng)的化合物半導(dǎo)體材料的單晶層在該模板層上生長。所得到的化合物半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)相對于調(diào)節(jié)緩沖層晶格結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出45度的旋轉(zhuǎn)，并且與(100)InP的晶格失配小于2.5％，優(yōu)選小于1.0％。
實(shí)施例3根據(jù)本發(fā)明的再一個實(shí)施方案，提供一種結(jié)構(gòu)，它適合于覆蓋硅襯底的II-VI族材料外延膜的生長。該襯底優(yōu)選是上述硅晶片。適合的調(diào)節(jié)緩沖層材料是SrxBa1-xTiO3，其中x是0-1，厚度約為2-100nm，優(yōu)選是5-15nm。II-VI族化合物半導(dǎo)體材料可以是例如硒化鋅(ZnSe)或硒化硫鋅(ZnSSe)。適合于這種材料系統(tǒng)的模板包括鋅-氧(Zn-O)的1-10個單層，然后是過量的鋅的1-2個單層，然后在表面上對鋅進(jìn)行硒化?；蛘吣０蹇梢允抢珂J-硫(Sr-S)，然后是ZnSeS。
實(shí)施例4本發(fā)明的該實(shí)施方案是圖2所示結(jié)構(gòu)40的示例。襯底22、單晶氧化物層24以及單晶化合物半導(dǎo)體材料層26可以與上述實(shí)施例1類似。另外，附加緩沖層32用于減輕可能因?yàn)檎{(diào)節(jié)緩沖層的晶格和單晶半導(dǎo)體材料的晶格的不匹配而導(dǎo)致的任何應(yīng)變。緩沖層32可以是磷砷化鎵(GaAsxP1-x)或磷化銦鎵(InyGa1-yP)應(yīng)變補(bǔ)償超晶格(straincompensated superlattice)。在磷砷化鎵超晶格中x為0-1，在磷化銦鎵超晶格中y為0-1。通過根據(jù)情況改變x或y的值，晶格常數(shù)會從底部至頂部穿過超晶格而變化，形成下伏氧化物和上覆化合物半導(dǎo)體材料之間晶格常數(shù)的匹配。超晶格的厚度約為50-500nm，優(yōu)選的厚度是200-100nm。這種結(jié)構(gòu)的模板可以與實(shí)施例1所述的相同。或者，緩沖層可以是單晶鍺層，厚度是1-50nm，優(yōu)選約為2-20nm。在使用鍺緩沖層時，可以使用鍺-鍶(Ge-Sr)或鍺-鈦(Ge-Ti)模板層，厚度約為1個單層。該氧化物層被覆蓋了鍶的單層或鈦的單層，以作為隨后單晶鍺沉積的成核位置。鍶或鈦單層提供了鍺的第一單層可以鍵連的成核位置。
實(shí)施例5該實(shí)施例也闡釋可用于圖2所示結(jié)構(gòu)40的材料。襯底材料22、調(diào)節(jié)緩沖層24、單晶化合物半導(dǎo)體材料層26以及模板層30可以與上述實(shí)施例2類似。另外，在調(diào)節(jié)緩沖層和上覆單晶化合物半導(dǎo)體材料層之間插入一個緩沖層32。該緩沖層，即又一種單晶半導(dǎo)體材料可以是例如砷化銦鎵(InGaAs)的遞變層，其中銦組分在0-47％之間變化。該緩沖層優(yōu)選的厚度約為10-30nm。使緩沖層的組成從GaAs到InGaAs變化用來提供下伏單晶氧化物材料和上覆單晶化合物半導(dǎo)體材料層之間的晶格匹配。如果在調(diào)節(jié)緩沖層24和單晶化合物半導(dǎo)體材料層26之間存在晶格失配，這種緩沖層就特別有用。
再參考圖1和2，襯底22是單晶襯底，例如單晶硅襯底。單晶襯底的晶體結(jié)構(gòu)以晶格常數(shù)和晶格取向?yàn)樘卣鳌ｎ愃频?，調(diào)節(jié)緩沖層24也是單晶材料，該單晶材料的晶格也以晶格常數(shù)和晶格取向?yàn)樘卣?。調(diào)節(jié)緩沖層和單晶襯底的晶格常數(shù)必須嚴(yán)格匹配，或者必須是這樣，即在一個晶格取向相對于另一個晶格取向旋轉(zhuǎn)時可實(shí)現(xiàn)晶格常數(shù)的基本匹配。在這里，“基本相等”和“基本匹配”表示晶格常數(shù)之間存在足夠的相似性，從而允許高質(zhì)量的晶體層在下伏層上生長。
圖3通過曲線圖顯示出高晶體質(zhì)量的生長晶體層可實(shí)現(xiàn)的厚度與基質(zhì)晶體和生長晶體晶格常數(shù)間的不匹配之間的函數(shù)關(guān)系。曲線42表示高晶體質(zhì)量材料的邊界。曲線42右面的區(qū)域表示易于成為多晶體的層。在沒有晶格失配的情況中，理論上可以在基質(zhì)晶體上生長出無限厚的高質(zhì)量外延層。隨著在晶格常數(shù)中不匹配的增加，可以獲得的高質(zhì)量晶體層的厚度迅速降低。作為參考點(diǎn)，例如，如果基質(zhì)晶體和生長晶體之間晶格常數(shù)不匹配高于約2％，則不能獲得超過約20nm的單晶外延層。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，襯底22是(100)或(111)取向的單晶硅晶片，并且調(diào)節(jié)緩沖層24是鈦酸鍶鋇層。這兩種材料之間晶格常數(shù)的基本匹配是通過將鈦酸鹽材料的晶體取向相對于硅襯底晶片的晶體取向旋轉(zhuǎn)45°而獲得的。在該結(jié)構(gòu)中包含無定形中間層24(在此實(shí)施例中是氧化硅層)用來減少在鈦酸鹽單晶層中可能因?yàn)榛|(zhì)硅晶片和生長的鈦酸鹽層之間的不匹配而導(dǎo)致的應(yīng)變。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，可以獲得高質(zhì)量的厚單晶鈦酸鹽層。
