RU155815U1 - Кремний-германиевый гетеропереходный биполярный транзистор - Google Patents

Abstract

1. Полупроводниковый биполярный транзистор, состоящий из полупроводниковой подложки, включающей активную область; полевого изолятора, окружающего активную область полупроводниковой подложки; коллектора; контактной области к коллектору; активной базы; возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, отличающийся тем, что кремний-германиевая активная база и возвышающаяся пассивная база, выполняющая функции базового контакта, полностью расположены над активной областью, а коллектор распространяется на глубину, превышающую глубину полевого изолятора, содержит контакты к коллектору, расположенные симметрично относительно возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, в любом сечении прибора плоскостью, перпендикулярной поверхности подложки и проходящей через эмиттер.2. Полупроводниковый биполярный транзистор по п. 1, отличающийся тем, что изолирующий базу от коллектора диэлектрический слой состоит из одного материала - диоксида кремния и не требует дополнительных внутренних спейсеров на границе с активной базой.3. Полупроводниковый биполярный транзистор по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен на высокоомной кремниевой подложке ориентации (100) p-типа проводимости.

Description

КРЕМНИЙ-ГЕРМАНИЕВЫЙ ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Настоящая полезная модель относится к области интегральной полупроводниковой микроэлектроники, а именно к конструкции биполярных транзисторов, которые могут быть использованы при создании сверхвысокочастотной (СВЧ) и крайне высокочастотной (КВЧ) элементной базы, в составе БиКМОП интегральных схем (ИС).

Для использования биполярного транзистора в большинстве приложений в сантиметровом диапазоне длин волн (f≥3 ГГц, СВЧ) и в миллиметровом диапазоне длин волн (f≥30 ГГц, КВЧ) необходимо, чтобы граничная частота транзистора (f_Т) - суть малосигнальный коэффициент усиления базового тока (нормально-активный режим работы), и его максимальная частота (f_max) - суть малосигнальный коэффициент усиления мощности, были не ниже 200 ГГц. Такого уровня показатели в кремниевой интегральной микроэлектронике способны демонстрировать кремний-германиевые гетеропереходные биполярные транзисторы (ГБТ).

Интегрирование кремний-германиевых гетеропереходных биполярных n-p-n транзисторов с КМОП транзисторами расширяет область применения имеющейся полупроводниковой технологии и увеличивает функциональность проектируемых на ее основе интегральных схем.

Из уровня техники известен биполярный транзистор [1], выполненный на основе гетероэпитаксиальных структур SiGe, включающий подложку из высокоомного кремния с кристаллографической ориентацией (111), буферный слой из нелегированного кремния, субколлекторный слой из сильнолегированного кремния n-типа проводимости, поверх которого сформирован коллектор из кремния n-типа проводимости, тонкая база из SiGe p-типа проводимости, эмиттер из кремния n-типа проводимости, контактные слои на основе кремния n-типа проводимости и омические контакты, при этом биполярный транзистор в области базы выполнен с обеспечением двойного ускоряющего дрейфового поля за счет плавного изменения содержания Ge вдоль базы с уменьшением его содержания от области, прилегающей к коллектору, к области, прилегающей к эмиттеру, и за счет плавного изменения концентрации легирующей примеси вдоль базы с увеличением ее от области, прилегающей к коллектору, к области, прилегающей к эмиттеру, кроме того, содержание Ge составляет около 20% в области, прилегающей к коллектору, и около 10% в области, прилегающей к эмиттеру, а концентрация легирующей примеси составляет 0,7·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к коллектору, и 2·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к эмиттеру.

Недостатками данного исполнения биполярного транзистора являются малопригодность использования кремниевых подложек ориентации (111) для изготовления КМОП части ИС, а также высокая стоимость производства прибора и сложность интеграции в КМОП ИС.

Из уровня техники известен биполярный транзистор [2], имеющий базу и самосовмещенный активный эмиттер, особенностью которого является то, что база формируется из монокристаллической эпитаксиальной области, параллельной поверхности подложки и поликристаллической высоколегированной области того же типа проводимости, перпендикулярной поверхности подложки, прилегающей к первой со всех сторон, и по крайней мере с одной стороны имеющей контакт к третьей термостойкой поликристаллической области, расположенной параллельно поверхности подложки и формирующей или включающей в свой состав внешний контакт к базе системы металлизации, отличающийся тем, что самосовмещенный активный эмиттер и высоколегированная поликристаллическая область, расположенная перпендикулярно по отношению к поверхности подложки, разделены спейсером, расположенным на перпендикулярном к подложке регионе, состоящим из одного или нескольких изолирующих слоев и, по крайней мере, одного термостойкого, хорошо проводящего, поликристаллического слоя, который электрически соединен с активным эмиттером.

