專利名稱：一種鍺隧穿二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速半導(dǎo)體器件和量子器件領(lǐng)域，具體是一種鍺隧穿二極管及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著摩爾定律漸近極限以及消費(fèi)的不斷升級，高速器件的制程方法已經(jīng)引起科研 院校和企業(yè)的高度重視。而鍺隧穿二極管具有電流密度大，工作速度快，獨(dú)特的微分負(fù)阻 特性，易于和目前硅工藝制作技術(shù)相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于RF射頻電路，高速振蕩 器，存儲器，多值邏輯電路等電路中。在不久的將來，高速電路的硅器件中就要加入鍺，或者 完全變成鍺，而其他元素砷化鎵等毒性很大，利用此元素制作高速器件成本很高，不利于普 及。目前國內(nèi)外各大公司都在開發(fā)鍺器件工藝制程，所以，鍺隧穿二極管器件是未來高速電 路的明星器件。在美國專利US6229153公布了一種采用GaAs/ALGaAs/InGaAs材料制備共振隧穿 二極管的方法。但是該方法造價高，又與當(dāng)前主流的硅工藝不兼容等問題，使其不易普及推 廣。國內(nèi)專利200410006243. 2和專利2006101472220. 2公布的隧穿二極管制備方法都是 用氣相外延生長法，這種方法材料成本貴，也不易普及推廣。利用氣相外延工藝在三五族化合物上生長帶寬略微不匹配的材料，以形成量子阱 促成電子隧穿。三五族化合物(例如GaAs)制備過程有毒性物質(zhì)，對制備的儀器及安全要 求高，造成制備成本過高。同時在以硅工藝為主的大規(guī)模集成工業(yè)制程中，因?yàn)槌杀竞图夹g(shù) 可容性問題，目前尚無法將三五族材料和工藝與主流硅工藝結(jié)合。這兩個缺點(diǎn)使得現(xiàn)有技 術(shù)只能應(yīng)用在軍事等特殊領(lǐng)域，無法大規(guī)模應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供 一種同類型中隧穿器件電流密度最高的的鍺隧穿二極管，同時提供一種成本低廉的鍺隧穿 二極管制備方法。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案—種鍺隧穿二極管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1 使用低摻雜鍺片為基片，采用旋涂摻雜法使基片摻雜為重?fù)诫sη型鍺片；步驟2 采用金屬淀積法用鋁覆蓋重?fù)诫sη型鍺片的中部；步驟3 光刻后以濕法蝕刻法形成臺地；步驟4 采用等離子體化學(xué)氣相沉積法沉積氮化鎵覆蓋臺地；步驟5 采用快速退火工藝，使鋁及表面的鍺溶解為液體，形成鋁鍺共镕液，上覆 氮化鎵作為微型坩堝使鋁鍺共镕液保持穩(wěn)定；步驟6 快速退火后冷卻，形成重?fù)诫sρ型鍺，與原重?fù)诫sη型鍺形成隧穿二極管。作為鍺隧穿二極管的制備方法的一種優(yōu)選的制備方法，快速退火工藝的溫度為500°C到700°C，鋁鍺共镕液高度為IOOnm到120nm。更進(jìn)一步的，快速退火工藝的溫度優(yōu)選為600°C，鋁鍺共镕液高度優(yōu)選為llOnm。作為本發(fā)明所述的鍺隧穿二極管的制備方法所制得的產(chǎn)品，一種鍺隧穿二極管， 包括自下而上依次迭置的重?fù)诫sη型鍺襯底、重?fù)诫sP型鍺層、鋁鍺合金層、氮化鎵化合物層。作為對鍺隧穿二極管產(chǎn)品的優(yōu)選，重?fù)诫sρ型鍺層高度為50nm-70nm。作為對鍺隧穿二極管產(chǎn)品的最佳選擇，重?fù)诫sρ型鍺層高度為60nm。本發(fā)明的制備方法基于鍺，不用氣相外延生長工藝，而是利用簡單的旋涂摻雜，以 及熔體快速生長液相外延法，使得隧穿二極管制成更均勻，實(shí)現(xiàn)的隧穿器件電流密度是同 類型里最高的。所以本發(fā)明的制備方法具有材料設(shè)備成本低，與現(xiàn)有硅工藝可兼容的優(yōu)點(diǎn)， 解決了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。制備過程所用的材料如鍺，旋涂摻雜，鋁成本都不高，無毒害。所 用儀器如等離子體化學(xué)氣相沉積和快速退火均廣泛用于工業(yè)界硅的大規(guī)模集成工業(yè)制造。