仍然參考圖1和2，層26是外延生長的單晶化合物半導(dǎo)體材料層，該晶體材料也以晶體晶格常數(shù)和晶體取向?yàn)樘卣鳌榱嗽谶@種外延生長層中獲得高晶體質(zhì)量，調(diào)節(jié)緩沖層必須具有高晶體質(zhì)量。另外，為了在層26中獲得高晶體質(zhì)量，希望基質(zhì)晶體(在這種情況下是單晶調(diào)節(jié)緩沖層)與生長晶體之間的晶體晶格常數(shù)基本匹配。利用適當(dāng)選擇的材料，通過生長晶體的晶體取向相對于基質(zhì)晶體的晶體取向的旋轉(zhuǎn)，可以獲得晶格常數(shù)的基本匹配。如果生長晶體是砷化鎵、砷化鋁鎵、硒化鋅、或硒化硫鋅并且調(diào)節(jié)緩沖層是單晶SrxBa1-xTiO3，則可以實(shí)現(xiàn)兩種材料之間晶體晶格常數(shù)的基本匹配，其中生長層的晶體取向相對于基質(zhì)單晶氧化物的取向旋轉(zhuǎn)45°。同樣，如果基質(zhì)材料是鍶或鋇的鋯酸鹽或者鍶或鋇的鉿酸鹽或氧化鋇錫，并且化合物半導(dǎo)體層是磷化銦或砷化鎵銦或砷化鋁銦，通過將生長晶體層的取向相對于基質(zhì)氧化物晶體的取向旋轉(zhuǎn)45°，可以獲得晶體晶格常數(shù)的基本匹配。在一些情況中，基質(zhì)氧化物和生長的化合物半導(dǎo)體層之間的晶體半導(dǎo)體緩沖層可以用來減少在生長的單晶化合物半導(dǎo)體層中因?yàn)榫Ц癯?shù)的微小差異而可能產(chǎn)生的應(yīng)變。因此可以在生長的單晶化合物半導(dǎo)體層中獲得較好的晶體質(zhì)量。
以下實(shí)施例闡述了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)例如圖1和2所示結(jié)構(gòu)的工藝。該工藝一開始提供包括硅或鍺的單晶半導(dǎo)體襯底。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，半導(dǎo)體襯底是具有(100)取向的硅晶片。襯底的取向優(yōu)選在晶軸上或至多偏離晶軸約0.5°。至少部分半導(dǎo)體襯底具有裸露的表面，但是該襯底的其它部分如下所述可圍繞著其它結(jié)構(gòu)?！奥懵丁币辉~在本文中表示該部分襯底中的表面已經(jīng)被清潔從而除去了任何氧化物、雜質(zhì)或外來物質(zhì)。眾所周知，裸露的硅具有高反應(yīng)性，易于形成天然氧化物?！奥懵丁钡暮x包括這種天然氧化物。也可以有意在半導(dǎo)體襯底上生長出薄的氧化硅，但是這種生長的氧化物對于本發(fā)明的工藝不是必要的。為了外延生長出覆蓋該單晶襯底的單晶氧化物層，必須首先除去天然氧化物層以將下伏襯底的晶體結(jié)構(gòu)暴露出來。以下過程優(yōu)選通過分子束外延附生(molecular beam epitaxy，MBE)來進(jìn)行?？梢酝ㄟ^在MBE設(shè)備中首先熱沉積薄薄的一層鍶來除去天然氧化物。然后將該襯底加熱至約為750°，以使得鍶與天然氧化硅層反應(yīng)。鍶用來減少氧化硅以留下沒有硅氧化物的表面。所得到的具有有序的2×1結(jié)構(gòu)的表面包括鍶、氧和硅。該有序的2×1結(jié)構(gòu)形成用于單晶氧化物覆蓋層的有序生長的模板。該模板具有必要的化學(xué)和物理性能，以為覆蓋層的晶體生長成核。
根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施方案，天然氧化硅可以被轉(zhuǎn)化，并且可以通過在低溫下利用MBE將氧化鍶沉積到襯底表面上并隨后將襯底加熱至約750°而加工襯底表面，以用于單晶氧化層生長。在這個溫度下，在氧化鍶和天然氧化硅之間發(fā)生固態(tài)反應(yīng)，從而導(dǎo)致天然氧化硅的減少并留下有序的2×1結(jié)構(gòu)，其襯底表面殘留有鍶、氧和硅。同樣，這形成用于隨后有序單晶氧化物層生長的模板。
在從襯底表面除去氧化硅之后，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，將襯底冷卻到約400-600℃的溫度，通過分子束外延附生在模板層上生長鈦酸鍶層。通過打開MBE設(shè)備中的遮擋板(shutter)以暴露出鍶、鈦和氧源從而開始MBE過程。鍶和鈦的比例大致為1∶1。氧分壓一開始設(shè)定為最小值，從而使化學(xué)計(jì)量的鈦酸鍶以大約0.3-0.5nm/分鐘的速度生長。在鈦酸鍶開始生長之后，將氧分壓提高至最初的最小值之上。氧的過壓導(dǎo)致無定形氧化硅層在下伏襯底和正在生長的鈦酸鍶層之間的界面處生長。氧化硅層的生長其原因在于氧通過正在生長的鈦酸鍶層擴(kuò)散至所述界面處，在該界面處，氧與硅在下伏襯底的表面處反應(yīng)。鈦酸鍶生長成為有序的單晶，并且晶體取向相對于下伏襯底的有序2×1晶體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)45°。由于硅襯底和生長的晶體之間晶格常數(shù)的微小不匹配而可能存在于鈦酸鍶層中的應(yīng)變在無定形氧化硅中間層中被釋放。
在鈦酸鍶層生長到所需厚度之后，用模板層將單晶鈦酸鍶蓋住，該模板層有助于所需化合物半導(dǎo)體材料的外延層的隨后的生長。為了砷化鎵外延層的隨后生長，可以通過利用1-2個鈦單層、1-2個鈦-氧單層或1-2個鍶-氧單層來終止生長，從而壓蓋鈦酸鍶單晶層的MBE生長。在該壓蓋層形成之后，沉積砷以形成Ti-As鍵、Ti-O-As鍵或Sr-O-As鍵。這其中的任何一個都可以形成適合用于砷化鎵單晶層的沉積和形成的模板。在該模板形成之后，將鎵引入與砷進(jìn)行反應(yīng)，從而形成砷化鎵?；蛘?，可以將鎵沉積在壓蓋層上，以形成Sr-O-Ga鍵，將砷引入和鎵形成GaAs。
圖2所示結(jié)構(gòu)可以利用上述方法形成，但是還包括附加緩沖層沉積步驟。在沉積單晶化合物半導(dǎo)體層之前，形成覆蓋模板層的緩沖層。如果緩沖層是化合物半導(dǎo)體超晶格，可以通過例如MBE來將這種超晶格沉積在上述模板上。如果緩沖層是鍺層，則上述工藝應(yīng)當(dāng)改為用鍶或鈦的最終層壓蓋鈦酸鍶單晶層，然后通過沉積鍺而使其與鍶或鈦反應(yīng)。然后可以將鍺緩沖層直接沉積在該模板上。
