CN105870166A - 一种铟镓磷异质结双极型晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铟镓磷异质结双极型晶体管及其制造方法。铟镓磷异质结双极型晶体管从下至上依次包括衬底、重掺杂次集电极区层、重掺杂铟镓磷蚀刻终止层、轻掺杂集电区层、基区层、轻掺杂铟镓磷发射区层和重掺杂发射帽层。本发明能够有效提高异质结双极型晶体管的线性度和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及异质结双极型晶体管技术领域，尤其涉及一种铟镓磷异质结双极型晶体管及其制造方法。
背景技术
异质结双极晶体管（HBT）具有良好的功率附加效率（PAE）和噪声系数特性，其特征频率ft高，高的基极掺杂将导致大的fmax和高的厄利电压（Early Voltage），可控的高击穿电压将产生大功率密度，低的“knee” 电压可产生大的功率效率。异质结双极晶体管其制备技术，特别是外延生长技术促进了异质结双极晶体管这一类半导体器件的发展和应用。
目前，常用的异质结双极晶体管为铝镓砷（AlGaAs）异质结双极晶体管，但是铝镓砷异质结双极晶体管的线性度不及离子注入的MESFET（场效应管），其热稳定性及可靠性较差。
发明内容
本发明的目的是克服现有铝镓砷异质结双极晶体管线性度低，可靠性较差的技术问题，提供了一种铟镓磷异质结双极型晶体管及其制造方法，其能够有效提高异质结双极型晶体管的线性度和可靠性。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，从下至上依次包括衬底、重掺杂次集电极区层、重掺杂铟镓磷蚀刻终止层、轻掺杂集电区层、基区层、轻掺杂铟镓磷发射区层和重掺杂发射帽层。
现有的铝镓砷（AlGaAs）异质结双极晶体管的结构中的发射区包括AlGaAs层和渐变层，渐变层包括分开的组成结和电气结两个结，组成结的位置对工艺过程控制有着主要影响，但电气结的位置对ON电压控制有着重要的影响。本发明的发射区层采用InGaP层替代AlGaAs层及渐变层，使得组成结和电气结合二为一，InGaP层采用3.0E17 cm-3 Si掺杂的N+，并且保持晶格配备。InGaP层同时作为基极漏电流的势垒以及发射极边（InGaP Ledge）钝化，从而降低了1/f噪声、提高了线性度和器件的可靠性。
InGaP选择性的湿法刻蚀可以形成较薄的基极，从而提高其特征频率ft。InGaP选择性的湿法刻蚀也可以导致可靠的制造工艺，从而提高产率，降低成本以及提供额外的功能并改善电路性能。
作为优选，所述轻掺杂铟镓磷发射区层厚度为470-530埃米，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度为2.8E17 cm-3-3.2E17 cm-3。
作为优选，所述重掺杂铟镓磷蚀刻终止层厚度为180-220埃米，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E18 cm-3。
作为优选，所述轻掺杂铟镓磷发射区层的极边钝化，轻掺杂铟镓磷发射区层台面边缘和基区层边缘之间的距离为0.5-1µm。降低了1/f噪声和提高了器件的可靠性。
作为优选，铟镓磷异质结双极型晶体管表面设有氮化硅钝化保护薄膜。使得晶体管免受外界环境的污染与损伤，并且隔绝外界的水气。
作为优选，所述重掺杂次集电极区层从下至上依次包括第一次集电极区层和第二次集电极区层，第一次集电极区层为1800-2200埃米厚度无掺杂的AlGaAs层，第二次集电极区层为5300-5700埃米厚度的GaAs层，第二次集电极区层采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于4.0E18 cm-3。
作为优选，所述轻掺杂集电区层从下至上依次包括第一集电极区层、第二集电极区层和第三集电极区层，第一集电极区层为480-520埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度为4.0E18 cm-3-7.0E18 cm-3；第二集电极区层为2800-3200埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N，掺杂浓度为3.8E16 cm-3-4.2E16 cm-3；第三集电极区层为7000-7600埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N，掺杂浓度为1.3E16 cm-3-1.7E16 cm-3。
作为优选，所述基区层为1100-1200埃米厚度的GaAs层，采用C掺杂的P+，掺杂浓度为3.8E19 cm-3-4.2E19 cm-3。
作为优选，所述重掺杂发射帽层从下至上依次包括第一发射帽层、第二发射帽层和第三发射帽层，第一发射帽层为1200-1600埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于4.0E18 cm-3；第二发射帽层为400-500埃米厚度的InGaAs层，采用Te掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E19 cm-3，In的浓度小于68%；第三发射帽层为400-500埃米厚度的InGaAs层，采用Te掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E19 cm-3，In的浓度为60%-68%。
本发明的一种铟镓磷异质结双极型晶体管的制造方法，包括以下步骤：
S1：在半绝缘衬底上生长外延材料结构，外延材料结构包括从下至上依次生长的重掺杂次集电极区层、重掺杂铟镓磷蚀刻终止层、轻掺杂集电区层、基区层和轻掺杂铟镓磷发射区层和重掺杂发射帽层；
S2：在重掺杂发射帽层上形成发射极欧姆接触，在基区层上形成基极欧姆接触，在重掺杂次集电极区层上形成集电极欧姆接触；
