高速度與低功耗一直是電路設(shè)計(jì)者永不停止追求的目標(biāo)。在過去幾十年的時(shí)間里，人們一直通過器件特征尺寸的縮小實(shí)現(xiàn)電路性能的改善以及功耗的降低。但隨著尺寸向超深亞微米、納米尺度靠近，量子效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)并占據(jù)主導(dǎo)地位，一些諸如金屬互連、電流隧穿以及功耗等問題日益突出，將極大阻礙其向前發(fā)展的進(jìn)程。
共振隧穿二極管（RTD）是一種基于電子共振隧穿通過雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)的量子傳輸器件，屬于納米電子范疇。作為率先實(shí)用化以及當(dāng)前發(fā)展最為成熟的納米電子器件，RTD基電路與傳統(tǒng)電路相比最主要的優(yōu)點(diǎn)包括：一是它所具有的、多重穩(wěn)態(tài)特性可以用來制作出十分緊湊的電路，具有簡(jiǎn)化電路的功能;二是它的本征速度可進(jìn)入吉赫范疇，實(shí)際器件開關(guān)時(shí)間達(dá)到1.5ps;三是在低功耗電路，尤其是存儲(chǔ)器應(yīng)用方面與GaAs和CMOS技術(shù)相比都具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。
另外利用MOBILE電路所特有的自鎖存特性，并在其基礎(chǔ)上發(fā)展形成的新功能邏輯有力地推動(dòng)了RTD基集成電路的發(fā)展，使其在數(shù)字電路、混合電路以及光電集成電路等方面應(yīng)用上占據(jù)著越來越重要的地位。
1 RTD單片集成工藝
由于RTD屬于兩端器件，不能實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)制，因此在形成電路時(shí)需要與三端器件相結(jié)合。下面就比較典型的RTD與III2V族化合物半導(dǎo)體器件高電子遷移率晶體管（HEMT），異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）與硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件的工藝集成進(jìn)行分別介紹。1.1 RTD與HEMT的集成在實(shí)際電路應(yīng)用中與RTD集成最多的器件就是HEMT，其所形成的電路不僅保持了高頻率、低噪聲和低功耗的特點(diǎn)，而且大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，減小了芯片面積。RTD器件主要制作在HEMT的源區(qū)或漏區(qū)，這樣易形成串聯(lián)或并聯(lián)的形式，可以簡(jiǎn)化工藝，提高集成度。材料結(jié)構(gòu)是在半絕緣的GaAs或InP襯底上，采用分子束外延（MBE）的方法依次生長(zhǎng)HEMT層結(jié)構(gòu)，中間阻擋層和RTD結(jié)構(gòu)，這樣排列的主要目的是為防止HEMT結(jié)構(gòu)下出現(xiàn)摻雜層而影響器件的高頻性能。工藝流程可簡(jiǎn)單的歸納為：RTD臺(tái)面的形成-器件隔離-HEMT源漏電極的形成-柵槽的腐蝕及柵電極制作-電極互連等步驟。
引入中間阻擋層的目的有兩個(gè)：一是起到阻擋停止的作用，這同時(shí)要求腐蝕液對(duì)兩種材料具有高的腐蝕選擇比。二是可以起到提高表面均勻性的目的，后者對(duì)HEMT器件的一致性以及大規(guī)模電路的集成起著更為重要的作用。除此集成技術(shù)之外，C.L.Chen等人［2］提出了RTD與HEMT的平面集成技術(shù)。它引入離子注入技術(shù)與自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)取代傳統(tǒng)的深臺(tái)面腐蝕技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)RTD與HEMT的平面集成。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是均勻性得到提高，適合大批量的生產(chǎn)。同時(shí)由于兩個(gè)器件位于同一平面，易于后道金屬互連工藝的實(shí)現(xiàn)。主要的缺點(diǎn)是額外的注入工藝使得復(fù)雜程度增加，增加了成本，而且芯片面積也較前者有所增加。
圖1（a）是一個(gè)以InP為襯底的RTD2HEMT結(jié)構(gòu)示意圖［3］。RTD與HEMT相串聯(lián)形成一個(gè)三端的器件單元，通過HEMT柵極輸入電平的高低來調(diào)節(jié)整個(gè)單元電流的大小，其最大值僅由RTD的峰值電流決定，而與柵壓無關(guān)。具體工作原理是當(dāng)HEMT的源漏電流小于RTD的峰值電流時(shí)，電路不滿足發(fā)生共振隧穿的條件，源漏電流表現(xiàn)為HEMT的飽和輸出特性曲線。而隨著柵壓的增加當(dāng)源漏電流大于RTD峰值電流時(shí)，共振隧穿發(fā)生，輸出電流表現(xiàn)為具有負(fù)阻特性的RTD曲線。此時(shí)如進(jìn)一步增加?xùn)艍?，RTD將扮演了一個(gè)電流限制器件的作用，輸出的峰值電流并不發(fā)生改變，如圖1（b）所示。
