TW200428535A - Bipolar transistor and integrated circuit device - Google Patents
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Description
200428535 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種電流增益變動小的雙極電晶體。 【先前技術】 近年來已實現一種在基極層使用矽鍺（以下稱SiGe)半導 體之異質接合型雙極電晶體（以下稱ΗΒτ)，並且在可攜式通 訊機器等類比高頻電路，亦利用採用矽基板之半導體元 件。伴隨於此，對於雙極電晶體要求更進一步提升高頻特 性，並追求基極層之薄層化及摻雜物之高濃度化等。 將基極層薄層化時，可能發生的狀況之一為電晶體特性 文動的產生。為了解決此狀況、獲得均一特性之電晶體， 如特開2001-68480號公報及特開平丨_296664號公報等所揭 不，進行基極層之Ge輪廓及雜質之摻雜輪廓（D〇pmg Profile)之最適化。 圖9係表不為了獲得高速且高精度特性而提案，採用具有 代表性之傾斜型Ge輪廓之SlGe2HBT(本說明書中簡稱 SiGe-HBT)之構造之剖面圖（參考特開2〇〇1-6848〇號公報）。 如圖9所示，以往的SlGe-HBT1〇〇〇形成於Si半導體基板} 上。Si半導體基板〗之上部形成有^半導體所組成之n型集極 層2 ’以及溝槽隔離區域Ua&m。而且，於^半導體基板 1上之區域Ra，在11型集極層2上依序形成SiGe半導體所組成 之無摻雜間隙層3、SlGe半導體所組成之？型基極層4、SiGe 半導體所組成in型射極層5 ' Sl半導體所組成之11型射極層 6及多晶矽半導體所組成之η型射極層7，與無摻雜間隙層
O:\91\91621.DOC 200428535 3、p型基極層4及η型射搞屉^ L ^層6郴接而形成多晶矽所組成之p 乂外部基極層1 2。於Ό刑冰立曾 、Ρ土外邛基極層12上形成有基極電極 9 ’ η型射極層7上形成有射^帝 射極兒極10。並且，於Si半導體基 板1上之區域Rb，在^型隼揣爲9 l r丄 玉市柽層2上形成有集極電極8。 通常’由構成無摻雜間隙層3、㈣基極層…型射極層5 之s:Ge所組成之半導體層係於。型集極層2上，以蟲晶沈積 而形成’於其上方形成摻雜n型摻雜物之多晶矽所組成的n 型射極層7 ’以熱擴散使㈣射極層7中之n型換雜物擴散於 所組成之半導體！’形成基極—射極接合。以熱擴散 形成基極一射極間之pn接合係由於無法同時將η型及p型磊 晶沈積；於!!型射極層7使用多晶矽係由於多晶矽的沈積速 度陕。右欲避免裝置的Ge污染時，如本以往例_般，將siGe 所組成之半導體層結晶沈積之後，疊層Si半導體層（亦即n 型射極層6)，製成覆蓋SiGe所組成之半導體層的構造。 由SiGe所組成之半導體層之Ge組成係由射極側朝向集極 側增大而構成。藉由如此增加Ge組成，於SiGe所組成之半 V體層内’能帶逐漸縮小，導電帶（c〇nducti〇n Band)傾斜。 由於此傾斜，行經p型基極層4之電子被漂移電場所加速， 南速地由η型射極層5朝向n型集極層2而通過p型基極層4，
SiGe-HBTl〇〇〇將能以高速動作。 圖10係表示圖9所示之沿著X-X線方向之SiGe-HBT1000 之Ge輪廓圖。橫軸係表示由^型射極層7上面之結晶體中之 深度’縱軸係表示Ge組成比（％)。又，圖1 〇中表示形成於射 極、基極及集極之各接合附近之空乏層。