鍺與硅屬于同一組中的周期表，所有的化學(xué)相似性，因此，本發(fā)明的制備方法也可 以用于硅。同時，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用該制備方法得到的鍺隧穿二極管，該隧穿二極管相 比現(xiàn)有的隧穿二極管更均勻，實(shí)現(xiàn)的隧穿器件電流密度是同類型里最高的。相似地，用本發(fā)明的制備方法得到的硅鍺隧穿二極管，也具有類似的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為鋁層覆蓋鍺片形成臺地時的示意圖；圖2為氮化鎵覆蓋臺地時的示意圖；圖3為形成鋁鍺共镕液時的示意圖；圖4為鍺隧穿二極管的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限于此。圖1到圖4分別是鍺隧穿二極管制備方法在不同步驟中的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明描述的制備方法，使用低摻雜鍺片(Ge)為基片，采用旋涂 摻雜法使基片摻雜為重?fù)诫sη型鍺片(n+Ge)；然后采用金屬淀積法用鋁(Al)覆蓋重?fù)诫sη 型鍺片的中部；光刻后以濕法蝕刻法形成臺地。鋁層的高度優(yōu)選為lOOnm，當(dāng)然，鋁層的高 度可以在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行波動，例如80nm到120nm之間也是可以的。旋涂是指基片垂直于自身表面的軸旋轉(zhuǎn)，同時把液態(tài)涂覆材料涂覆在基片上的工 藝。半導(dǎo)體之所以能廣泛應(yīng)用，憑借的就是其能借由在其晶格中植入雜質(zhì)改變其電性，這個 過程稱之為摻雜。摻雜進(jìn)入本質(zhì)半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度與極性皆會對半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性產(chǎn)生很 大的影響。通常摻雜濃度越高，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就會變得越好，原因是能進(jìn)入傳導(dǎo)帶的電子 數(shù)量會隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導(dǎo)體會因?yàn)閷?dǎo)電性接近金屬而被廣 泛應(yīng)用在今日的集成電路來取代部份金屬。高摻雜濃度通常會在η或是P后面附加一上標(biāo) 的“+”號。光刻是生產(chǎn)半導(dǎo)體元件時的一個工業(yè)步驟，該步驟將印在光掩膜上的外形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基質(zhì)的表面上。一般流程為，首先在基片上(本發(fā)明為鍺基片)覆上一層僅數(shù)納米厚 的金屬，然后在這層金屬上覆上一層光阻劑。這層光阻劑在光刻(一般是紫外線)后會變 硬。通過光掩膜只有在有些地方的光阻劑被光刻。光阻劑有不同的類型，有些對所有紫外 線光譜感光，有些只對一定的光譜感光，也有些對X射線或者對電子束感光。在硅芯片上涂 光阻劑的甩膠機(jī)。顯影后光阻劑被烘干。然后芯片被放入一個腐蝕金屬的溶劑中，采用濕 法蝕刻法來將不被光阻劑掩蓋的金屬腐蝕掉。然后使用另一種特殊的腐蝕液將烘干的光阻 劑去除掉，這樣在基質(zhì)表面上就留下了一層覆蓋了一定區(qū)域的金屬，形成臺地。如圖2所示，是采用等離子體化學(xué)氣相沉積法沉積氮化鎵(Si3N4)覆蓋臺地時的示 意圖。
化學(xué)氣相沉積(CVD)是半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術(shù)， 包括大范圍的絕緣材料，大多數(shù)金屬材料和金屬合金材料。原理是兩種或兩種以上的氣態(tài) 原材料導(dǎo)入到一個反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到 晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是由硅烷和氮反應(yīng)形成的。為了使化學(xué)反應(yīng)能在較 低的溫度下進(jìn)行，同時使得涂層均勻不剝落，可以利用等離子體的活性來促進(jìn)反應(yīng)，這就是 等離子體化學(xué)氣相沉積法。