上述工藝闡述了用于通過分子束外延附生形成包括硅襯底、單晶鈦酸鍶調(diào)節(jié)緩沖層以及單晶砷化鎵化合物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。該過程可以通過化學(xué)汽相淀積(CVD)、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)、遷移增強(qiáng)外延附生(migration enhanced epitaxy，MEE)、原子層外延附生(atomic layer epitaxy，ALE)等方法來進(jìn)行。另外，通過類似的方法，可以生長其它的單晶調(diào)節(jié)緩沖層，例如堿土金屬鈦酸鹽、鋯酸鹽、鉿酸鹽、鉭酸鹽、釩酸鹽、釕酸鹽和鈮酸鹽，堿土金屬錫基鈣鈦礦，鋁酸鑭，氧化鑭鈧，以及氧化釓。另外，通過類似的方法例如MBE，可以沉積其它III-V和II-VI族單晶化合物半導(dǎo)體層，覆蓋所述單晶氧化物調(diào)節(jié)緩沖層。
化合物半導(dǎo)體材料和單晶氧化物調(diào)節(jié)緩沖層的每個變型采用了適當(dāng)?shù)哪０?，用于引發(fā)化合物半導(dǎo)體層的生長。例如，如果調(diào)節(jié)緩沖層是堿土金屬鋯酸鹽，該氧化物可以由薄的鋯層所壓蓋。沉積鋯之后可以沉積與鋯反應(yīng)的砷或磷，作為分別沉積砷化銦鎵、砷化銦鋁或磷化銦的前體。類似地，如果單晶氧化物調(diào)節(jié)緩沖層是堿土金屬鉿酸鹽，該氧化物層可以由鉿的薄層所壓蓋。沉積鉿之后，沉積與鉿反應(yīng)的砷或磷，作為分別生長砷化銦鎵、砷化銦鋁或磷化銦層的前體。類似地，鈦酸鍶可以壓蓋有鍶或鍶與氧層，鈦酸鋇可以覆蓋有鋇或鋇與氧層。這些沉積的每一種之后可以沉積與覆蓋材料反應(yīng)的砷或磷，形成用于包括砷化銦鎵、砷化銦鋁或磷化銦的化合物半導(dǎo)體材料層的沉積的模板。
圖4示意性地顯示出本發(fā)明再一實(shí)施方案的器件結(jié)構(gòu)50的截面圖。器件結(jié)構(gòu)50包括單晶半導(dǎo)體襯底52，優(yōu)選是單晶硅晶片。單晶半導(dǎo)體襯底52包括兩個區(qū)53和54。在區(qū)53中形成總體上由虛線表示的電學(xué)半導(dǎo)體元件56。電氣元件56可以是電阻、電容、有源半導(dǎo)體元件例如二極管或晶體管或集成電路例如CMOS集成電路。例如電學(xué)半導(dǎo)體元件56可以是CMOS集成電路，用來執(zhí)行數(shù)字信號處理或硅集成電路適合的另一個功能。區(qū)域53中的電學(xué)半導(dǎo)體元件可以通過在半導(dǎo)體工業(yè)中眾所周知的且廣泛采用的傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工來形成。絕緣材料層58例如二氧化硅層等可以覆蓋在電學(xué)半導(dǎo)體元件56上。
從區(qū)域54的表面除去在區(qū)域53中半導(dǎo)體元件56的加工期間可能已經(jīng)形成或沉積的絕緣材料58和任何其它層，以在該區(qū)域形成裸露的硅表面。眾所周知，裸露的硅表面是非常有活性的，在裸露表面上會立刻形成天然氧化硅層。將鋇或鋇和氧層沉積到區(qū)域54的表面上的天然氧化物層上，并與該氧化表面反應(yīng)，從而形成第一模板層(未示出)。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，通過分子束外延附生方法形成一單晶氧化物層60來覆蓋模板層。將包括鋇、鈦和氧的反應(yīng)劑沉積到模板層上，以形成單晶氧化物層。在沉積的初始階段，氧分壓保持在與鋇和鈦反應(yīng)以形成單晶鈦酸鋇層60所需最小值接近的值上。然后升高氧分壓，以提供氧的過壓，使得氧擴(kuò)散穿過正在生長的單晶氧化物層。擴(kuò)散穿過鈦酸鋇的氧與硅在區(qū)域54的表面反應(yīng)，從而在第二區(qū)域上并且在硅襯底和單晶氧化物之間的界面處形成氧化硅的無定形層62。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，通過沉積第二模板層64來終止沉積單晶氧化物層60的步驟，該第二模板層64可以是鈦、鋇、鋇和氧或鈦和氧的1-10個單層。然后通過分子束外延附生方法沉積覆蓋第二模板層的單晶化合物半導(dǎo)體材料層66。通過將砷層沉積到模板上來開始層66的沉積。該初始步驟之后沉積鎵和砷以形成單晶砷化鎵。或者，可以在上述實(shí)施例中用鍶代替鋇。
根據(jù)本發(fā)明的再一個實(shí)施方案，在化合物半導(dǎo)體層66中形成總體上由虛線表示的半導(dǎo)體元件68。半導(dǎo)體元件68可以通過在砷化鎵或其它III-V族化合物半導(dǎo)體材料器件的制造中通常采用的加工步驟來形成。半導(dǎo)體元件68可以是任何有源或無源元件，優(yōu)選是半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管、光電檢測器、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)、高頻MESFET、或其它利用了化合物半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)優(yōu)點(diǎn)的元件?？梢孕纬捎?0示意性表示的金屬導(dǎo)體以電連接元件68和元件56，從而實(shí)現(xiàn)包括至少一個形成在襯底中的元件和形成在單晶化合物半導(dǎo)體材料層中的器件的集成器件。作為形成在硅襯底52上并且具有鈦酸鋇(或鍶)層60以及砷化鎵層66的結(jié)構(gòu)，盡管示意性地描述了結(jié)構(gòu)50，但是可以采用在本發(fā)明中其它地方所描述的其它襯底、單晶氧化物層和其它化合物半導(dǎo)體層來制造類似的器件。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施方案的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)72。結(jié)構(gòu)72包括單晶半導(dǎo)體襯底74，例如單晶硅晶片，它包括區(qū)域75和76。在區(qū)域75中利用半導(dǎo)體工業(yè)中通常使用的硅器件加工技術(shù)來形成由虛線示意性所示的電氣元件78。利用與上述類似的步驟，形成單晶氧化物層80和中間無定形氧化硅層82，覆蓋襯底74的區(qū)域76。形成模板層84和隨后的單晶半導(dǎo)體層86，覆蓋單晶氧化物層80。根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施方案，采用與形成層80類似的步驟，形成附加單晶氧化物層88，覆蓋層86，并采用與形成層86類似的步驟，形成附加的單晶半導(dǎo)體層90，覆蓋單晶氧化物層88。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，層86和層90中的至少一個由化合物半導(dǎo)體材料形成。
