CN100530684C - 异质结双极型晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的异质结双极型晶体管(HBT)结构以及形成结合具有递变的锗分布的硅锗层发射极层的结构的方法。递变的锗浓度在发射极层的中性区中形成准漂移场。该准漂移场引起发射极层内的价带隙梯度，以加速从基极层穿过发射极层的空穴的运动。从基极层穿过发射极层的空穴的加速运动减小了发射极的延迟时间并因此增加了形成的HBT的截止频率(fT)和最大振荡频率(fMAX)。
Description
技术领域
本发明涉及异质结双极型晶体管以及，更具体地说，涉及具有显示出减小的延迟时间的发射极的异质结双极型晶体管结构以及制造该结构的方法。
背景技术
随着硅锗(SiGe)异质结双极型晶体管(HBT)的开关速度接近并超过350GHz，该HBT器件的基极渡越时间在约100fs的范围内。该器件的发射极延迟时间典型的小于基极渡越时间。然而，随着基极尺寸的缩小，发射极渡越时间成为总HBT正向渡越时间的增加的部分。在不远的未来，发射极延迟时间会变得和基极渡越时间一样，并会严重限制晶体管的AC性能。因此，现有技术需要显示出减小的发射极渡越时间的SiGe HBT，以获得改善的总正向渡越时间和改善的开关速度的性能。
发明内容
通过上面描述，本发明公开了异质结双极型晶体管(HBT)，其结合具有递变的锗浓度分布的硅锗发射极层用于减小发射极延迟时间，并因此增加了截止频率(fT)和最大振荡频率(fMAX)。
本发明的HBT结构的实施例包括第一导电型单晶硅锗发射极层(例如，用n型掺杂剂，例如砷(As)，磷(P)，或锑(Sb)掺杂的发射极层)。HBT结构还包括邻近发射极层的第一侧(如，在发射极层下面)的第二导电型单晶基极层(例如，用p型掺杂剂，例如硼(B)掺杂的基极层)和邻近发射极层的第二侧(例如，在发射极层上面)的第一导电型多晶硅电极(例如，用n型掺杂剂掺杂的多晶硅电极)。
更具体地说，本发明的HBT结构的发射极层包括邻近基极层的耗尽区和在耗尽区和多晶硅电极之间的中性区。发射极层还包括锗。发射极层中的锗的浓度是递变的以使其在邻近基极层的第一侧和邻近多晶硅电极的第二侧之间增加。预期各种递变的锗浓度的分布。例如，锗浓度的梯度可以线性的增加并且范围从邻近基极层的约0％到邻近多晶硅电极的10％和40％之间(例如，优选地到约30％但不大于40％)。锗浓度的梯度可以指数的增加并且范围从邻近基极层的约0％到邻近多晶硅电极的10％和40％之间(例如，优选地到约30％但不大于40％)。作为选择，锗浓度在邻近基极层处稳定在约0％，并在邻近多晶硅电极处从约0％上升到10％和40％之间。通过穿过发射极层以递变的浓度引入锗在发射极层的中性区中形成了准漂移场。该准漂移场降低了中性区的发射极延迟时间以增加截止频率(fT)。通过经过中性区的价带隙梯度引起准漂移场，以加速从基极层穿过发射极层的少数载流子(例如，空穴)的运动，其增加了截止频率(fT)。
本发明的形成异质结双极型晶体管结构的方法的实施例包括在第二导电型衬底(例如，p型衬底)中形成第一导电型集电极层(例如，在p型衬底上用n型掺杂剂，例如砷(As)，磷(P)，或锑(Sb)掺杂的硅集电极层)。然后，在集电极层上沉积单晶硅层(例如，通过低温热外延(LTE)工艺或分子束外延(MBE))。
在该沉积工艺时，首先在集电极层上沉积纯硅缓冲层。之后，在硅层的下部分引入锗。具体地说，以锗浓度快速上升(例如，到达约40％的最大值)引入锗。上升阶段后，引入硅层的下部分的锗的浓度会维持一段时间，之后开始缓慢的下降到约0％的锗。另外，在硅层的下部分中引入锗的下降开始后和结束前，可以在该硅层的下部分中同时引入第二导电型掺杂剂(例如，p型掺杂剂，例如，硼(B))。用于硅层的下部分的上述沉积工艺有效地形成了本发明的HBT的第二导电型基极层(例如，p型基极层)。