S3：运用等离子增强化学气相沉积方法沉积氮化硅于铟镓磷异质结双极型晶体管表面形成氮化硅钝化保护薄膜。
本发明的有益效果是：（1）发射区层采用InGaP层，作为基极漏电流的势垒以及发射极边（InGaP Ledge）钝化，蚀刻终止层采用InGaP层，从而降低了1/f噪声、提高了线性度和器件的可靠性。（2）铟镓磷异质结双极型晶体管具有高能密度，功率附加效率（PAE），良好的线性度以及理想的OFF状态漏电流。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明从下至上各层的材料结构表；
图3是铝镓砷异质结双极晶体管的结构框图；
图4是本发明的结构框图。
图中：1、重掺杂次集电极区层，2、重掺杂铟镓磷蚀刻终止层，3、轻掺杂集电区层，4、基区层，5、轻掺杂铟镓磷发射区层，6、重掺杂发射帽层，7、氮化硅钝化保护薄膜，8、发射极欧姆接触，9、基极欧姆接触，10、集电极欧姆接触。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，如图1所示，从下至上依次包括衬底、重掺杂次集电极区层1、重掺杂铟镓磷蚀刻终止层2、轻掺杂集电区层3、基区层4、轻掺杂铟镓磷发射区层5和重掺杂发射帽层6，重掺杂发射帽层6上设有发射极欧姆接触8，基区层4上设有基极欧姆接触9，重掺杂次集电极区层1上设有集电极欧姆接触10，轻掺杂铟镓磷发射区层5的极边钝化，轻掺杂铟镓磷发射区层台面边缘和基区层边缘之间的距离为0.5-1µm，铟镓磷异质结双极型晶体管表面设有氮化硅钝化保护薄膜7。
如图2所示，衬底为半绝缘砷化镓衬底，可以使用众所周知的晶体生长技术如提拉法或布里奇曼法形成；
重掺杂次集电极区层1重掺杂次集电极区层从下至上依次包括第一次集电极区层和第二次集电极区层，第一次集电极区层为2000埃米厚度无掺杂的AlGaAs层，Al的浓度为80%；第二次集电极区层为5500埃米厚度的GaAs层，第二次集电极区层采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于4.0E18 cm-3；
重掺杂铟镓磷蚀刻终止层2厚度为200埃米，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E18 cm-3，并且保持晶格配备；
轻掺杂集电区层3从下至上依次包括第一集电极区层、第二集电极区层和第三集电极区层，第一集电极区层为500埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度为4.0E18 cm-3-7.0E18 cm-3；第二集电极区层为3000埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N，掺杂浓度为4.0E16 cm-3；第三集电极区层为7000-7600埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N，掺杂浓度为1.5E16 cm-3；
基区层4为1100-1200埃米厚度的GaAs层，采用C掺杂的P+，掺杂浓度为4.0E19 cm-3；
轻掺杂铟镓磷发射区层5厚度为500埃米，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度为3.0E17 cm-3，并且保持晶格配备；
重掺杂发射帽层6从下至上依次包括第一发射帽层、第二发射帽层和第三发射帽层，第一发射帽层为1200-1600埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于4.0E18 cm-3；第二发射帽层为400-500埃米厚度的InGaAs层，采用Te掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E19 cm-3，In的浓度线性分级0-68%；第三发射帽层为400-500埃米厚度的InGaAs层，采用Te掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E19 cm-3，In的浓度为60%-68%。
如图3所示，现有的铝镓砷（AlGaAs）异质结双极晶体管的结构中的发射区包括AlGaAs层和渐变层，渐变层包括分开的组成结和电气结两个结，组成结的位置对工艺过程控制有着主要影响，但电气结的位置对ON电压控制有着重要的影响。如图4所示，本发明的铟镓磷异质结双极型晶体管的发射区层采用一个厚度为500埃米的InGaP层替代AlGaAs层及渐变层，使得组成结和电气结合二为一，InGaP层采用3.0E17 cm-3 Si掺杂的N+，并且保持晶格配备，InGaP层同时作为基极漏电流的势垒以及发射极边（InGaP Ledge）钝化，从而降低了1/f噪声、提高了线性度和器件的可靠性。
轻掺杂集电区层可用来控制器件的击穿电压；基区层的掺杂浓度和厚度用来控制电流增益；重掺杂发射帽层用来降低发射极的接触电阻（Rc），从而可形成欧姆接触；氮化硅钝化保护薄膜使得晶体管免受外界环境的污染与损伤，并且隔绝外界的水气。
为了保持器件的长期可靠性，如图1所示，轻掺杂铟镓磷发射区层的发射极边宽度D（即轻掺杂铟镓磷发射区层台面边缘和基区层边缘之间的距离）为0.5-1µm。InGaP选择性的湿法刻蚀可以形成较薄的基极，从而提高其特征频率ft。InGaP选择性的湿法刻蚀也可以导致可靠的制造工艺，从而提高产率，降低成本以及提供额外的功能并改善电路性能。
本实施例的一种铟镓磷异质结双极型晶体管的制造方法，包括以下步骤：
S1：在半绝缘衬底上生长外延材料结构，外延材料结构包括从下至上依次生长的重掺杂次集电极区层、重掺杂铟镓磷蚀刻终止层、轻掺杂集电区层、基区层和轻掺杂铟镓磷发射区层和重掺杂发射帽层；外延材料结构采用金属有机化学汽相沉积法（MOCVD）生长技术生长；
S2：在重掺杂发射帽层上形成发射极欧姆接触，在基区层上形成基极欧姆接触，在重掺杂次集电极区层上形成集电极欧姆接触；