在單晶半導(dǎo)體層86中至少部分形成由虛線92概括表示的半導(dǎo)體元件。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，半導(dǎo)體元件92包括具有部分由單晶氧化物層88形成的柵極介質(zhì)的場效應(yīng)晶體管。另外，單晶半導(dǎo)體層92可以用于實(shí)施場效應(yīng)晶體管的門電極。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，單晶半導(dǎo)體層86由III-V族化合物形成，并且半導(dǎo)體元件92是射頻放大器，它利用了III-V族材料的高遷移率特性。根據(jù)本發(fā)明的再一個實(shí)施方案，由線94示意性表示的電連接使元件78和92相互電連接。因此結(jié)構(gòu)72將利用了兩種單晶半導(dǎo)體材料獨(dú)特性能的元件集成在一起。
在圖6-18中通過更具體的實(shí)施例闡述了其它集成電路和系統(tǒng)。圖6的簡化方框圖說明了具有信號收發(fā)部件101、集成電路102、輸出單元103以及輸入單元104的通訊設(shè)備100。信號收發(fā)部件的示例包括天線、調(diào)制解調(diào)器或者用于將信息或數(shù)據(jù)發(fā)送給外部單元或從外部單元發(fā)出的其它部件。此處收發(fā)一詞表示可以與通訊設(shè)備之間只接收、只發(fā)送或同時接收和發(fā)送信號的信號收發(fā)部件。輸出單元103可以包括顯示器、監(jiān)視器、揚(yáng)聲器等。輸入單元可以包括麥克風(fēng)、鍵盤等。要注意的是，在該可選實(shí)施方案中，輸出單元103和輸入單元104可以由單個單元例如存儲器等來代替。存儲器可以包括隨機(jī)存取存儲器或非易失性存儲器，例如硬盤、閃存卡或模塊等。
集成電路通常是不可分離地結(jié)合在連續(xù)的襯底上或襯底中的至少兩個電路元件(例如晶體管、二極管、電阻、電容等)的組合。集成電路102包括一個化合物半導(dǎo)體部分1022、一個雙極部分1024以及一個MOS部分1026?；衔锇雽?dǎo)體部分1022包括至少部分形成在化合物半導(dǎo)體材料中的電氣元件。在化合物半導(dǎo)體部分1022中的晶體管和其它電氣元件能夠在至少約0.8GHz的射頻下處理信號。在另一個實(shí)施方案中，信號可以處于更低或更高的頻率。例如，某些材料例如砷化銦鎵，能夠在約27GHz的射頻處理信號。
化合物半導(dǎo)體部分1022還包括雙工器10222，射頻-基帶轉(zhuǎn)換器10224(解調(diào)部件或解調(diào)電路)、基帶-射頻轉(zhuǎn)換器10226(調(diào)制部件或調(diào)制電路)、功率放大器10228以及隔離器10229。雙極部分1024和MOS部分1026一般由IV族半導(dǎo)體材料形成。雙極部分1024包括接收放大器10242、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器10244、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器10246以及發(fā)送放大器10248。MOS部分1026包括數(shù)字信號處理部件10262。這種部件的示例包括任何在市場上可以獲得的普通DSP芯，例如數(shù)字信號處理器的MotorolaDSP566xx(來自Motorola，Incorporated ofSchaumburg，Illinois)以及德州儀器TMS320C54x(來自德克薩斯Dallas的德州儀器公司)系列。這種數(shù)字信號處理部件10262一般包括互補(bǔ)MOS(CMOS)晶體管以及模擬-數(shù)字和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器。顯然，在集成電路102中還有其它電氣元件。
在一種工作模式中，通訊設(shè)備100接收來自作為信號收發(fā)部件101一部分的天線的信號。該信號經(jīng)過雙工器10227被送至射頻-基帶轉(zhuǎn)換器10224。模擬數(shù)據(jù)或其它信息被接收放大器10224放大，并被傳送給數(shù)字信號處理部件10262。在數(shù)字信號處理部件10262處理了該信息或其它數(shù)據(jù)之后，將經(jīng)過處理的信息或其它數(shù)據(jù)傳送給輸出單元103。如果通訊設(shè)備是尋呼機(jī)，輸出單元可以是顯示器。如果通訊設(shè)備是手持電話，輸出單元103可以包括揚(yáng)聲器、顯示器或兩者都有。
數(shù)據(jù)或其它信息可以通過通訊設(shè)備100沿著相反方向傳送。數(shù)據(jù)或其它信息會進(jìn)入輸入單元104。在手持電話中，這會包括麥克風(fēng)或鍵盤。然后利用數(shù)字信號處理部件10262來處理該信息或其它數(shù)據(jù)。在處理之后，利用數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器10246轉(zhuǎn)換信號。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號被發(fā)送放大器10248放大。該被放大的信號由基帶-射頻轉(zhuǎn)換器10226調(diào)制，并進(jìn)一步由功率放大器10228放大。被放大的RF信號經(jīng)過隔離器10229和雙工器10222到達(dá)天線。