在掺杂硅层的下部分(例如，用p型掺杂剂)以及锗浓度下降后，继续硅层的沉积以形成硅层的上部分。在沉积硅层的该上部分时，再次引入锗。具体地说，在硅层的上部分中引入锗以使锗的浓度递变。例如，随着硅被沉积，锗浓度会线性地增加(如，从邻近基极层的约0％稳定地上升到在上部分的顶表面的10％和40％之间)。随着硅层被沉积，锗浓度会指数地增加(例如，缓慢地并随后很快地从邻近基极层的约0％上升到在上部分的顶表面的10％和40％之间)。作为选择，锗浓度在邻近基极层保持在约0％并随后从约0％上升到在上部分的顶表面的10％和40％之间。
一旦沉积硅层，邻近(例如，在其上沉积)硅层的上部分形成第一导电型多晶硅层(例如，用n型掺杂剂，例如，砷(As)，磷(P)，或锑(Sb)掺杂的多晶硅层)。随后执行热退火工艺以将第一导电型掺杂剂从该多晶硅层扩散到硅层的上部分中以形成本发明的HBT结构的第一导电型发射极层(例如，n型发射极层)。作为选择，可以通过就地掺杂工艺形成发射极层，其同时在沉积硅层的上部分时将锗和适当的导电型掺杂剂(例如，n型掺杂剂)引入其中。
因此，通过使用上述方法形成HBT结构，形成了发射极层，邻近基极层具有耗尽区和在耗尽区和多晶硅层之间具有中性区，其包含由递变的锗浓度形成的准漂移场。
本发明的这些和其它方面和目的通过与下列描述和附图一起考虑会很好地意识和理解。然而，可以理解，当指出本发明的优选实施例和其中众多独特细节时，下列描述以说明而不是限制的形式给出。在不脱离本发明的精神的前提下在本发明范围内也许可以做许多变化和修改，本发明包括所有这些修改。
附图说明
通过下列参考附图的详细描述可以更好地理解本发明，其中：
图1是本发明的HBT结构100的实施例的示意图；
图2a-c是示出经过图1的发射极、基极和集电极的可能递变锗浓度分布的示意图；
图3A是常规HBT结构的能带图；
图3B是本发明的HBT结构的能带图；
图4是示出本发明的方法的流程图；
图5是示出部分已完成的本发明的HBT结构的示意图；
图6是示出部分已完成的本发明的HBT结构的示意图；以及
图7是示出部分已完成的本发明的HBT结构的示意图。
具体实施方式
参考在附图中示出并在下面描述中详细介绍的非限制性实施例，更完全地解释本发明及其各种特征和优势。注意到附图中示出的特征并没有按比例画出。为了不使本发明晦涩，省略了对公知元件和工艺技术的描述。这里使用的实例仅为了帮助理解实践本发明的方法，并进一步使本领域的技术人员能够实践本发明。因此，这些实例不应该被认为是限制本发明的范围。
参考图1，公开了异质结双极型晶体管(HBT)结构100。结构100包括两个相邻的p-n结。具体地说，HBT100包括第一导电型集电极层102(例如，用n型掺杂剂，例如砷(As)，磷(P)，或锑(Sb)掺杂的单晶硅集电极层)。该集电极层102可以通过，例如，将第一导电型掺杂剂注入第二导电型半导体衬底(例如，用p型掺杂剂，例如硼(B)掺杂的硅衬底)中形成。邻近(例如，在其上)集电极层102设置第二导电型单晶内基极层103。该内基极层103还在任一侧上与抬升的外基极层104连接。第一导电型发射极层110(例如，n型发射极层)与基极层103邻近(例如，在其上)。发射极层110通过在抬升的外基极层104之间的电极(例如，第一导电型多晶硅电极105)接触。在层102，103和110之间(例如，在集电极层102和基极层103之间，以及在基极层102和发射极层110之间)的结121和122包括共用的耗尽区。层102，103和110的剩余部分包括中性区(在本领域中还称作准中性区)。
在本发明的HBT结构的基极层103中引入锗。锗具有与硅相比较小的能带隙(例如，与硅的约1.12eV相比，锗约为0.66eV)。因此，在基极层103中引入锗会减小基极层103的总能带隙。另外，参考图2，具有递变的锗浓度分布，即在集电极层102和基极层103之间的结处迅速上升210，趋向基极层103和发射极层110之间的结处平稳202和稳定下降203，可用于在基极层103的中性区中形成准漂移场。该基极层准漂移场将加速少数载流子(例如，p型基极中的电子)从发射极到集电极，有效地减小基极层103的渡越时间，因此，增加了电流增益的截止频率(fT)。
