[发明专利]新型平面器件结构的共振隧穿器件

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域和数字集成电路方面，具体地可划归为纳米电子器件及其集成技术研究领域，尤其涉及新型平面器件结构的共振隧穿器件(RTD)。

背景技术

目前半导体器件及其集成技术已经步入一个关键性时期，一方面以COMS为代表的集成技术按照摩尔定律不断地减少器件有源区尺寸，器件沟道长度已从亚微米级减小到几十个纳米级。若进一步减小沟道长度将会遇到各种极限的挑战，国际半导体技术发展路线图(International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS)已宣称COMS器件和工艺的按比例缩小将在2019年16nm技术节点(6nm物理沟长)以前结束。另一方面COMS技术趋于终止后，后COMS器件的候选者(或后COMS器件的继承者)至今尚未明确，竟连那些器件可能成为倾向性的器件都很难看出。

在单电子晶体管(SET)，量子点(QD)，碳纳米管(CNT)，分子电子器件(MED)等诸多后CMOS器件中，共振隧穿器件是最有希望的器件之一。它具有高频、高速、低功耗、负阻、双稳、自锁以及少量器件数目完成多种逻辑功能等特点。而且因为它与CMOS器件在工艺兼容性和参数匹配性方面比以上四种后CMOS器件处于更有利的地位，所以它是后CMOS器件最有力的竞争者之一。既然如此，为什么它至今尚未能被确定为后COMS器件的继承者呢？其中原因很多，但最主要的原因之一是RTD(共振隧穿器件)至今未能实现大规模集成化。而未能实现大规模集成化的一个主要原因是其本身的台面结构^[1]。因为制备台面必须经过腐蚀工艺，干法腐蚀因表面粗糙和造成晶格损伤，不常采用。而湿法的侧向腐蚀导致RTD的发射极面积A_E难以控制，而影响峰值电流I_P的精确值；台面的纵向位置由于温度对腐蚀速率的影响难以精确控制，影响器件参数；台面侧面裸露部分降低了器件的稳定性与可靠性；如果用Si₃N₄或SiO₂钝化则寄生电容较大，不利于阻性截止频率f_R的提高；各层的内联线存在高度差，影响联线的质量与可靠性。总之台面工艺复杂、重复性差、不利于大规模集成。

针对RTD台面结构存在的问题，有关人员开展了RTD平面器件的研究。平面器件结构的主要特点是器件的所有电极接触都位于芯片的上表面。这就需要将纵向器件的底部的电极通过纵向的电流通道引到顶层表面。该平面结构^[2]将器件分成左右两部分。利用较浅的硼(B⁺)注入(达到n⁺-GaAs层)分开。一侧的小截面部分为RTD的有源区；另一侧大截面部分因其面积大、电阻小，而用作RTD下端n⁺GaAs层到达上表面的电流通道。RTD的集电极从右侧上端电极(TiW)引出。整个器件被较深的质子(H⁺)注入(达到SI-GaAs衬底)进行电隔离(离子注入使GaAs变为非晶，近似为绝缘体)，然后沉积TiW和Al，形成接触电极。这种RTD平面结构虽然可以克服台面RTD存在的诸多问题，然而由于右侧纵向电流通道中DBS附近存在本征高阻层，导致器件的串联电阻R_S变大。随即引起开启电压V_T和峰值电压V_P增大，R_S变大还造成频率下降。总之，前期关于RTD平面器件结构的研究虽然避免了台面结构的缺点，但是所取得的结果并不理想，而引入了许多新的问题^[3]。此外还有人提出一种COMS/RTD的混合集成结构^[4]，虽然其参数实测结果还不错，但是其结构和制造工艺不仅复杂、成本也比较高，不适宜大规模集成。综上所述虽然共振隧穿器件是比较理想的一种后COMS器件的候选者，但是至今尚未能实现大规模集成化的一个重要原因就是它至今仍沿用着台面的器件结构。

发明内容