CN102593165A

CN102593165A - 硅锗异质结双极晶体管及其制造方法

Info

Publication number: CN102593165A
Application number: CN2011100027640A
Authority: CN
Inventors: 孙涛
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: CN102593165B

Abstract

一种硅锗异质结双极晶体管及其制造方法，所述硅锗异质结双极晶体管包括：基极、位于基极上的发射极以及位于基极和发射极交界面处的异质结，所述基极为掺入锗的硅，所述锗的掺入浓度随着深度增加依次包括：掺入浓度上升区、掺入浓度平台区、掺入浓度下降区，其中，所述掺入浓度上升区随着深度增加依次包括掺入浓度增加平缓区、掺入浓度增加快速区，其中，异质结位于掺入浓度增加平缓区。对于不同尺寸的发射极窗口，本发明的硅锗异质结双极晶体管的电流增益的变化较小。

Description

硅锗异质结双极晶体管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种硅锗异质结双极晶体管及其制造方法。

背景技术

随着微电子应用技术的不断发展，传统硅晶体管的性能接近理论极限。作为未来微电子技术的基础新型晶体管正在得到研究和发展。硅锗(SiGe)异质结双极晶体管就是其中之一。SiGe异质结双极晶体管以低成本和高性能的潜质，收到市场的青睐。

SiGe工艺与Si器件工艺、BICMOS工艺兼容，因此在生产上更具有灵活性。而在同样的条件下，SiGe器件比Si器件频率高、速度快、噪声低、电流增益高，而且具有高速特性，适合于高频应用；与此同时，SiGe器件的制造成本低，SiGe器件更为环保、热传导性好、机械性能高。

在Si材料中引入Ge作为双极晶体管的基电极，形成硅锗异质结双极晶体管，SiGe异质结双极晶体管在微波高速通讯系统等领域中的地位越来越重要，其最佳应用领域是无线通信手机的射频前端芯片、功率放大器模块及低噪声放大器。

参考图1，示出了现有技术硅锗异质结双极晶体管一实施例的示意图，硅锗异质结双极晶体管包括：集电极C、位于集电极C上的基极B、位于基极B上的包括发射极窗口的介质层13、填充于所述发射极窗口的发射极E1，所述发射极窗口露出的基极B的上表面会形成第一异质结11(虚框所示)。

一般来说，SiGe BICMOS的工艺会提供不同尺寸的硅锗异质结双极晶体管，如图2所示的硅锗异质结双极晶体管中，包括：集电极C、位于集电极C上的基极B、位于基极B上的包括发射极窗口的介质层14、填充于所述发射极窗口的发射极E2，所述发射极窗口露出的基极B的上表面会形成第二异质结12(虚线框所示)，与图1所示的硅锗异质结双极晶体管相比，图2的硅锗异质结双极晶体管中由于具有较大的发射极窗口，第二异质结12的宽度和深度都大于图1所示的第一异质结11。通过测量发现图2所示的硅锗异质结双极晶体管的电流增益大于图1所示的电流增益，也就是说，硅锗异质结双极晶体管的电流增益与发射极窗口尺寸相关。但是，本领域技术人员通常需要获得电流增益相同的硅锗异质结双极晶体管。

在公开号为CN101459076A的中国专利申请中还可以发现更多关于SiGe工艺的技术信息。但是其并没有给出解决上述问题的技术方案。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种硅锗异质结双极晶体管，对于不同的发射极窗口电流增益的变化较小。

为解决上述问题，本发明一种硅锗异质结双极晶体管，包括基极、位于基极上的发射极以及位于基极和发射极交界面处的异质结，所述基极为掺入锗的硅，所述锗的掺入浓度随着深度增加依次包括：掺入浓度上升区、掺入浓度平台区、掺入浓度下降区，其中，所述掺入浓度上升区随着深度增加依次包括掺入浓度增加平缓区、掺入浓度增加快速区，其中，异质结位于掺入浓度增加平缓区。

相应地，本发明还提供一种硅锗异质结双极晶体管的制造方法，包括提供衬底；在所述衬底上沉积硅的过程中掺入锗；形成第一掺杂的基极；在所述基极上形成第二掺杂的发射极，所述第一掺杂的基极和第二掺杂的发射极之间形成异质结，在所述衬底上沉积硅的过程中掺入锗，形成第一掺杂的基极的步骤中由下至上依次形成掺入浓度增加区、掺入浓度保持区、掺入浓度减少区，其中，所述在掺入浓度减少区由下之上依次包括掺入浓度减少快速区、掺入浓度减少平缓区，所述异质结形成于掺入浓度减少平缓区中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