同时，硅锗(SiGe)异质结双极型晶体管(HBT)的开关速度达到并超过350GHz，该HBT器件的基极渡越时间在约100fs的范围内，发射极层110的延迟时间典型地小于该基极渡越时间。然而，随着基极层103尺寸的缩小，发射极层110的渡越时间成为总正向渡越时间的增加的部分。在不久的将来形成HBT结构以使发射极层110的渡越时间具有与基极层103的渡越时间相同的值，因此，限制了晶体管的AC性能。所以，如上所述，现有技术需要显示出减小的发射极渡越时间的SiGe HBT，以获得改善的总正向渡越时间和改善的开关速度的性能。
通过上面描述，本发明的异质结双极型晶体管100(HBT)还在发射极层110和基极层103中引入锗。具体地说，HBT100包括具有递变的锗浓度分布的硅锗发射极层110，其形成准漂移场以减小发射极延迟时间，并因此增加了电流增益的截止频率(fT)和最大振荡频率(fMAX)。
更具体地说，参考图1，具体地说参考图1的分解部分150，本发明的HBT结构100的实施例包括第一导电型单晶硅锗发射极层110(例如，用n型掺杂剂，例如砷(As)，磷(P)，或锑(Sb)掺杂的发射极层)。HBT结构还包括邻近发射极层的第一侧(例如，在发射极层下面)的第二导电型单晶基极层103(例如，用p型掺杂剂，例如硼(B)掺杂的基极层)和邻近发射极层110的第二侧(例如，在发射极层上面)的第一导电型电极105(例如，用n型掺杂剂掺杂的多晶硅电极)。
该发射极层110包括在基极层103和发射极层110之间的结122处的耗尽区111以及在耗尽区111和多晶硅电极105之间的中性区112。发射极层110还包括锗，而锗的浓度是递变的以在邻近基极层103的发射极层的第一侧113和邻近多晶硅电极105的第二侧114之间上升。结合图1参考图2a-c，预期各个递变的锗浓度分布。例如，参考图2a，锗浓度的梯度204可以线性地增加，范围从邻近基极层103(即，在结122处)的约0％上升到邻近多晶硅电极105(在发射极层110的顶表面114处)的10％和40％之间(例如，优选上升到约30％但小于40％)。参考图2b，锗浓度的梯度204还可以指数地增加，范围从邻近基极层103的约0％上升到邻近多晶硅电极105的10％和40％之间(例如，优选上升到约30％但小于40％)。作为选择，参考图2c的梯度204，锗的浓度可以稳定在邻近基极层103的约0％并随后从约0％上升到邻近多晶硅电极105的10％和40％之间。经过发射极层110的该递变的锗浓度分布形成穿过发射极层110的中性区112的准漂移场180。该发射极层准漂移场180加速中性区112内的少数载流子(例如，n型发射极中的空穴)并因此增加了HBT100的截止频率(fT)。如图3A的能带图中所示，没有该准漂移场，发射极层110中的价能带隙301a是恒定的。然而，参考图3B的能带图，HBT结构100的发射极层110中的准漂移场经过中性区在价能带隙301b中产生了梯度，以加速从基极层103穿过发射极层110少数载流子(例如，空穴)的运动，并因此还增加了HBT结构100的截止频率(fT)。
具体地说，SiGe HBT的截止频率(fT)可以写作：fT＝1/2[1/gm(Ceb+Ccb)+Tb+Te+Tbc]-1，其中Ceb是寄生发射极-基极结电容，Ccb是寄生集电极-基极结电容，gm是跨导，Tb是基极渡越时间，Te是发射极延迟时间，Tbc是基极-集电极结耗尽层时间(见J.D.Cressler，“SiGe HBTtechnology：A new contender for si-based RF and microwave circuitapplications，”IEEE学报，微波原理与技术，vol.46，no.5，pp.572-589，1998年5月(在此通过参考引入))。
此外，SiGe HBT的发射极延迟时间可以写作：Te＝(1/β)＊[(We/Spe)+(We 2/2Dpe)]，其中Te是发射极延迟时间，β是AC电流增益，We中性发射极宽度，Spe是发射极-多晶硅界面处的空穴表面复合速度，Dpe是发射极中的空穴扩展率。(见J.D.Cressler和G.Niu，Silicon-GermaniumHeterojunction Bipolar Transistors，Artech House，Boston，MA 2003年10月，170页)。