圖1 RTD2HDMT結(jié)構(gòu)圖及輸出I2V曲線
圖2是Raytheon公司在3inInP襯底上制作的集成500個(gè)RTD的大規(guī)模高速混合信號(hào)電路，它很好地將RTD器件的不一致性控制在3%以內(nèi)。電路采用0.25μm的RTD2HEMT技術(shù)，采用三層金屬互連工藝，共十塊掩模板制作出了RTD，HEMT，肖特基二極管，電阻以及電容等元件，實(shí)現(xiàn)包括十階2.5GHz的移位寄存器，6.5GHz的時(shí)鐘發(fā)生器，多值到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換器等多種功能邏輯。圖2（b）所示空氣橋的引入既起到互連電極的基本作用，又可以降低RTD的寄生電容，消除邊緣效應(yīng)，獲得良好的高頻特性，適用于超高速電路的制作
圖2 RTD與HEMT集成電路的掃描電鏡俯視圖及剖面圖
1.2 RTD與HBT集成
與HEMT不同，HBT屬于受電流調(diào)控的增強(qiáng)型器件。RTD與HBT的集成［526］，相對(duì)普通HBT工藝，增加了兩步：一是RTD臺(tái)面的刻蝕。RTD以外的區(qū)域先刻蝕到InP阻擋層，然后刻蝕到HBT發(fā)射極帽層，從這點(diǎn)開始，進(jìn)行HBT工藝，HBT發(fā)射極金屬同時(shí)作為HBT發(fā)射極接觸和RTD頂部接觸。發(fā)射極和RTD頂部接觸被刻蝕，沉積HBT基極金屬，基極金屬同時(shí)接觸HBT基極層和RTD底層。二是最后器件的平面化和互連。在HBT集成電路工藝中，聚酰亞胺涂覆于晶片，刻蝕出發(fā)射極金屬。在RTD與HBT集成工藝中，由于器件的頂部接觸是非平面的，開發(fā)了兩步的聚酰亞胺反刻工藝。第一次反刻止于HBT發(fā)射極金屬暴露之前，這時(shí)只暴露出RTD的頂部接觸。第一次平面化刻蝕以后，RTD臺(tái)面由光刻膠掩蔽，用O2/Ar等離子體繼續(xù)反刻，直至暴露出HBT發(fā)射極接觸。二次反刻以后，RTD與HBT頂部接觸被清除干凈，以便與第二層金屬接觸。
圖3（a）是采用TCAD模擬的RTD與HBT互連的剖面圖，采用第二層金屬將HBT的收集區(qū)與RTD的下電極相連。圖3（b）是已實(shí)現(xiàn)的RTD2HBT集成電路圖片，該電路包含有六個(gè)不同面積的RTD，HBT發(fā)射區(qū)面積為2×10μm2，另外該電路還集成了薄膜電阻，電容以及螺旋電感等多種元件。
目前已實(shí)現(xiàn)的RTD2HBT電路包括反相器，邏輯門，全加器，多值計(jì)數(shù)器，多路復(fù)用器等。
圖 3RTD與HBT互連示意圖及IC圖片
1.3 RTD與CMOS集成
實(shí)現(xiàn)納米電子器件RTD與當(dāng)前工業(yè)主流CMOS工藝的集成一直是人們追求的目標(biāo)。早期由于RTD主要制作在III2V族化合物的襯底上，Bergman等人［7］提出了在III-V族化合物（GaAs或InP）的襯底上制備RTD，在硅襯底上制備CMOS器件電路，然后通過金屬鍵合將二者結(jié)合起來的方法。但這種方法不適應(yīng)大規(guī)模電路的集成，額外的鍵合工藝增加了成本，引入的寄生參量同時(shí)降低了電路的性能。隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是1998年Rommel［8］采用低溫分子束外延（LT-MBE）的方法制作出第一個(gè)在室溫下工作的硅基RTD以來，大量研究工作的展開使器件性能得到了極大的改善。目前已報(bào)道的Si/SiGe共振帶間隧穿二極管（RITD）最高峰谷電流比（PVCR）值達(dá)到6.0［9］，峰值電流密度最高可達(dá)151kA/cm2［10］，滿足超高速數(shù)字集成電路的應(yīng)用要求，而且峰值電流密度還可根據(jù)隔離層厚度的不同進(jìn)行選擇。最近已實(shí)現(xiàn)Si/SiGeRITD與CMOS的集成［11］，如圖4所示。電路采用兩個(gè)RTD管串聯(lián)形成一個(gè)鎖存器，通過一個(gè)NMOS管注入電流，實(shí)現(xiàn)整個(gè)單元單-雙穩(wěn)態(tài)邏輯轉(zhuǎn)換的功能。該邏輯門在0.5V偏壓下的電壓擺幅為84%，整個(gè)邏輯單元可保證實(shí)現(xiàn)高密度嵌入式存儲(chǔ)器電路在較低電壓下運(yùn)行。
圖4 Si/SiGeRITD與CMOS剖面結(jié)構(gòu)圖及測(cè)量結(jié)果
? ? ? ? ? ? ? ?