專利名稱：在碳化硅基襯底上獲得高速電學(xué)材料結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種在碳化硅基襯底上獲得高速電學(xué)材料結(jié)構(gòu)的方法。
磷化銦(InP)基化合物半導(dǎo)體材料超高速微電子材料是和光電子材料，在光通信和衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、空間能源有廣闊的應(yīng)用。目前，國(guó)際上采用納米柵技術(shù)已研制出最高震蕩頻率(fmax)達(dá)到600GHz的InP基高電子遷移率晶體管(HEMT)，InP基HEMT的截止頻率(f+)高達(dá)400GHz，此類器件成為工作速度最快的三端器件，InP基異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)的fmax也已達(dá)到250GHz，是下一代高速光通信系統(tǒng)發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)電路、接收模塊放大電路的理想器件。目前的InP基器件和電路成本極高，其主要因素之一是InP材料強(qiáng)度低，加工過(guò)程中碎片率高，嚴(yán)重影響了成品率，且由于材料導(dǎo)熱性不夠好，電路正面工藝完成后要做背面減薄，打通孔等工序，工藝難度大且易造成碎片。我國(guó)在80年代末就開(kāi)展了HEMT、贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)、HBT等各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的研制工作，目前已積累了大量器件與電路方面的經(jīng)驗(yàn)。提高器件與電路性能、降低生產(chǎn)成本是擺在我們面前的首要問(wèn)題。從材料結(jié)構(gòu)上解決InP基體系的固有問(wèn)題，將對(duì)該類器件和電路的實(shí)用化起到根本性的影響。
盡管InP基HBT和HEMT為器件與電路性能優(yōu)越，但價(jià)格一直過(guò)高。InP材料強(qiáng)度低，加工過(guò)程中碎片率高，，且材料導(dǎo)熱性不夠好，背面減薄、打通孔等工序工藝難度大且易造成碎片。究其原因，除原材料成本高外，工藝成品率低也是影響成本的主要因素。近年來(lái)器件和電路工作者在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝方面進(jìn)行了各種改進(jìn)，使得情況有所改善，但要從根本上解決問(wèn)題，必須從改善材料結(jié)構(gòu)入手，解決由于材料固有特性造成的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種在碳化硅基襯底上獲得高速電學(xué)材料結(jié)構(gòu)的方法，使碳化硅材料機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)良特性與磷化銦基化合物半導(dǎo)體材高頻、高速低、噪聲、低直流功耗的性能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到優(yōu)化器件與電路性能、提高成品率、降低成本、提高可靠性、增加使用壽命。
本發(fā)明一種在碳化硅基襯底上獲得高速電學(xué)材料結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括如下步驟1)取表面生長(zhǎng)有碳化硅單晶層的硅材料或碳化硅單晶材料，進(jìn)行清洗處理，作為高速器件結(jié)構(gòu)的外延的襯底；2)在碳化硅單晶外延層上生長(zhǎng)晶格漸變過(guò)渡層；3)進(jìn)行電學(xué)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)；4)利用獲得的材料制作器件或電路；5)器件或電路正面工藝結(jié)束后，將背面的硅去掉，以保證器件的良好散熱性能。
信息材料已由體材料發(fā)展到薄層、超薄層微結(jié)構(gòu)材料，并正向功能集成芯片和納米結(jié)構(gòu)材料方向發(fā)展。信息功能材料與體材料不同，它是近20年來(lái)才迅速發(fā)展起來(lái)的新型人工構(gòu)造材料。傳統(tǒng)的體材料因受自身固有的特征如晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)等限制，難以獲得人們所期望的電、光信息功能。信息功能材料是電路、器件和材料的有機(jī)融合，內(nèi)在地集信息功能、電子行態(tài)和材料結(jié)構(gòu)于一體。特定的信息功能源于特定的電子行態(tài)，形成于特定的材料結(jié)構(gòu)中。一旦某種信息功能材料結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完成，它的電子行態(tài)就已確定，并將顯示出某種器件與電路所具有的信息功能。