由于在异质结区域中，锗的含量增加较为缓慢，对于不同尺寸的发射区窗口，锗的含量差别不大，因此对于不同尺寸的发射区窗口，电流增益β较为接近。

附图说明

图1是现有技术硅锗异质结双极晶体管一实施例的示意图；

图2是现有技术硅锗异质结双极晶体管另一实施例的示意图；

图3是现有技术硅锗异质结双极晶体管的浓度分布示意图；

图4是本发明硅锗异质结双极晶体管一实施例的浓度分布示意图；

图5是本发明硅锗异质结双极晶体管另一实施例的浓度分布示意图；

图6是本发明硅锗异质结双极晶体管制造方法一实施方式的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术所述，现有技术中硅锗异质结双极晶体管的发射极窗口的尺寸与电流增益具有较强的相关性。

针对上述问题，发明人进行了细致研究，对于SiGe异质结双极晶体管，在Si材料中引入Ge作为基极材料，可以使基极的禁带宽度变窄，形成宽禁带的发射极、窄禁带的基极，从而使基极和发射极形成的异质结的电子势垒降低，因此，在相同的偏置电压下，与Si晶体管相比，SiGe异质结双极晶体管会有更多电子由发射极注入到基极，这会提高晶体管的注入效率，从而大大提高了晶体管的电流增益β。

发明人发现，Ge的掺入浓度越大，可以使禁带宽度越窄，进而使电流增益β越大。

此外，发明人还发现发射极窗口越大，在发射极和基极交界面处形成的异质结越深。进一步地，发明人对硅锗异质结双极晶体管的进行了细致研究，参考图3，示出了现有技术硅锗异质结双极晶体管的浓度分布示意图，本实施例中，以NPN型的晶体管为例，其中，横坐标为从硅锗异质结双极晶体管的上表面开始测量的深度，纵坐标为百分比，如图3所示，包括：图1所示发射极E1中N型离子掺杂(例如，砷掺杂或磷掺杂)浓度的分布线101，图2所示发射极E2中N型离子掺杂浓度的分布线102，图1、图2所示基极B中P型离子掺杂(例如硼掺杂)浓度的分布线103。将N型离子掺杂浓度的分布线与P型离子掺杂浓度的分布线103的交点定义为EB结的结深。

如图3所示，对于发射极窗口较大的实施例，发射极E1与基极B形成的第一EB结的结深为O1；对于发射极窗口较小的实施例，发射极E2与基极B形成的第二EB结的结深为O2；所述第二EB结的结深O2大于所述第一EB结的结深O1。也就是说，发射极窗口越大，在发射极和基极交界面处形成的异质结越深。

更进一步地，发明人分析了现有技术中用作基极的材料中Ge的掺入浓度分布图，如图3所示，图中还包括硅锗异质结双极晶体管中Ge的掺入浓度的分布线104，具体地，在EB结区域，Ge的掺入浓度随着深度的增加而逐渐增加，对于较小的发射极窗口，EB结深度O1较小，相应地，在深度较小的位置处Ge的掺入浓度较低，而对于较大的发射极窗口，EB结所在位置的深度O2较大，相应地，在深度较大的位置处Ge的掺入浓度较大，因此发射极窗口的不同造成Ge的掺入浓度差别量ΔGe较大。

EB结处Ge的掺入浓度越高，会使禁带宽度越窄，进而使电流增益β较大；EB结处Ge的掺入浓度越低，使电流增益β较小，这造成了发射极窗口与晶体管的电流增益β具有较强的相关性，从而造成了制造难度。

针对上述问题，本发明的发明人提供了一种硅锗异质结双极晶体管，所述硅锗异质结双极晶体管包括发射极、位于发射极下方的基极、以及位于发射极和基极之间的EB结，其中，在基极中，Ge的掺入浓度随着深度增加依次包括，掺入浓度上升区、掺入浓度平台区、掺入浓度下降区，其中，所述掺入浓度上升区包括掺入浓度增加平缓区、掺入浓度增加快速区，其中EB结位于掺入浓度增加平缓区。

下面结合具体的实施例进一步描述本发明的技术方案。

参考图4，示出了本发明硅锗异质结双极晶体管一实施例的浓度分布示意图，其中，横坐标为从硅锗异质结双极晶体管的上表面开始测量的深度，纵坐标为百分比，具体地，图4包括小尺寸发射极窗口中晶体管的发射极中N型离子掺杂浓度的分布线201，大尺寸发射极窗口的晶体管中发射极中N型离子掺杂浓度的分布线202，基极B中P型离子掺杂浓度的分布线203，本实施例中硅锗异质结双极晶体管中Ge的掺入浓度的分布线204。