Недостатком данного исполнения транзистора являются невысокие показатели граничной и максимальной частот и большая площадь, занимаемая прибором на кристалле.

Из уровня техники известна структура биполярного транзистора в составе БиКМОП ИС [3], включающая области коллектора, области базы и эмиттера, контакты к областям коллектора, базы и эмиттера, изолирующий полевой окисел вокруг области базы транзистора и между областями базы и контакта к коллектору, высоколегированную область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенную под полевым окислом, окружающим область базы, отличающаяся тем, что высоколегированная область одного с областью коллектора типа проводимости под изолирующим полевым окислом окружает область базы с четырех сторон, а контакт к области базы осуществляется через электрод из поликристаллического кремния.

Недостатками данного исполнения биполярного транзистора является его непригодность в качестве прибора СВЧ и КВЧ рабочего диапазона и сложность конструкции, обусловленная использованием трех слоев поликристаллического кремния..

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является взятый за прототип полупроводниковый биполярный транзистор [4], состоящий из полупроводниковой подложки, включающей активную область; полевого изолятора, окружающего активную область полупроводниковой подложки; коллектора; по крайней мере, одной контактной области к коллектору; базы и связанной с ней контактной области. В данном биполярном транзисторе коллектор и контактная область к нему сформированы в активной области; возвышающийся контактный базовый слой частично перекрывает активную область и отделен от нее изолирующим слоем, полевая изолирующая область заглубляется в полупроводниковую подложку от 100 до 600 нм, а коллектор распространяется в том же направлении на глубину, не превышающую глубины полевого изолятора.

Недостатками данного исполнения прибора являются сложность обеспечения заданных градиентов примесей и недостаточно высокие частотные характеристики биполярного транзистора.

Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение значений граничной и максимальной частот полупроводникового биполярного транзистора до значений ≥200 ГГц с возможностью встраивания прибора в единый с КМОП транзисторами и пассивными элементами технологический маршрут.

Обозначенный технический результат достигается за счет того, что в полупроводниковом биполярном транзисторе, состоящем из полупроводниковой подложки, включающей активную область; полевого изолятора, окружающего активную область полупроводниковой подложки; коллектора; контактной области к коллектору; кремний-германиевой активной базы; возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, кремний-германиевая активная база и возвышающаяся пассивная база, выполняющая функции базового контакта, полностью расположены над активной областью, а коллектор распространяется на глубину, превышающую глубину полевого изолятора, содержит контакты к коллектору, расположенные симметрично относительно возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, в любом сечении прибора плоскостью, перпендикулярной поверхности подложки и проходящей через эмиттер.

При этом изолирующий базу от коллектора диэлектрический слой может состоять из одного материала - диоксида кремния и не требовать дополнительных внутренних спейсеров на границе с кремний-германиевой активной базой, и биполярный транзистор может быть выполнен на высокоомной кремниевой подложке ориентации (100) p-типа проводимости.

На фигуре 1 показано сечение структуры прототипа. Цифрами обозначены области: 1 - полупроводниковая подложка, 2 - области полевого изолятора, 3 - скрытый коллекторный слой, 4а, 4б - изолирующие базу от коллектора диэлектрические слои, 4в - внутренние спейсеры, 5а - слаболегированный коллектор, 5б - кремний-германиевая активная база, 5в - слаболегированный эмиттер, 6 - изолирующий эмиттер от базы диэлектрический слой, 7 - возвышающаяся пассивная база, выполняющая функции базового контакта, 8 - сильнолегированный эмиттер, 9 - селективно имплантированный коллектор, 10 - пристеночные изолирующие структуры эмиттера, 11 - пристеночные изолирующие структуры базы, 12 - контактные коллекторные области.

На фигуре 2 изображено поперечное сечение предлагаемого кремний-германиевого гетеропереходного биполярного транзистора.

Цифрами обозначены области: 1 - полупроводниковая подложка, 2 - области полевого изолятора, 3 - скрытый коллекторный слой, 4 - изолирующий базу от коллектора диэлектрический слой, 5а - слаболегированный коллектор, 5б - кремний-германиевая активная база, 5в - слаболегированный эмиттер, 6 - изолирующий эмиттер от базы диэлектрический слой, 7 - возвышающаяся пассивная база, выполняющая функции базового контакта, 8 - сильнолегированный эмиттер, 9 - селективно имплантированный коллектор, 10 - пристеночные изолирующие структуры эмиттера, 11 - пристеночные изолирующие структуры базы, 12 - контактные коллекторные области.

