专利名称：一种锗隧穿二极管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及高速半导体器件和量子器件领域，具体是一种锗隧穿二极管及其制备方法。
背景技术：
随着摩尔定律渐近极限以及消费的不断升级，高速器件的制程方法已经引起科研 院校和企业的高度重视。而锗隧穿二极管具有电流密度大，工作速度快，独特的微分负阻 特性，易于和目前硅工艺制作技术相结合等优点，可以广泛应用于RF射频电路，高速振荡 器，存储器，多值逻辑电路等电路中。在不久的将来，高速电路的硅器件中就要加入锗，或者 完全变成锗，而其他元素砷化镓等毒性很大，利用此元素制作高速器件成本很高，不利于普 及。目前国内外各大公司都在开发锗器件工艺制程，所以，锗隧穿二极管器件是未来高速电 路的明星器件。在美国专利US6229153公布了一种采用GaAs/ALGaAs/InGaAs材料制备共振隧穿 二极管的方法。但是该方法造价高，又与当前主流的硅工艺不兼容等问题，使其不易普及推 广。国内专利200410006243. 2和专利2006101472220. 2公布的隧穿二极管制备方法都是 用气相外延生长法，这种方法材料成本贵，也不易普及推广。利用气相外延工艺在三五族化合物上生长带宽略微不匹配的材料，以形成量子阱 促成电子隧穿。三五族化合物(例如GaAs)制备过程有毒性物质，对制备的仪器及安全要 求高，造成制备成本过高。同时在以硅工艺为主的大规模集成工业制程中，因为成本和技术 可容性问题，目前尚无法将三五族材料和工艺与主流硅工艺结合。这两个缺点使得现有技 术只能应用在军事等特殊领域，无法大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，克服上述现有技术的不足，提供 一种同类型中隧穿器件电流密度最高的的锗隧穿二极管，同时提供一种成本低廉的锗隧穿 二极管制备方法。为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案—种锗隧穿二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1 使用低掺杂锗片为基片，采用旋涂掺杂法使基片掺杂为重掺杂η型锗片；步骤2 采用金属淀积法用铝覆盖重掺杂η型锗片的中部；步骤3 光刻后以湿法蚀刻法形成台地；步骤4 采用等离子体化学气相沉积法沉积氮化镓覆盖台地；步骤5 采用快速退火工艺，使铝及表面的锗溶解为液体，形成铝锗共镕液，上覆 氮化镓作为微型坩埚使铝锗共镕液保持稳定；步骤6 快速退火后冷却，形成重掺杂ρ型锗，与原重掺杂η型锗形成隧穿二极管。作为锗隧穿二极管的制备方法的一种优选的制备方法，快速退火工艺的温度为500°C到700°C，铝锗共镕液高度为IOOnm到120nm。更进一步的，快速退火工艺的温度优选为600°C，铝锗共镕液高度优选为llOnm。作为本发明所述的锗隧穿二极管的制备方法所制得的产品，一种锗隧穿二极管， 包括自下而上依次迭置的重掺杂η型锗衬底、重掺杂P型锗层、铝锗合金层、氮化镓化合物层。作为对锗隧穿二极管产品的优选，重掺杂ρ型锗层高度为50nm-70nm。作为对锗隧穿二极管产品的最佳选择，重掺杂ρ型锗层高度为60nm。本发明的制备方法基于锗，不用气相外延生长工艺，而是利用简单的旋涂掺杂，以 及熔体快速生长液相外延法，使得隧穿二极管制成更均勻，实现的隧穿器件电流密度是同 类型里最高的。所以本发明的制备方法具有材料设备成本低，与现有硅工艺可兼容的优点， 解决了现有技术的缺点。制备过程所用的材料如锗，旋涂掺杂，铝成本都不高，无毒害。所 用仪器如等离子体化学气相沉积和快速退火均广泛用于工业界硅的大规模集成工业制造。锗与硅属于同一组中的周期表，所有的化学相似性，因此，本发明的制备方法也可 以用于硅。同时，本发明提供了一种应用该制备方法得到的锗隧穿二极管，该隧穿二极管相 比现有的隧穿二极管更均勻，实现的隧穿器件电流密度是同类型里最高的。相似地，用本发明的制备方法得到的硅锗隧穿二极管，也具有类似的优点。
图1为铝层覆盖锗片形成台地时的示意图；图2为氮化镓覆盖台地时的示意图；图3为形成铝锗共镕液时的示意图；图4为锗隧穿二极管的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明，但不限于此。图1到图4分别是锗隧穿二极管制备方法在不同步骤中的结构示意图。如图1所示，根据本发明描述的制备方法，使用低掺杂锗片(Ge)为基片，采用旋涂 掺杂法使基片掺杂为重掺杂η型锗片(n+Ge)；然后采用金属淀积法用铝(Al)覆盖重掺杂η 型锗片的中部；光刻后以湿法蚀刻法形成台地。铝层的高度优选为lOOnm，当然，铝层的高 度可以在一定的范围内进行波动，例如80nm到120nm之间也是可以的。旋涂是指基片垂直于自身表面的轴旋转，同时把液态涂覆材料涂覆在基片上的工 艺。半导体之所以能广泛应用，凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性，这个 过程称之为掺杂。掺杂进入本质半导体的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很 大的影响。通常掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入传导带的电子 数量会随着掺杂浓度提高而增加。