因此，通过在发射极中引入锗斜坡，通过与经过中性发射极的锗引起的带隙梯度有关的因数有效地增加了Dpe。通过增加Dpe，减小了正向渡越时间的发射极时间延迟部分Te。最后，通过减小Te，增加了截止频率(fT)。
结合图1参考图4，形成本发明的异质结双极型晶体管(HBT)结构100的方法的实施例包括形成第一导电型集电极层102(402)。例如，通过在p型硅衬底中离子注入n型掺杂剂(例如，砷(As)，磷(P)，或锑(Sb))形成掩埋集电极层102。在后来的处理中形成电极(例如，n掺杂多晶硅电极，未示出)以接触集电极层102。
形成集电极层102后，形成浅沟槽隔离结构501以限定集电极层102的区域。
随后，在集电极层102上沉积(例如，通过执行常规的低温热外延工艺生长)单晶硅层190(404，见图5)。在该沉积处理(404)时，形成硅缓冲层191，硅层的下部分192和硅层190的上部分193(见图6)。
硅缓冲层191首先在集电极层上沉积。该缓冲层191在集电极层102(例如，n型集电极层)和随后形成的基极层103之间提供纯硅界面(没有锗或其它杂质的界面)。
在沉积缓冲层191后，随着硅层190的下部分192被沉积，在其中引入锗(406)。具体地说，在锗浓度中引入具有快速上升201的锗(例如，达到约30％并优选小于40％)(见图2)。在上升阶段后，在硅层190的下部分192中引入的锗的浓度会平稳202一段时间，随后开始缓慢下降203至约0％的锗(见图2)。在下降阶段开始后和结束前，在硅层190的下部分192中同时引入第二导电型掺杂剂(例如，p型掺杂剂，例如硼(B))。如上所述，用于硅层190的下部分192的沉积处理有效地形成本发明的HBT100的第二导电型基极层103(例如，p型基极层)。
在掺杂(例如，用p型掺杂剂)硅层190的下部分192和锗浓度下降后，继续硅层190的沉积以形成上部分193。在沉积硅层190的上部分193时，在硅层190中再次引入锗(410)。
具体地说，在硅层的上部分中引入锗以使锗的浓度递变(410，见图2a-2c)。例如，参考图2a，随着硅被沉积，锗浓度204会线性地增加(例如，从邻近基极层的约0％稳定地上升到在上部分的顶表面的10％和40％之间)。参考图2b，随着硅层被沉积，锗浓度204会指数地增加(例如，缓慢地并随后很快地从邻近基极层的约0％上升到在上部分的顶表面的10％和40％之间)。作为选择，锗浓度204在邻近基极层保持在约0％并随后从约0％上升到在上部分的顶表面的10％和40％之间(413)。
可选地，除了随着硅层的上部分被沉积在其中引入锗，可以同时执行就地掺杂处理以在硅层的上部分中也引入第一导电型掺杂剂(例如，n型掺杂剂，例如，砷(As)，磷(P)，或锑(Sb))，并因此形成具有第一导电型的发射极层(414)。作为选择，在上面讨论的随后的处理中引入该第一导电型掺杂剂。
一旦沉积硅层190，可以执行附加的公知处理步骤以形成在内基极层103的每个末端上的限定的抬升的外基极层104以及到抬升的外基极层104的电极。
在邻近抬升的外基极层104之间的硅层190的上部分193形成第一导电型多晶硅层105(例如，用n型掺杂剂，例如，砷(As)，磷(P)，或锑(Sb)掺杂多晶硅层)(416，见图7)。使用公知的方法形成该多晶硅层105。例如，多晶硅发射极电极105在邻近上升的外基极层104形成的介质隔离物107之间自对准。
如果没有使用就地掺杂形成发射极层(在上述讨论的处理414)，那么，可以执行热退火处理，以将第一导电型掺杂剂从掺杂的多晶硅层105扩散到硅层的上部分193中以形成本发明的HBT结构100的第一导电型发射极层110(例如，n型发射极层)。