需要说明的是，在制造不同发射极窗口尺寸的异质结双极晶体管时，在沉积硅的过程中掺入锗时采用相同的掺入机制。

如图4所示，硅锗异质结双极晶体管深度较浅的地方为发射极E，发射极E的N型掺杂浓度保持不变，随着深度的增大，在EB结位置处，发射极E的N型掺杂浓度减小，而基极的P型掺杂浓度逐渐增加，直至发射极E的N型掺杂浓度减小至0，而基极B的P型掺杂浓度达到最大值并且进入P型掺杂浓度的平台区，在本实施例中，在EB结位置处，基极B的材料中的Ge的掺入浓度随着深度的增加而逐渐增加，但是Ge的掺入浓度增加较为缓慢，即EB结位于掺入浓度增加平缓区，随着深度的增加，当深度大于EB结时，Ge的掺入浓度增加较为快速，进入Ge的掺入浓度增加快速区，如图4所示，Ge掺入浓度随深度的分布线204中，Ge的掺入浓度增加快速区中分布线的斜率大于掺入浓度增加平缓区中分布线的斜率，也就是说，在掺入浓度增加快速区中单位深度的Ge的掺入浓度的增加量大于掺入浓度增加平缓区中单位深度的Ge掺入浓度的增加量，具体地，在掺入浓度增加缓慢区，Ge的掺入浓度从0上升到6-8％；之后深度大于EB结深之后，Ge材料分布线进入掺入浓度增加快速区，Ge的掺入浓度从6-8％上升到15-30％，之后随着深度的增加进入Ge掺入浓度平台区，在所述掺入浓度平台区，Ge的掺入浓度保持不变，之后，随着深度的增加，Ge的掺入浓度逐渐下降，进入掺入浓度下降区，直至Ge的掺入浓度降至0。

在本实施例中，由于EB结位于Ge的掺入浓度增加缓慢区，对于不同尺寸的发射区窗口，Ge的掺入浓度差别不大(如图4所示，小尺寸的发射区窗口的掺入浓度为G1，大尺寸的发射极窗口的掺入浓度为G2，G1与G2的值较为接近)，因此对于不同尺寸的发射区窗口，电流增益β较为接近，所以，与现有技术相比，发射区窗口的大小与电流增益β相关性相对较小。

参考图5，示出了本发明硅锗异质结双极晶体管另一实施例的浓度分布示意图，具体地，图5包括：小尺寸发射极窗口中晶体管的发射极中N型离子掺杂浓度的分布线301，大尺寸发射极窗口的晶体管中发射极中N型离子掺杂浓度的分布线302，基极B中P型离子掺杂浓度的分布线303，硅锗异质结双极晶体管中Ge的掺入浓度的分布线304。

如图5所示，所述EB结位于Ge的掺入浓度增加平缓区，在所述Ge的掺入浓度增加平缓区中，基极B中Ge的掺入浓度随着深度的增加而保持不变，随着深度的增加，在进入基极的区域后，Ge的掺入浓度增加较为快速，为掺入浓度增加快速区，如图5所示，在掺入浓度增加平缓区中Ge材料分布线的斜率为0，在掺入浓度增加快速区中Ge掺入浓度分布线的斜率大于0，具体地，在EB结区域内，掺入浓度增加平缓区的Ge的掺入浓度一直保持为6-8％，在深度大于EB结区域之后，进入Ge的掺入浓度增加快速区，Ge的掺入浓度从6-8％上升到15-30％；随着深度的增加，Ge的掺入浓度分布线进入掺入浓度平台区，在所述掺入浓度平台区，Ge的掺入浓度保持不变，之后，随着深度的增加，Ge的掺入浓度逐渐下降，进入掺入浓度下降区，直至Ge的掺入浓度降至0。

在本实施例中，由于在EB结区域中Ge的掺入浓度保持不变，对于不同尺寸的发射区窗口，Ge的掺入浓度没有变化(如图5所示，小尺寸的发射区窗口的掺入浓度为G1，与大尺寸的发射极窗口的掺入浓度G2的大小相同)，因此对于不同尺寸的发射区窗口，电流增益β相同，所以与现有技术相比，发射区窗口的大小与电流增益β并不相关。

相应地，本发明还提供一种硅锗异质结双极晶体管的制造方法，参考图6示出了本发明硅锗异质结双极晶体管的制造方法一实施方式的流程示意图，所述制造方法包括以下步骤：

S1，提供衬底；

S2，在所述衬底上沉积硅的同时掺入锗，形成第一半导体层，对所述第一半导体层进行第一掺杂，形成基极；

S3，在所述基极上沉积硅，形成第二半导体层，对所述第二半导体层进行第二掺杂，形成发射极。

对于步骤S1，具体地所述衬底为硅或者绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)；

对于步骤S2，通过外延工艺在所述衬底上沉积硅和锗，具体地，所述外延工艺为分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)的方法，在衬底上沉积Si的过程中掺入Ge，可通过调节Si和Ge的分子束的大小来调节沉积的Si和Ge的比例，使所述Ge的掺入浓度由下至上依次包括，Ge掺入浓度增加区、Ge掺入浓度保持区、Ge掺入浓度减少区，其中，所述Ge掺入浓度减少区包括掺入浓度减少快速区、掺入浓度减少平缓区。