如圖3所示，是進(jìn)行步驟5時的示意圖，即采用快速退火工藝，使鋁及表面的鍺溶 解為液體，形成鋁鍺(AlGe)共镕液，上覆氮化鎵(Si3N4)作為微型坩堝使鋁鍺共镕液保持穩(wěn) 定。快速退火工藝的溫度優(yōu)選為500°C到700°C，鋁鍺共镕液高度優(yōu)選為IOOnm到120nm。 本發(fā)明的快速退火工藝的溫度優(yōu)選為600°C，鋁鍺共镕液高度優(yōu)選llOnm。這個步驟，采用 快速退火工藝后，利用熔體快速生長液相外延法，生成晶體。如圖4所示，是本發(fā)明的產(chǎn)物鍺隧穿二極管的示意圖，快速退火后冷卻，形成重?fù)?雜P型鍺(P+Ge)，與原重?fù)诫sη型鍺(n+Ge)形成隧穿二極管。以本發(fā)明所述的方法制備的隧穿二極管，可顯示明顯的微分負(fù)阻。更重要的是可 以達(dá)到峰值電流密度為120kA/cm2，是同類型的隧穿二極管(Esaki tunnel diode)中電流 密度中最高的。峰值電流密度已可和一些基于三五族的共振隧穿二極管相比或已超過。本 產(chǎn)品可以替代昂貴的基于三五族化合物的隧穿二極管應(yīng)用于高速模擬及數(shù)字邏輯電路。顯然上述實(shí)施例不是對本發(fā)明的限制，上述的一種鍺隧穿二極管及其制備方法還 可以有其他許多變化。例如本發(fā)明的制備方法基于鍺，但同樣可以基于硅，生產(chǎn)出硅隧穿二 極管。雖然已經(jīng)結(jié)合上述例子詳細(xì)討論了本發(fā)明，但應(yīng)該理解到業(yè)內(nèi)專業(yè)人士可以顯而易 見地想到的一些雷同，代替方案，均落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種鍺隧穿二極管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1使用低摻雜鍺片為基片，采用旋涂摻雜法使基片摻雜為重?fù)诫sn型鍺片；步驟2采用金屬淀積法用鋁覆蓋重?fù)诫sn型鍺片的中部；步驟3光刻后以濕法蝕刻法形成臺地；步驟4采用等離子體化學(xué)氣相沉積法沉積氮化鎵覆蓋臺地；步驟5采用快速退火工藝，使鋁及表面的鍺溶解為液體，形成鋁鍺共镕液，上覆氮化鎵作為微型坩堝使鋁鍺共镕液保持穩(wěn)定；步驟6快速退火后冷卻，形成重?fù)诫sp型鍺，與原重?fù)诫sn型鍺形成隧穿二極管。
2.一種應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的制備方法取得的鍺隧穿二極管，其特征在于，包括自 下而上依次迭置的重?fù)诫sn型鍺襯底、重?fù)诫sp型鍺層、鋁鍺合金層、氮化鎵化合物層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述快速退火工藝的溫度為500°C到 700°C，所述鋁鍺共镕液高度為lOOnm到120nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述快速退火工藝的溫度為600°C， 所述鋁鍺共镕液高度為llOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鍺隧穿二極管，其特征在于，所述重?fù)诫sP型鍺層高度為 50nm_70nmo
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鍺隧穿二極管，其特征在于，所述重?fù)诫sp型鍺層高度為 60nmo
全文摘要
本發(fā)明提供了一種材質(zhì)更均勻，實(shí)現(xiàn)的隧穿器件電流密度較高的鍺隧穿二極管及其制備方法，采用了簡單的旋涂摻雜、金屬淀積、等離子體化學(xué)氣相沉積、熔體快速生長液相外延等方法，提供一種成本低廉的鍺隧穿二極管制備方法。本發(fā)明的制備方法具有材料設(shè)備成本低，與現(xiàn)有硅工藝可兼容的優(yōu)點(diǎn)，制備過程所用的材料及方法成本低、無毒害，所用儀器及方法均廣泛用于工業(yè)界硅的大規(guī)模集成工業(yè)制造。
文檔編號H01L21/329GK101872723SQ20101018059
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者張瀅清, 趙云午, 趙嘉林, 鄭云華, 韓基東 申請人:無錫漢詠微電子有限公司