通訊設(shè)備100的現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施方案具有至少兩個獨(dú)立的集成電路一個用于化合物半導(dǎo)體部分1022，一個用于MOS部分1026。雙極部分1024可以在同一個集成電路上例如MOS部分1026上，或也還可以在另一個集成電路上。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，所有這三個部分可以在一個集成電路中形成。因?yàn)樗械木w管可以位于一個集成電路上，所以該通訊設(shè)備可以被顯著的小型化，并且使得通訊設(shè)備具有更大的便攜性。
現(xiàn)在描述如圖7-11所示的集成電路102示例部分的形成方法。在圖7中，p型摻雜的單晶硅襯底110設(shè)有化合物半導(dǎo)體部分1022、雙極部分1024以及MOS部分1026。在該雙極部分中，單晶硅襯底被摻雜以形成N+埋置區(qū)1102。然后在埋置區(qū)1102和襯底110上形成輕微p型摻雜的外延單晶硅層1104。然后進(jìn)行摻雜以在埋置區(qū)1102上形成輕微n型摻雜的漂移區(qū)1117。摻雜步驟將雙極區(qū)域1024的一部分內(nèi)的輕微p型摻雜的外延層的摻雜類型轉(zhuǎn)換為輕微n型摻雜的單晶硅區(qū)域。然后在雙極部分1024和MOS部分1026之間形成場隔離區(qū)1106。在MOS部分1026內(nèi)的外延層1104的一部分上形成柵極介質(zhì)層1110，然后在柵極介質(zhì)層1110上形成門電極1112。側(cè)壁隔離件1115沿著門電極1112和柵極介質(zhì)層1110的豎直側(cè)面形成。
在漂移區(qū)1117中導(dǎo)入p型摻雜劑，以形成活性(active)或本征基極區(qū)1114。然后在雙極部分1024中形成n型的深集電極區(qū)1108，從而使得能夠與埋置區(qū)1102電連接。進(jìn)行選擇性的n型摻雜以形成N+摻雜區(qū)1116以及發(fā)射極區(qū)1120。N+摻雜區(qū)1116在層1104中沿著門電極1112的相鄰側(cè)形成，并且是MOS晶體管的源、漏或源/漏區(qū)。N+摻雜區(qū)1116以及發(fā)射極區(qū)1120具有的摻雜濃度至少是1E19原子/立方厘米，從而使得能夠形成歐姆接觸。形成p型摻雜區(qū)以形成非活性或非本征基極區(qū)1118，該區(qū)域是p+摻雜區(qū)(摻雜濃度至少是1E19原子/立方厘米)。
在所述實(shí)施方案中，已經(jīng)進(jìn)行幾個處理步驟，但是不再說明或進(jìn)一步描述，例如形成阱區(qū)、閥值調(diào)整摻雜物、防止溝道穿通(channelpunch through)摻雜物、防止場穿通(field punch through)摻雜物、以及各種掩膜層。在該方法中至此的器件形成是采用常規(guī)的步驟。如前所述，在MOS區(qū)1026內(nèi)已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)的N溝道MOS晶體管，在雙極區(qū)1024中已經(jīng)形成豎直NPN雙極晶體管。就這一點(diǎn)而言，在化合物半導(dǎo)體部分1022中沒有形成電路。
現(xiàn)在，從化合物半導(dǎo)體部分1022的表面除去在集成電路的雙極和MOS部分的加工過程中已經(jīng)形成的所有層。這樣就為這個部分的后續(xù)處理提供了裸露的硅表面，例如按照上述方式。
然后如圖8所示在襯底110上形成調(diào)節(jié)緩沖層124。調(diào)節(jié)緩沖層會在在部分1022中適當(dāng)加工(即具有適當(dāng)?shù)哪０鍖?的裸露硅表面上形成為單晶層。但是在部分1024和1026之上形成的部分層124可以是多晶的或無定形的，因?yàn)樗纬稍诓皇菃尉У牟牧仙厦?，因此不會成單晶生長成核。調(diào)節(jié)緩沖層124通常是單晶金屬氧化物或氮化物層，一般的厚度大致為2-100納米。在一個具體實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)緩沖層的厚度大致為5-15納米。在調(diào)節(jié)緩沖層形成過程中，沿著集成電路102的最上面的硅表面形成無定形中間層122。該無定形中間層122通常包括有硅的氧化物并且厚度大致為1-5nm。在一個具體的實(shí)施方案中，該厚度大致為2nm。在調(diào)節(jié)緩沖層124和無定形中間層122形成之后，再形成模板層126，它的厚度大致為某種材料的1-10個單層。在一個具體的實(shí)施方案中，該材料包括鈦-砷、鍶-氧-砷、或其它類似的材料，如前參考圖1-5所述。
然后如圖9所示外延生長單晶化合物半導(dǎo)體層132，覆蓋調(diào)節(jié)緩沖層124的單晶部分。生長在不是單晶的部分層124上的部分層132可能是多晶的或無定形的。單晶化合物半導(dǎo)體層可以采用多種方法來形成，并且通常包括有例如砷化鎵、砷化鋁鎵、磷化銦或如前所述的其它化合物半導(dǎo)體材料的材料。該層的厚度大致為1-5000nm，更優(yōu)選為100-500nm。在該具體的實(shí)施方案中，模板層中的每種元素也存在于調(diào)節(jié)緩沖層124、單晶化合物半導(dǎo)體材料132或兩者之中。因此模板層126和它的兩個相鄰層之間的輪廓在加工過程中消失。因此當(dāng)拍攝透射電子顯微鏡(TEM)照片時，可以看見調(diào)節(jié)緩沖層124和單晶化合物半導(dǎo)體層132之間的界面。