Как видно из фигуры 2, основными отличиями предлагаемой конструкции биполярного транзистора от прототипа являются то, что p-n переход коллектор-подложка распространяется в подложку на глубину, превышающую глубину полевого изолятора, что расширяет возможности конструктивного исполнения прибора. Возвышающаяся пассивная база, выполняющая функции базового контакта, полностью расположена над активной областью, позволяя симметрично располагать контактные области к коллектору по бокам относительно нее в любом сечении плоскостью, перпендикулярной поверхности подложки, проходящей через эмиттер прибора, что обеспечивает меньшее сопротивление коллектора и более равномерное распределение потенциала коллектора в активной области. Изолирующие базу от коллектора области 4 состоят из одного материала - диоксида кремния, что снижает номинал емкости паразитного конденсатора база-коллектор по сравнению с аналогичной структурой из диоксида кремния и нитрида кремния, поскольку диэлектрическая проницаемость SiO₂ ниже, чем у Si₃N₄, и при таком исполнении не требуются дополнительные внутренние спейсеры на границе с активной базой.

Использование высокоомных кремниевых подложек p-типа проводимости ориентацией (100) обеспечивает низкие значения емкостей паразитных конденсаторных структур, высокую крутизну МОП транзисторов, позволяет формировать n-p-n биполярный транзистор, изолированный от других интегральных структур только p-n переходом n-коллектор - p-подложка без введения дополнительных слоев.

Области полевого изолятора 2 отделяют по поверхности прибор от соседних интегральных устройств, повышают пороговое напряжение паразитного МОП транзистора.

Области слаболегированного коллектора 5а и слаболегированного эмиттера 5в необходимы для лучшего контроля профилей примеси на границе со слоем кремний-германиевой активной базы 5б и более совершенной структуры активной части прибора. Кроме того, слой 5в снижает механические напряжения системы Si/SiGe, повышая ее термомеханическую стойкость, сохраняя псевдоморфной, что в свою очередь ведет к деформации долин зоны проводимости, повышая подвижность электронов и граничную частоту биполярного транзистора.

Селективно-имплантированный коллектор (СИК) 9 служит для снижения сопротивления коллектора и при этом существенно не увеличивает барьерную емкость p-n перехода база-коллектор.

Двуслойные пристеночные изолирующие структуры эмиттера 10 и базы 11 из диоксида и нитрида кремния - «спейсеры» - латерально отделяют сильнолегированный эмиттер от возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, и возвышающуюся пассивную базу, выполняющую функции базового контакта, от активной области, соответственно, при формировании последующих слоев.

Области контактов 12 n-типа проводимости к скрытому коллекторному слою 3 и возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, 7 p-типа проводимости, контактирующей с кремний-германиевой активной базой, обеспечивают невыпрямляющие контакты системы металлизации, низкое контактное и последовательное сопротивление.

Ниже приведен возможный вариант конструктивного исполнения кремний-германиевого гетеропереходного биполярного транзистора и результаты его моделирования в сравнении с результатами моделирования прибора в конструктивном исполнении по прототипу.

Моделируемый кремний-германиевый гетеропереходный биполярный транзистор выполнен на подложке p-типа проводимости с сопротивлением 50 Ом·см 1 с кристаллографической ориентацией (100). Области полевого изолятора (боковой диэлектрической изоляции) 2 ограничивают со всех сторон так называемую активную область прибора, которая в дальнейшем станет коллектором ГБТ.

Скрытый коллектор 3 n-типа проводимости, формируемый в один или несколько этапов, имеет пик профиля примеси в глубине подложки, на расстоянии 80 нм от поверхности подложки концентрацией 2,4·10¹⁹ см^-3. Изолирующие базу от коллектора диэлектрические области из диоксида кремния 4 биполярного транзистора формируются толщиной 50 нм. Буферный эпитаксиальный слой из нелегированного кремния 5а толщиной 70 нм, слой кремний-германия 5б толщиной 43 нм и стабилизирующий слой нелегированного кремния 5в толщиной 30 нм формируют слои слаболегированного коллектора, кремний-германиевой активной базы и слаболегированного эмиттера биполярного транзистора соответственно. Мольная доля германия в твердом растворе кремний-германия возрастает от области слаболегированного эмиттера в сторону слаболегированного коллектора, достигая своего максимума 28% на расстоянии, приблизительно половины общей толщины слоя, сохраняя ее значение вплоть до границы со слаболегированным коллектором, толщина легированного бором слоя кремний-германия меньше общей толщины слоя SiGe. Выполнение данного условия обеспечивает долю германия на p-n переходе база-эмиттер не менее 5%.