再次参考图1，具体地说，参考图1的分解部分，如上所述，通过形成发射极层110，其在基极层103和发射极层110之间的结122处具有耗尽区111，并在耗尽区111和多晶硅层105(例如，多晶硅发射极电极)之间具有中性发射极区112，其包括由递变的锗浓度形成的准漂移场180。发射极层中的准漂移场减小了发射极延迟时间，并因此增加了形成的HBT的电流增益截止频率(fT)和最大振荡频率(fMAX)。
因此，上述公开了改进的异质结双极型晶体管(HBT)结构以及形成结合具有递变的锗分布的硅锗发射极层的结构的方法。递变锗分布在发射极层的中性区中形成准漂移场。该准漂移场减小了发射极层内的价带隙梯度，以加速从基极层穿过发射极层的空穴的运动。从基极层穿过发射极层的空穴的加速运动减小了发射极延迟时间，并因此增加了形成的HBT的截止频率(fT)和最大振荡频率(fMAX)。
尽管通过实施例描述了本发明，本领域的技术人员将认识到本发明可以在所附权利要求书的精神和范围内通过修改实践。
Claims (11)
1.一种异质结双极型晶体管，包括：
单晶硅锗发射极层，具有第一侧和第二侧并具有第一导电型；
单晶基极层，邻近所述第一侧并具有第二导电型；以及
多晶硅电极，邻近所述第二侧并具有所述第一导电型，
其中所述发射极层包括锗，并且其中所述发射极层中的所述锗的浓度是递变的，以使所述浓度在所述第一侧和所述第二侧之间增加，其中所述浓度从邻近所述第一侧的0％指数增加到邻近所述第二侧的10％和40％之间。
2.根据权利要求1的异质结双极型晶体管，其中所述发射极层还包括邻近所述基极层的耗尽区以及在所述耗尽区和所述多晶硅电极之间的中性区，以及
其中所述中性区包括由所述锗形成的准漂移场。
3.根据权利要求2的异质结双极型晶体管，其中所述准漂移场引起所述发射极层的价带隙梯度，以加速从所述基极层穿过所述发射极层的少数载流子的运动并增加截止频率。
4.一种异质结双极型晶体管，包括：
n型单晶硅锗发射极层，具有第一侧和第二侧；
p型单晶基极层，邻近所述第一侧；以及
n型多晶硅电极，邻近所述第二侧，
其中所述发射极层包括锗，并且其中所述发射极层中的所述锗的浓度是递变的，以使所述浓度在所述第一侧和所述第二侧之间增加，其中所述浓度从邻近所述第一侧的0％指数增加到邻近所述第二侧的10％和40％之间。
5.根据权利要求4的异质结双极型晶体管，其中所述发射极层还包括邻近所述基极层的耗尽区以及在所述耗尽区和所述多晶硅电极之间的中性区，并且其中所述中性区包括由所述锗形成的准漂移场。
6.根据权利要求5的异质结双极型晶体管，其中所述准漂移场引起所述发射极层的价带隙梯度，以加速从所述基极层穿过所述发射极层的空穴的运动并增加截止频率。
7.一种形成异质结双极型晶体管的方法，包括下列步骤：
提供具有第一导电型的集电极层；
在所述集电极层上沉积单晶硅层；
在所述沉积时，用第二导电型掺杂剂掺杂所述硅层的下部分以形成具有第二导电型的基极层；以及
在所述沉积时并在所述掺杂后，在所述硅层的上部分中引入锗以使所述上部分中的所述锗的浓度递变，以形成发射极层；
其中所述引入所述锗的步骤还包括在沉积所述硅层时将所述锗的所述浓度从邻近所述基极层处的0％指数增加到邻近所述上部分的顶表面处的10％和40％之间。
8.根据权利要求7的方法，其中所述沉积步骤包括进行低温外延工艺。
9.根据权利要求7的方法，其中邻近所述基极层形成所述发射极层的耗尽区，并且其中所述锗在所述发射极层的中性区中形成准漂移场，其中所述中性区在所述耗尽区和所述发射极层上形成的多晶硅层之间形成。
10.根据权利要求7的方法，还包括，在所述沉积时，在所述硅层的所述下部分中引入锗。
11.一种形成异质结双极型晶体管的方法，包括下列步骤：
提供n型集电极层；
在所述n型集电极层上沉积单晶硅层；
在所述沉积时，用p型掺杂剂掺杂所述硅层的下部分以形成p型基极层，以及
在所述沉积时并在所述掺杂后，在所述硅层的上部分中引入锗以使所述上部分中的所述锗的浓度递变，以形成发射极层；
其中所述引入所述锗的步骤还包括在沉积所述硅层时将所述锗的所述浓度从邻近所述基极层处的0％指数增加到邻近所述上部分的顶表面处的10％和40％之间。
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