此時，從覆蓋雙極區(qū)1024和MOS區(qū)126的部分除去化合物半導(dǎo)體層132和調(diào)節(jié)緩沖層24的一部分，如圖10所示。在該部分除去之后，在襯底110上形成絕緣層142。該絕緣層142可以包括多種材料，例如氧化物、氮化物、氧氮化物、低k介電材料等。此處使用的低k是介電常數(shù)不高于大致3.5的材料。在沉積了絕緣層142之后，將其拋光，從而除去覆蓋單晶化合物半導(dǎo)體層132的部分絕緣層142。
然后在單晶化合物半導(dǎo)體部分1022內(nèi)形成晶體管144。然后在單晶化合物半導(dǎo)體層132上形成門電極148。然后在單晶化合物半導(dǎo)體層132內(nèi)形成摻雜區(qū)146。在這個實(shí)施方案中，晶體管144是金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。如果MESFET是n型MESFET，摻雜區(qū)146和單晶化合物半導(dǎo)體層132也是n型摻雜的。如果要形成p型MESFET，那么摻雜區(qū)146和單晶化合物半導(dǎo)體層132也具有相反的摻雜類型。較多摻雜(N+)的區(qū)146可以與單晶化合物半導(dǎo)體層132形成歐姆接觸。此時，集成電路中的有源器件就已經(jīng)形成。該具體的實(shí)施方案包括一個n型MESFET、一個豎直NPN雙極晶體管以及一個平面n通道MOS晶體管?？梢允褂迷S多其它類型的晶體管，包括P通道MOS晶體管、P型豎直雙極晶體管、p型MESFET以及縱向豎直和平面晶體管的結(jié)合。而且可以在部分1022、1024和1026中的一個或多個部分中形成其它電氣元件，例如電阻、電容、二極管等。
繼續(xù)加工以形成基本完成的集成電路102，如圖11所示。在襯底110上形成絕緣層152。該絕緣層152可以包括停止蝕刻區(qū)(etch-stopregion)和停止拋光區(qū)(polish-stop region)，這些在圖11中沒有顯示。然后在第一絕緣層152上形成第二絕緣層154。除去部分層154、152、142、124以及122以形成用來使這些器件相互連接的接點(diǎn)開口。在絕緣層154中形成互聯(lián)溝槽，以提供接觸點(diǎn)之間的橫向連接。如圖11所示，互聯(lián)1562將部分1022內(nèi)的n型MESFET的源區(qū)或漏區(qū)連接至雙極部分1024內(nèi)的NPN晶體管的深集電極區(qū)1108。NPN晶體管的發(fā)射極區(qū)1120連接在MOS部分1026內(nèi)的n通道MOS晶體管的摻雜區(qū)1116之一上。其它摻雜區(qū)1116與集成電路沒有示出的其它部分電連接。
在互聯(lián)件1562、1564和1566以及絕緣層154上形成鈍化層156。還有其它電連接到如圖所示的晶體管和集成電路102內(nèi)其它電學(xué)和電子元件，但圖中未示出。另外，如果需要可以形成附加絕緣層和互聯(lián)件，以在集成電路102內(nèi)各種元件之間形成適當(dāng)?shù)幕ヂ?lián)。
從前面的實(shí)施方案中可以看出，用于化合物半導(dǎo)體和IV族半導(dǎo)體材料的有源器件可以被集成在一個集成電路中。因?yàn)樵趯㈦p極晶體管和MOS晶體管兩者結(jié)合進(jìn)同一個集成電路中存在一些困難，所以可以將雙極部分內(nèi)的一些元件移進(jìn)化合物半導(dǎo)體部分1022或MOS部分1024中。更具體地說，如圖6所示的實(shí)施方案，放大器10248和10242可以移到化合物半導(dǎo)體部分1022，轉(zhuǎn)換器10244和10246可以移動到MOS部分1026。因此，可以取消只用于制造雙極晶體管的特定制造步驟。因此集成電路只有化合物半導(dǎo)體部分和MOS部分。
在再一個實(shí)施方案中，可以形成這樣的集成電路，使得它在化合物半導(dǎo)體部分包括光學(xué)激光器，并包括連接至同一個集成電路的IV族半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的MOS晶體管的光學(xué)互聯(lián)(波導(dǎo))。圖12-18闡述了一個圖12是一部分集成電路160的截面圖，該集成電路包括單晶硅晶片161。與前文所述類似的無定形中間層162和調(diào)節(jié)緩沖層164形成在晶片161上。在該具體的實(shí)施方案中，首先要形成用于形成光學(xué)激光器的層，然后形成用于MOS晶體管的層。在圖12中，下反射鏡層(mirror layer)166包括化合物半導(dǎo)體材料的交替層。例如光學(xué)激光器內(nèi)的第一、第三和第五層膜可以包括例如砷化鎵的材料，而下反射鏡層166內(nèi)的第二、第四和第六層膜可以包括砷化鋁鎵的材料；或者反之。層168包括用于產(chǎn)生光子的活性區(qū)。上反射鏡層170以和下反射鏡層166類似的方式形成，并且包括化合物半導(dǎo)體材料的交替膜。在一個具體的實(shí)施方案中，上反射鏡層170可以是p型摻雜的化合物半導(dǎo)體材料，下反射鏡層166可以是n型摻雜的化合物半導(dǎo)體材料。
類似于調(diào)節(jié)緩沖層164的另一個調(diào)節(jié)緩沖層172形成在上反射鏡層170上。在一個替代實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)緩沖層164和172可以包括不同的材料。但是它們的功能基本相同，因?yàn)槊恳粋€用于在化合物半導(dǎo)體層和單晶IV族半導(dǎo)體層之間形成過渡。單晶IV族半導(dǎo)體層174在調(diào)節(jié)緩沖層172上形成。在一個具體的實(shí)施方案中，單晶IV族半導(dǎo)體層174包括鍺、鍺化硅(silicon germanium)、硅鍺碳化物等。
在圖13中，MOS部分被加工，以在該上單晶IV族半導(dǎo)體層174中形成電氣元件。如圖13所示，場隔離區(qū)171由一部分層174形成。在層174上形成門介電層173，在門介電層173上形成門電極175。摻雜區(qū)是用于晶體管181的源區(qū)、漏區(qū)或源/漏區(qū)，如圖所示。與門電極175的豎直側(cè)面相鄰形成側(cè)壁隔離件179?？梢栽谥辽俨糠謱?74中形成其它元件。這些其它元件包括其它的晶體管(n溝道或p溝道)、電容、晶體管、二極管等。