S3：运用等离子增强化学气相沉积方法沉积氮化硅于铟镓磷异质结双极型晶体管表面形成氮化硅钝化保护薄膜。
主要工艺包括：
平台隔离工艺：隔离技术其功能在于定义出元件有效工作区，可隔离不同元件，或是不同电极（如集电极和发射极）之间的漏电。
欧姆接触工艺：欧姆接触制程的目的在于降低电极金属及半导体覆盖材料（cap)之间的接触阻抗，可降低元件电极的寄生阻抗，有效提高讯号的还原度以及操作频率。欧姆接触制程包括下列各项：光刻，电子束蒸发电极，金属剥离制程以及快速升温退火。
保护层沉积与湿法蚀刻工艺: 运用等离子增强化学气相沉积（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，简称PECVD)方法沉积氮化硅于元件表面以保护元件，免受外界环境的污染与损伤，并且隔绝外界的水气保护层沉积与开孔湿法蚀刻制程，由于氮化硅保护层必须能达到保护的功能，又不至于让元件表面承受太大的应力，因此如何在制程上找出最佳化的镀膜条件，便成为此一最重要的关键工艺。
电镀金工艺：先溅射金，然后电镀金层做为支持层，以便形成联接。
Claims (10)
1.一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：从下至上依次包括衬底、重掺杂次集电极区层（1）、重掺杂铟镓磷蚀刻终止层（2）、轻掺杂集电区层（3）、基区层（4）、轻掺杂铟镓磷发射区层（5）和重掺杂发射帽层（6）。
2.根据权利要求1所述的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：所述轻掺杂铟镓磷发射区层（5）厚度为470-530埃米，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度为2.8E17 cm-3-3.2E17 cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：所述重掺杂铟镓磷蚀刻终止层（2）厚度为180-220埃米，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E18 cm-3。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：所述轻掺杂铟镓磷发射区层（5）的极边钝化，轻掺杂铟镓磷发射区层（5）台面边缘和基区层（4）边缘之间的距离为0.5-1µm。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：铟镓磷异质结双极型晶体管表面设有氮化硅钝化保护薄膜（7）。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：所述重掺杂次集电极区层（1）从下至上依次包括第一次集电极区层和第二次集电极区层，第一次集电极区层为1800-2200埃米厚度无掺杂的AlGaAs层，第二次集电极区层为5300-5700埃米厚度的GaAs层，第二次集电极区层采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于4.0E18 cm-3。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：所述轻掺杂集电区层（3）从下至上依次包括第一集电极区层、第二集电极区层和第三集电极区层，第一集电极区层为480-520埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度为4.0E18cm-3-7.0E18 cm-3；第二集电极区层为2800-3200埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N，掺杂浓度为3.8E16 cm-3-4.2E16 cm-3；第三集电极区层为7000-7600埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N，掺杂浓度为1.3E16 cm-3-1.7E16 cm-3。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：所述基区层（4）为1100-1200埃米厚度的GaAs层，采用C掺杂的P+，掺杂浓度为3.8E19 cm-3-4.2E19 cm-3。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种铟镓磷异质结双极型晶体管，其特征在于：所述重掺杂发射帽层（6）从下至上依次包括第一发射帽层、第二发射帽层和第三发射帽层，第一发射帽层为1200-1600埃米厚度的GaAs层，采用Si掺杂的N+，掺杂浓度大于4.0E18 cm-3；第二发射帽层为400-500埃米厚度的InGaAs层，采用Te掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E19 cm-3，In的浓度小于68%；第三发射帽层为400-500埃米厚度的InGaAs层，采用Te掺杂的N+，掺杂浓度大于1.0E19 cm-3，In的浓度为60%-68%。
10.一种铟镓磷异质结双极型晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在半绝缘衬底上生长外延材料结构，外延材料结构包括从下至上依次生长的重掺杂次集电极区层、重掺杂铟镓磷蚀刻终止层、轻掺杂集电区层、基区层和轻掺杂铟镓磷发射区层和重掺杂发射帽层；
S2：在重掺杂发射帽层上形成发射极欧姆接触，在基区层上形成基极欧姆接触，在重掺杂次集电极区层上形成集电极欧姆接触；
S3：运用等离子增强化学气相沉积方法沉积氮化硅于铟镓磷异质结双极型晶体管表面形成氮化硅钝化保护薄膜。
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