信息功能材料是自然界不存在的一類人工設(shè)計(jì)生長(zhǎng)的微結(jié)構(gòu)材料，通常需要采用金屬氧化物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)，分子束外延(MBE)等現(xiàn)代最先進(jìn)的外延生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。預(yù)計(jì)21世紀(jì)前期，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子結(jié)構(gòu)材料仍將是信息功能材料研發(fā)的主流。奇特的低維量子效應(yīng)、豐富的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程等深層次的物理和化學(xué)現(xiàn)象為各類信息功能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和人工剪裁提供了一個(gè)廣闊的想象空間，使得信息功能材料成為一個(gè)科學(xué)內(nèi)涵極豐富、創(chuàng)新性極強(qiáng)、應(yīng)用前景極廣闊、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益巨大的領(lǐng)域，極有可能觸發(fā)新的信息技術(shù)革命。目前國(guó)際上信息功能材料的研究已取得突破性進(jìn)展，IBM公司已于2001年宣布在硅(Si)基襯底上成功類似鋁鎵砷/銦鎵砷高電子遷移率晶體管(AlGaAs/InGaAsHEMT)材料結(jié)構(gòu)。我國(guó)在大失配結(jié)構(gòu)信息功能材料研究方面也取得了可喜的成果。例如中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在Si基襯底上成功生長(zhǎng)出單晶3C-SiC材料。在技術(shù)上已消除了SiC基襯底上生長(zhǎng)InAlAs/InGaAs HEMT或HBT結(jié)構(gòu)材料的壁壘。
本發(fā)明的技術(shù)方案(具體實(shí)施方式
)基本材料結(jié)構(gòu)兩種，見(jiàn)附表(1)和附表(2)。
表(1)是利用單晶硅(Si)上外延生長(zhǎng)后得到的碳化硅SiC單晶作為襯底層，在上面生長(zhǎng)所需的目標(biāo)材料結(jié)構(gòu)。生長(zhǎng)順序如下1、在硅單晶材料上，用外延方法生長(zhǎng)出一定厚度的碳化硅單晶層，并以此作為高速器件結(jié)構(gòu)的外延的襯底。
2、在碳化硅單晶外延層上生長(zhǎng)晶格漸變過(guò)渡層。通常單晶碳化硅的晶格常數(shù)是4.38埃，砷化鎵是5.6埃，磷化銦是5.86埃，要完成從小晶格常數(shù)的晶體襯底到大晶格常數(shù)外延層的過(guò)渡，必須解決晶格失陪引起的應(yīng)力、位錯(cuò)等問(wèn)題，要對(duì)此過(guò)渡層材料組分和厚度進(jìn)行優(yōu)化，以保證獲得結(jié)構(gòu)完好的電學(xué)結(jié)構(gòu)。
3、進(jìn)行所需電學(xué)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。根據(jù)器件和電路的要求，生長(zhǎng)出各功能層。以單面平面摻雜高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)為例，在晶格漸變過(guò)渡層上，生長(zhǎng)一層緩沖層，例如銦鋁砷三元化合物晶體，進(jìn)一步阻擋缺陷、吸收應(yīng)力。在緩沖層上面生長(zhǎng)溝道層，例如銦鎵砷三元化合物晶體，其厚度一般只有幾十納米，在此薄層結(jié)構(gòu)中，可形成二維電子氣，由于溝道與上下層間能帶的不連續(xù)，溝道區(qū)形成勢(shì)井，電子遷移率和濃度都能達(dá)到很高。溝道層上生長(zhǎng)阻擋層，阻擋摻雜區(qū)電離雜質(zhì)對(duì)溝道電子的散射，例如用幾納米銦鋁砷三元化合物。阻擋層生長(zhǎng)平面摻雜層，提供溝道導(dǎo)電用電子，例如用硅做平面摻雜層。平面摻雜層之上生長(zhǎng)肖特基勢(shì)壘層，用于制作金屬柵間的肖特級(jí)結(jié)例如用銦鋁砷三元化合物。勢(shì)壘層上生長(zhǎng)帽層，用于制作歐姆接觸，例如用銦鎵砷三元化合物。
4、利用獲得的材料制作器件或電路。
5、器件或電路正面工藝結(jié)束后，將背面的Si去掉，以保證器件的良好散熱性能。
表(2)是利用單晶碳化硅(SiC)單晶作為目標(biāo)材料結(jié)構(gòu)的襯底，由于SiC具有機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐高溫、抗輻射、耐高壓等的優(yōu)良特性，此方法生長(zhǎng)的材料價(jià)格適合于可靠性要求高、應(yīng)用環(huán)境特殊的領(lǐng)域，生長(zhǎng)順序如下1)用碳化硅單晶材料襯底，外延前對(duì)襯底材料進(jìn)行清潔處理，待用。