單晶IV族半導(dǎo)體層在摻雜區(qū)177之一上外延生長。上部184是P+摻雜的，下部182仍基本保持為本征的(未摻雜)，如圖13所示。可以采用選擇性外延方法形成該層。在一個實(shí)施方案中，在晶體管181和場隔離區(qū)171上形成絕緣層(未圖示)。將絕緣層形成圖案，以限定暴露摻雜區(qū)177之一的開口。至少在最初，不用摻雜劑來形成選擇性外延層。整個選擇性外延層可以是本征的，或可以在選擇性外延層的形成接近結(jié)束之時加入p型摻雜劑。如果選擇性外延層形成時是本征的，則通過注入或通過爐摻雜(furnace doping)來進(jìn)行摻雜步驟。不管P+上部184是如何形成的，然后除去絕緣層以形成如圖13所示的所得到的結(jié)構(gòu)。
進(jìn)行下一系列步驟來形成如圖14所示的光學(xué)激光器。在集成電路的化合物半導(dǎo)體部分之上除去場隔離區(qū)171和調(diào)節(jié)緩沖層172。進(jìn)行附加步驟以形成光學(xué)激光器180的上反射鏡層170和有源層168。上反射鏡層170和有源層168的側(cè)面基本是相連的。
形成接觸件186和188，用于分別形成與上反射鏡層170和有源層168的電連接，如圖14所示。接觸件186為環(huán)狀，以允許光(光子)穿過上反射鏡170進(jìn)入隨后形成的光波導(dǎo)內(nèi)。
然后形成絕緣層190，并使其形成圖案，從而形成延伸至接觸層和摻雜區(qū)177之一的光學(xué)開口，如圖15所示。絕緣材料可以是任何數(shù)量的不同材料，包括氧化物、氮化物、氧氮化物、低k介電材料或它們的任意組合。在形成了開口192之后，在開口內(nèi)形成折射率較高的材料202，以填充開口，并在絕緣層190之上沉積該層，如圖16所示。關(guān)于折射率較高的材料202，“較高”是相對于絕緣層190的材料而言(即材料202具有比絕緣層190更高的折射率)。可選的是，可以在形成較高折射率材料202之前形成相對較薄的折射率較低的膜(未示出)。然后在折射率較高的層202上形成硬掩膜層204。從覆蓋開口的部分至更靠近圖16側(cè)面的區(qū)域除去部分硬掩膜層204以及高折射率層202。
如圖17所示，完成作為光互聯(lián)件的光波導(dǎo)的形成的剩余部分。進(jìn)行沉積工序(可以是沉積-蝕刻工藝(dep-etch process))以有效地形成側(cè)壁部分212。在該實(shí)施方案中，側(cè)壁部分212由與材料202相同的材料形成。然后除去硬掩膜層204，在折射率較高的材料212和202以及絕緣層190的暴露部分上形成低折射率層214(相對于材料202和層212較低)。圖17中虛線表示高折射率材料202和212之間的邊界。這個標(biāo)記表示這兩個是由同樣的材料制成的，但是是在不同的時間形成的。
繼續(xù)進(jìn)行加工以形成基本完整的集成電路，如圖18所示。然后在光學(xué)激光器180和MOSFET晶體管181上形成鈍化層220。盡管沒有顯示出，但是其它電學(xué)或光學(xué)連接可以連接至集成電路中的元件上，但沒有在圖18中顯示出。這些互聯(lián)件包括其它光波導(dǎo)或可以包括金屬互聯(lián)件。
在其它的實(shí)施方案中，可以形成其它類型的激光器。例如另一種激光器可以水平地而不是豎直地發(fā)射光(光子)。如果光線水平地發(fā)射出，則可以在襯底161中形成MOSFET晶體管，并且可以重構(gòu)造光波導(dǎo)，從而使激光器與晶體管適當(dāng)?shù)剡B接(光學(xué)連接)。在一個具體的實(shí)施方案中，光波導(dǎo)可以包括至少一部分調(diào)節(jié)緩沖層。其它結(jié)構(gòu)也是可以的。
顯然這些具有化合物半導(dǎo)體部分和IV族半導(dǎo)體部分的集成電路實(shí)施方案是用來解釋本發(fā)明的實(shí)施方案的，而不是對本發(fā)明的限制。本發(fā)明可以有多種其它的結(jié)合和其它的實(shí)施方案。例如化合物半導(dǎo)體部分可以包括發(fā)光二極管、光電檢測器、二極管等，IV族半導(dǎo)體部分可以包括數(shù)字邏輯電路、存儲器陣列和可以在傳統(tǒng)的MOS集成電路中形成的大多數(shù)結(jié)構(gòu)。通過采用本發(fā)明的實(shí)施方案，可以簡單地將在化合物半導(dǎo)體材料中工作更好的設(shè)備與在IV族半導(dǎo)體材料中工作更好的其它元件集成在一起。這使得設(shè)備尺寸縮小，制造成本降低，生產(chǎn)率和可靠性提高。
盡管沒有說明，但是單晶IV族晶片可以被用于在晶片之上只形成化合物半導(dǎo)體電子元件。以這種方式，晶片基本是在覆蓋晶片的單晶化合物半導(dǎo)體層內(nèi)制造化合物半導(dǎo)體電子元件過程中使用的“處理(handle)”晶片。因此，電子元件可以在晶片上在III-V或II-VI族半導(dǎo)體材料中形成，直徑至少大致是200毫米，可以至少是300毫米。
通過使用這種類型的襯底，通過將化合物半導(dǎo)體晶片放置在相對較耐久并容易制造的基底材料上，相對廉價的“處理(handle)”晶片可以克服化合物半導(dǎo)體晶片的易碎特性。因此可以形成這樣的集成電路，使得所有的電氣元件、特別是所有的有源電子器件可以在化合物半導(dǎo)體材料中形成，即使該襯底本身可以包括IV族半導(dǎo)體材料。因?yàn)榕c相對較小的、更易碎的傳統(tǒng)化合物半導(dǎo)體晶片相比，可以更經(jīng)濟(jì)和更容易的加工較大的襯底，所以可以降低化合物半導(dǎo)體設(shè)備的制造成本。