掺杂浓度非常高的半导体会因为导电性接近金属而被广 泛应用在今日的集成电路来取代部份金属。高掺杂浓度通常会在η或是P后面附加一上标 的“+”号。光刻是生产半导体元件时的一个工业步骤，该步骤将印在光掩膜上的外形结构转移到基质的表面上。一般流程为，首先在基片上(本发明为锗基片)覆上一层仅数纳米厚 的金属，然后在这层金属上覆上一层光阻剂。这层光阻剂在光刻(一般是紫外线)后会变 硬。通过光掩膜只有在有些地方的光阻剂被光刻。光阻剂有不同的类型，有些对所有紫外 线光谱感光，有些只对一定的光谱感光，也有些对X射线或者对电子束感光。在硅芯片上涂 光阻剂的甩胶机。显影后光阻剂被烘干。然后芯片被放入一个腐蚀金属的溶剂中，采用湿 法蚀刻法来将不被光阻剂掩盖的金属腐蚀掉。然后使用另一种特殊的腐蚀液将烘干的光阻 剂去除掉，这样在基质表面上就留下了一层覆盖了一定区域的金属，形成台地。如图2所示，是采用等离子体化学气相沉积法沉积氮化镓(Si3N4)覆盖台地时的示 意图。
化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术， 包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。原理是两种或两种以上的气态 原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到 晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是由硅烷和氮反应形成的。为了使化学反应能在较 低的温度下进行，同时使得涂层均勻不剥落，可以利用等离子体的活性来促进反应，这就是 等离子体化学气相沉积法。如图3所示，是进行步骤5时的示意图，即采用快速退火工艺，使铝及表面的锗溶 解为液体，形成铝锗(AlGe)共镕液，上覆氮化镓(Si3N4)作为微型坩埚使铝锗共镕液保持稳 定。快速退火工艺的温度优选为500°C到700°C，铝锗共镕液高度优选为IOOnm到120nm。 本发明的快速退火工艺的温度优选为600°C，铝锗共镕液高度优选llOnm。这个步骤，采用 快速退火工艺后，利用熔体快速生长液相外延法，生成晶体。如图4所示，是本发明的产物锗隧穿二极管的示意图，快速退火后冷却，形成重掺 杂P型锗(P+Ge)，与原重掺杂η型锗(n+Ge)形成隧穿二极管。以本发明所述的方法制备的隧穿二极管，可显示明显的微分负阻。更重要的是可 以达到峰值电流密度为120kA/cm2，是同类型的隧穿二极管(Esaki tunnel diode)中电流 密度中最高的。峰值电流密度已可和一些基于三五族的共振隧穿二极管相比或已超过。本 产品可以替代昂贵的基于三五族化合物的隧穿二极管应用于高速模拟及数字逻辑电路。显然上述实施例不是对本发明的限制，上述的一种锗隧穿二极管及其制备方法还 可以有其他许多变化。例如本发明的制备方法基于锗，但同样可以基于硅，生产出硅隧穿二 极管。虽然已经结合上述例子详细讨论了本发明，但应该理解到业内专业人士可以显而易 见地想到的一些雷同，代替方案，均落入本发明权利要求所限定的保护范围之内。
权利要求
一种锗隧穿二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1使用低掺杂锗片为基片，采用旋涂掺杂法使基片掺杂为重掺杂n型锗片；步骤2采用金属淀积法用铝覆盖重掺杂n型锗片的中部；步骤3光刻后以湿法蚀刻法形成台地；步骤4采用等离子体化学气相沉积法沉积氮化镓覆盖台地；步骤5采用快速退火工艺，使铝及表面的锗溶解为液体，形成铝锗共镕液，上覆氮化镓作为微型坩埚使铝锗共镕液保持稳定；步骤6快速退火后冷却，形成重掺杂p型锗，与原重掺杂n型锗形成隧穿二极管。
2.一种应用如权利要求1所述的制备方法取得的锗隧穿二极管，其特征在于，包括自 下而上依次迭置的重掺杂n型锗衬底、重掺杂p型锗层、铝锗合金层、氮化镓化合物层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述快速退火工艺的温度为500°C到 700°C，所述铝锗共镕液高度为lOOnm到120nm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述快速退火工艺的温度为600°C， 所述铝锗共镕液高度为llOnm。
5.根据权利要求2所述的锗隧穿二极管，其特征在于，所述重掺杂P型锗层高度为 50nm_70nmo
6.根据权利要求5所述的锗隧穿二极管，其特征在于，所述重掺杂p型锗层高度为 60nmo
全文摘要
本发明提供了一种材质更均匀，实现的隧穿器件电流密度较高的锗隧穿二极管及其制备方法，采用了简单的旋涂掺杂、金属淀积、等离子体化学气相沉积、熔体快速生长液相外延等方法，提供一种成本低廉的锗隧穿二极管制备方法。本发明的制备方法具有材料设备成本低，与现有硅工艺可兼容的优点，制备过程所用的材料及方法成本低、无毒害，所用仪器及方法均广泛用于工业界硅的大规模集成工业制造。
文档编号H01L21/329GK101872723SQ20101018059
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者张滢清, 赵云午, 赵嘉林, 郑云华, 韩基东 申请人:无锡汉咏微电子有限公司