2)在碳化硅單晶外延層上生長(zhǎng)晶格漸變過(guò)渡層，要完成從小晶格常數(shù)的晶體襯底到大晶格常數(shù)外延層的過(guò)渡，解決晶格失陪引起的應(yīng)力、位錯(cuò)等問(wèn)題，優(yōu)化過(guò)渡層材料組分和厚度，保證獲得結(jié)構(gòu)完好的電學(xué)結(jié)構(gòu)。
3)進(jìn)行所需電學(xué)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。根據(jù)器件和電路的要求，生長(zhǎng)出各功能層。以單面平面摻雜高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)為例，在晶格漸變過(guò)渡層上，生長(zhǎng)一層緩沖層，例如銦鋁砷三元化合物晶體，進(jìn)一步阻擋缺陷、吸收應(yīng)力。在緩沖層上面生長(zhǎng)溝道層，例如銦鎵砷三元化合物晶體，其厚度一般只有幾十納米，在此薄層結(jié)構(gòu)中，可形成二維電子氣，由于溝道與上下層間能帶的不連續(xù)，溝道區(qū)形成勢(shì)井，電子遷移率和濃度都能達(dá)到很高。溝道層上生長(zhǎng)阻擋層，阻擋摻雜區(qū)電離雜質(zhì)對(duì)溝道電子的散射，例如用幾納米銦鋁砷三元化合物。阻擋層生長(zhǎng)平面摻雜層，提供溝道導(dǎo)電用電子，例如用硅做平面摻雜層。平面摻雜層之上生長(zhǎng)肖特基勢(shì)壘層，用于制作金屬柵間的肖特級(jí)結(jié)例如用銦鋁砷三元化合物。勢(shì)壘層可生長(zhǎng)腐蝕截止層，用于控制柵槽腐蝕深度，之后生長(zhǎng)帽層，用于制作歐姆接觸，例如用銦鎵砷三元化合物。
4)制作器件或電路。
本發(fā)明有益的效果用本方法生長(zhǎng)的材料結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)由于碳化硅材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等的優(yōu)良特性，以單晶碳化硅為襯底生長(zhǎng)的此類微電子或光電子材料，例如類似InP基PHEMT或HBT結(jié)構(gòu)外延材料，強(qiáng)度高，工藝加工成品率高，制成的器件和電路散熱性好，使用穩(wěn)定。從根本上避免了在InP或GaAs襯底上生長(zhǎng)的外延結(jié)構(gòu)易碎、導(dǎo)熱不好、不耐高溫等問(wèn)題。
(2)InP基PHEMT或HBT器件與電路的高頻、高速、低噪聲、低直流功耗等的性能得以保留，在改善生長(zhǎng)條件、完善外延層質(zhì)量的前提下，結(jié)合現(xiàn)有的微電子技術(shù)成果，使高頻、高速、低噪聲、低直流功耗器件與電路降成本、高可靠成為現(xiàn)實(shí)。
表1材料結(jié)構(gòu)舉例(1)

注表格中各層生長(zhǎng)順序?yàn)橛上轮辽稀?br> 表2材料結(jié)構(gòu)舉例(2)

注表格中各層生長(zhǎng)順序?yàn)橛上轮辽稀?br> 權(quán)利要求
1.一種在碳化硅基襯底上獲得高速電學(xué)材料結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括如下步驟1)取表面生長(zhǎng)有碳化硅單晶層的硅材料或碳化硅單晶材料，進(jìn)行清洗處理，作為高速器件結(jié)構(gòu)的外延的襯底；2)在碳化硅單晶外延層上生長(zhǎng)晶格漸變過(guò)渡層；3)進(jìn)行電學(xué)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)；4)利用獲得的材料制作器件或電路；5)器件或電路正面工藝結(jié)束后，將背面的硅去掉，以保證器件的良好散熱性能。
全文摘要
本發(fā)明一種在碳化硅基襯底上獲得高速電學(xué)材料結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟1)取表面生長(zhǎng)有碳化硅單晶層的硅材料或碳化硅單晶材料，進(jìn)行清洗處理，作為高速器件結(jié)構(gòu)的外延的襯底；2)在碳化硅單晶外延層上生長(zhǎng)晶格漸變過(guò)渡層；3)進(jìn)行電學(xué)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)；4)利用獲得的材料制作器件或電路；5)器件或電路正面工藝結(jié)束后，將背面的硅去掉，以保證器件的良好散熱性能。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1459822SQ02119900
公開(kāi)日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2002年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者張海英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子中心