在前述說明書中，本發(fā)明已經(jīng)參考特定實(shí)施方案進(jìn)行了說明。但是該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，在不脫離如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下可以作出各種改進(jìn)和變化。因此說明書和附圖被認(rèn)為是用于說明的，而不是進(jìn)行限制，所有這些改進(jìn)應(yīng)包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
上面已結(jié)合了具體實(shí)施例說明了本發(fā)明的好處、其它優(yōu)點(diǎn)和解決問題的方案。但是，這些好處、優(yōu)點(diǎn)、解決問題的方案以及可能引起任何好處、優(yōu)點(diǎn)或解決方案或使之變得更加顯著的任何要素都不能成為任何或全部權(quán)利要求的關(guān)鍵、必需或基本的特征或要素。此處使用的“包括”、“含有”或它們的任何其它形式的用語是指非排它性的包含，從而，包括一組要素的過程、方法、物品或設(shè)備不僅包括這些要素，而是可以包括沒有明確列出的或這些過程、方法、物品或設(shè)備固有的其它要素。
權(quán)利要求
1.一種包括有一種集成電路的通信裝置，其中所述集成電路包括調(diào)節(jié)緩沖層；覆蓋著所述調(diào)節(jié)緩沖層的化合物半導(dǎo)體部分，其中所述化合物半導(dǎo)體部分包括選自放大器、調(diào)制電路和解調(diào)電路的一個元件；IV族半導(dǎo)體部分，包括與所述元件相連的數(shù)字邏輯部分。
2.如權(quán)利要求1所述的通信裝置，其中所述化合物半導(dǎo)體部分具有相對于調(diào)節(jié)緩沖層的晶體取向旋轉(zhuǎn)大約45°的晶體取向。
3.如權(quán)利要求2所述的通信裝置，其中所述集成電路還包括位于化合物半導(dǎo)體部分下面的單晶IV族襯底；并且所述調(diào)節(jié)緩沖層具有相對于單晶IV族襯底的晶體取向旋轉(zhuǎn)大約45°的晶體取向。
4.如權(quán)利要求3所述的通信裝置，其中所述調(diào)節(jié)緩沖層以及所述化合物半導(dǎo)體部分具有不大于約2.0％的晶格失配，并且所述化合物半導(dǎo)體部分的厚度至少約為20nm。
5.如權(quán)利要求1所述的通信裝置，其中所述集成電路具有選自以下組特征的一個特征所述調(diào)節(jié)緩沖層具有相對于所述化合物半導(dǎo)體部分的晶體取向旋轉(zhuǎn)大約45°的晶體取向；所述調(diào)節(jié)緩沖層以及所述化合物半導(dǎo)體部分具有不大于約2.0％的晶格失配，并且所述化合物半導(dǎo)體部分的厚度至少約為20nm。
6.如權(quán)利要求所述的通信裝置，其中所述集成電路還包括位于單晶化合物半導(dǎo)體部分下面的單晶IV族襯底，其中所述調(diào)節(jié)緩沖層具有相對于所述單晶IV族襯底的晶體取向旋轉(zhuǎn)大約45°的晶體取向；所述調(diào)節(jié)緩沖層以及所述化合物半導(dǎo)體部分具有不大于約2.0％的晶格失配，并且所述化合物半導(dǎo)體部分的厚度至少約為20nm。
7.如權(quán)利要求1所述的集成電路，其中所述調(diào)節(jié)緩沖層以及所述化合物半導(dǎo)體部分具有不大于約2.0％的晶格失配，并且所述化合物半導(dǎo)體部分的厚度至少約為20nm。
8.一種通信裝置，包括信號收發(fā)裝置；集成電路，它包括具有與信號收發(fā)裝置相連的放大器的化合物半導(dǎo)體部分；具有與放大器相連的數(shù)字信號處理裝置的IV族半導(dǎo)體部分；以及與集成電路相連的單元。
9.如權(quán)利要求8所述的通信裝置，其中所述通信裝置包括便攜式電話。
10.如權(quán)利要求8所述的集成電路，其中所述通信裝置為蜂窩電話。
11.如權(quán)利要求8所述的通信裝置，其中所述IV族半導(dǎo)體部分包括選自數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器與所述單元相連。
12.如權(quán)利要求8所述的通信裝置，其中所述單元選自鍵盤、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、視頻顯示器和存儲器裝置。
13.如權(quán)利要求8所述的通信裝置，其中所述IV族半導(dǎo)體部分包括雙極部分和場效應(yīng)部分；并且所述雙極部分包括與數(shù)字信號處理裝置和放大器相連的信號調(diào)制裝置。
14.如權(quán)利要求8所述的通信裝置，其中所述化合物半導(dǎo)體部分還包括信號調(diào)制裝置。
15.如權(quán)利要求8所述的通信裝置，其中所述信號收發(fā)裝置包括天線；所述放大器為III-V族半導(dǎo)體功率放大器；所述集成電路包括一個雙極部分，該雙極部分具有連接到III-V族半導(dǎo)體功率放大器和數(shù)字信號處理裝置的射頻到中頻混合器；所述單元包括麥克風(fēng)；并且所述通信裝置還包括揚(yáng)聲器。
全文摘要
通過首先在硅晶片(22)上生長調(diào)節(jié)緩沖層(24)，可以生長化合物半導(dǎo)體材料的高質(zhì)量外延層，覆蓋大硅晶片。調(diào)節(jié)緩沖層是由氧化硅無定形中間層(28)與硅晶片分開的單晶氧化物層。無定形中間層消除應(yīng)變，并使得高質(zhì)量單晶氧化物調(diào)節(jié)緩沖層能夠生長。調(diào)節(jié)緩沖層與下伏硅晶片和上覆單晶化合物半導(dǎo)體層(26)均為晶格匹配。在調(diào)節(jié)緩沖層和下伏硅襯底之間的任何晶格失配由無定形界面層來處理。通信裝置(100)可以在單晶化合物半導(dǎo)體層和/或硅中制造。
文檔編號H01L21/8238GK1398429SQ01804798
公開日2003年2月19日 申請日期2001年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月10日
發(fā)明者珈瑪爾·拉丹尼, 拉文德蘭斯·德魯帕德, 林迪·L·西爾特, 科特·W·埃森貝瑟 申請人:摩托羅拉公司