在实际应用中，根据工艺中最大的发射极窗口尺寸估算EB结的区域，之后，在EC结区域内引入Ge时，使EB结区域中的Ge的掺入浓度平缓变化，对于最大发射极窗口尺寸的情况，EB结区域中的Ge的掺入浓度减少平缓区；那么对于较小发射极窗口尺寸的情况，由于EB结的结深较浅，也位于EB结掺入浓度减少平缓区。

具体地，所述掺入浓度减少快速区中单位深度中Ge掺入浓度的变化量大于掺入浓度减少平缓区中单位深度中Ge掺入浓度的变化量；

较佳地，所述掺入浓度减少平缓区中单位深度中Ge掺入浓度保持不变，而掺入浓度减少快速区中单位深度中Ge掺入浓度随基极厚度的增加而逐渐减少。

较佳地，在所述基极的上表面形成异质结之前，在所述基极的上表面上形成发射极窗口，对发射极窗口露出的基极表面进行第一掺杂(例如N型掺杂)，以形成位于基极和发射极之间的异质结，即EB结，由于本发明的制造方法中，EB结区域中，随着硅的不断沉积，Ge的掺入浓度平缓地减少，相应地，硅锗异质结双极晶体管的电流增益变化不大。

对于步骤S3，在所述异质结上形成发射极的步骤中，向发射极窗口内填充硅、直至填满所述发射极窗口，并形成覆盖于所述发射极窗口上表面的硅层，对所述硅层进行第二掺杂(例如，P型掺杂)，所述第二掺杂的硅层用作发射极。

所述第一掺杂的基极和第二掺杂的发射极的交界面处形成异质结，至此完成了硅锗异质结双极晶体管的制造过程。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种硅锗异质结双极晶体管，包括基极、位于基极上的发射极以及位于基极和发射极交界面处的异质结，所述基极为掺入锗的硅，其特征在于，所述锗的掺入浓度随着深度增加依次包括：掺入浓度上升区、掺入浓度平台区、掺入浓度下降区，其中，所述掺入浓度上升区随着深度增加依次包括掺入浓度增加平缓区、掺入浓度增加快速区，其中，异质结位于掺入浓度增加平缓区。

2.如权利要求1所述的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，掺入浓度增加快速区中单位深度的锗掺入浓度的增加量大于掺入浓度增加平缓区中单位深度的锗掺入浓度的增加量。

3.如权利要求2所述的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，掺入浓度增加平缓区中锗的掺入浓度从0增加到6％～8％，在掺入浓度增加快速区中锗的掺入浓度从6％～8％增加到15-30％。

4.如权利要求2所述的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，掺入浓度增加平缓区中锗的掺入浓度保持不变，掺入浓度增加快速区中锗的掺入浓度随深度增加逐渐增加。

5.如权利要求4所述的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，掺入浓度增加平缓区中锗的掺入浓度保持为6-8％，掺入浓度增加快速区中锗的掺入浓度从6％～8％增加到15-30％。

6.一种硅锗异质结双极晶体管的制造方法，包括：提供衬底；在所述衬底上沉积硅的过程中掺入锗；形成第一掺杂的基极；在所述基极上沉积半导体材料，对所述半导体材料进行第二掺杂，形成发射极；所述第一掺杂的基极和第二掺杂的发射极的交界面处形成异质结，其特征在于，在所述衬底上沉积硅的过程中掺入锗，形成第一掺杂的基极的步骤中由下至上依次形成掺入浓度增加区、掺入浓度保持区、掺入浓度减少区，其中，所述在掺入浓度减少区由下之上依次包括掺入浓度减少快速区、掺入浓度减少平缓区，所述异质结形成于掺入浓度减少平缓区中。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述衬底上沉积硅的过程中掺入锗的步骤中，通过分子束外延或金属有机化合物化学气相沉积方法在沉积硅的过程中掺入锗。

8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在掺入浓度减少快速区中单位深度的锗含量的减少量大于掺入浓度减少平缓区中单位深度的锗含量的减少量。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在掺入浓度减少平缓区中锗的掺入浓度从6％～8％减少至0，在掺入浓度减少快速区中锗的掺入浓度从15-30％减少至6％～8％。

10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在掺入浓度减少平缓区中锗的掺入浓度保持不变，在掺入浓度减少快速区中锗的掺入浓度随沉积硅的厚度增加逐渐减少。

11.如权利要求10所述的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，在掺入浓度减少平缓区中锗的掺入浓度保持在6-8％，在掺入浓度减少快速区中锗的含量从15-30％减少到6-8％。