Кремний-германиевый слой 5б содержит в своем составе углерод концентрацией 0,2%. Максимальная концентрация активных атомов бора в базе при этом составляет 3,2·10¹⁹ см^-3.

Диэлектрический слой 6 из диоксида кремния, толщиной 50 нм, выполняет роль изолятора между эмиттером и базой биполярного транзистора. Ширина изолирующих областей 6 выбирается таким образом, что после формирования возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, 7 и введения примеси p-типа в него, а также финальной термообработки структуры положение p-n перехода под изолирующими областями 6, определяемое боковой диффузией примесей из областей сильнолегированного эмиттера 8 и возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, 7, пришлось приблизительно на середину ширины изолятора между базой и эмиттером.

Профили примесей скрытого коллектора 3 и СИК 9 перекрываются на уровне концентрации 3·10¹⁸ см^-3, при пиковой концентрации примеси в СИК 6,3·10¹⁸ см^-3. Концентрация примеси возрастает в 4 раза на расстоянии 100 нм от p-n перехода база-коллектор вглубь подложки. При этом концентрация n-примеси в слаболегированном эмиттере составляет 2·10¹⁸ см^-3.

Слой сильнолегированного эмиттера 8 формируется толщиной 200 нм со встроенной примесью мышьяка концентрацией не менее 1·10²⁰ см^-3. Толщины слоев, изолирующих сильнолегированный эмиттер от возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, (область 10) и возвышающуюся пассивную базу, выполняющую функции базового контакта, от коллектора (область 11) составляют 20 нм для диоксида кремния и 50 нм - для нитрида кремния.

Область возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, 7, как и области контактов коллектора 12, должна быть легирована на уровне концентрации не меньше 1·10¹⁹ см^-3 соответствующим типом примеси.

Результаты приборного моделирования граничной и максимальной частот кремний-германиевого гетеропереходного биполярного транзистора конструкции по настоящей полезной модели в сравнении с конструкцией прототипа при равных толщинах соответствующих слоев и равных концентрациях примесей приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, конструктивное исполнение прибора по настоящей полезной модели позволяет повысить в первую очередь граничную частоту кремний-германиевого гетеропереходного биполярного транзистора, позволяя достигнуть поставленный технический результат.

Список используемых источников

[1]. Аветисян Г.Х., Перевезенцев А.В., Шишков Д.В. Биполярный транзистор на основе гетероэпитаксиальных структур и способ его изготовления // Патент России на изобретение RU 2507633 С1 от 24.09.2012 г.

[2]. Эвальд К.-Э., Фокс А., Кнолль Д., Хейнеманн Б., Маршмайер С, Блюм К. БиКМОП структура, метод ее производства и биполярный транзистор для БиКМОП структуры // Патент на изобретение US 7307336 В2 от 06.12.2002 г.

[3]. Горнев Е.С., Лукасевич М.И., Морозов В.Ф., Приходько П.С. Структура биполярного транзистора в составе БиКМОП ИС // Патент России на изобретение RU 2210838 С2 от 09.07.2001.

[4]. Хейнеманн Б., Кнолль Д., Эвальд К.-Э., Рекер X. Полупроводниковый прибор и метод его изготовления // Патент на изобретение US 7323390 В2 от 05.01.2003 г.

Claims (3)

1. Полупроводниковый биполярный транзистор, состоящий из полупроводниковой подложки, включающей активную область; полевого изолятора, окружающего активную область полупроводниковой подложки; коллектора; контактной области к коллектору; активной базы; возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, отличающийся тем, что кремний-германиевая активная база и возвышающаяся пассивная база, выполняющая функции базового контакта, полностью расположены над активной областью, а коллектор распространяется на глубину, превышающую глубину полевого изолятора, содержит контакты к коллектору, расположенные симметрично относительно возвышающейся пассивной базы, выполняющей функции базового контакта, в любом сечении прибора плоскостью, перпендикулярной поверхности подложки и проходящей через эмиттер.

2. Полупроводниковый биполярный транзистор по п. 1, отличающийся тем, что изолирующий базу от коллектора диэлектрический слой состоит из одного материала - диоксида кремния и не требует дополнительных внутренних спейсеров на границе с активной базой.

3. Полупроводниковый биполярный транзистор по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен на высокоомной кремниевой подложке ориентации (100) p-типа проводимости.

Images