O:\91\91621.DOC 200428535 上述以往之SiGe-HBTlOOO之特徵在於，p型基極層4之帶 隙比射極、極之TfT隙小，並且具有在與射極接合附近保 持一定、朝向與集極之接合部而減少之分佈。特別是如圖 10所示，形成於基極一射極接合附近之空乏層之基極側之 端部Β係帶隙位於一定位置而構成。 上述以往之SiGe-HBTl〇〇〇的優點在於，即使η型射極層5 之深度由於製程之變動而變化，空乏層之基極側之端部位 置Β變化時’端部位置Β之Ge組成仍為一定，故集極電流難 以變動。 [專利文獻1]特開2001-68480號公報 [專利文獻2]特開平1-296664號公報 【發明内容】 如先前所說明，於上述以往之SiGe-HBT1〇〇〇，由構成無 摻雜間隙層3、p型基極層4及η型射極層5之SiGe所組成之半 導體層係於η型集極層2上，以磊晶沈積而形成，於其上方 形成摻雜η型格雜物之多晶石夕所組成的^型射極層7 ,以熱擴 散使η型射極層7中之η型摻雜物擴散於SiGe所組成之半導 體層，形成基極一射極接合。 然而，如上述所製作之SiGe-HBTlOOO，例如·· ^型射極 層7與η型射極層6之界面附著氧化物等雜質，或者失去11型 射極層7與η型射極層6之界面之平坦性等，基極電流產生變 動。因此，上述SlGe-HBT1000雖可抑制集極電流的變動， 但無法抑制基極電流的變動。故，抑制基極電流與集極電 流之比，亦即電流增益（hfe)變動的效果亦小。
O:\91\91621.DOC 200428535 “：、、丨而例如·於同一基板上所製作之複數SiGe-HBT間之 2机增盈（hfe)變動會直接影響製品的良率。特別是在差動 甩路所構成之積體電路裝置，鄰接2W@SiGe_HBT的特性 大致均。故，不僅是集極電流，重要的是同時減低基 極電流變動，抑制電流增益（hfe)變動。 本發明係有鑑於上述事由而實現者，其目的在於提供一 種包衣增盈（hfe)變動小的雙極電晶體。 备月之雙極電晶體具備：集極層；基極層，其係鄰接 ;上述木極層而形成者；及射極層，其係鄰接於上述基極 曰而幵/成者’且上述射極層具有：第一射極區$，其係鄰 接於上述基極層者；及第二射極區域，其係鄰接於上述第 射極區域，帶隙比上述第一射極區域大者；藉由與上述 基極層之接合，形成於上述射極層内之空乏層僅位於上述 苐一射極區域内。 f由此構成’於射極區域内將存在載體再結合確率 上歼之中性區域。若第一射極區域内若形成中性區域，則 基極電流增大，相對於基極電流本身的值，基極電流的變 ，將充$交小。故’基極電流的變動被抑制，作為基極電 流與集極電流之比之電流增益⑽）的變動被抑制。故，即 使將本發明之雙極電晶體製作於複數晶圓i，由於各晶圓 間之基極電流及電流增益（hfe)變動小，故製造良率提升。 上述第一射極區域之最大厚度宜在1〇 nm以上。 上述第-射極區域亦可為SlG^SlGeC所組成之構成。 上述第一射極區域宜比上述基極層多含有氧。
O:\9I\91621.DOC 2U0428535 :此’於第-射極區域内形成再結合中心，載體的生命 期縮短。因此’再結合電流增大’基極電流增大。故，可 更減低基極電流及電流增益（hfe)之變動。 亦可在構成上進-步具備第三射極區域，其係鄰接於上 述第二射極區域而設置，並由多晶矽所組成者。 、本毛明之雙極電晶體之構成係基極—射極間之施加電壓 為〇·7 V時，射極面積每1平方微米流過〇.3χΐ(Τ6安培以上之 基極電流。 本發明之積體電路裝置具備：基板；及形成於上述基板 上之複數雙極電晶體；且上述複數雙極電晶體分別具備： 集㈣’其係形成於±述基板上者；基極層，其係鄰接於 上述集極層而形成者；及射極層，其係鄰接於上述基極層 而开:成者，上述射極層具有：第一射極區$，其係鄰接於 上述基極層者；及第二射極區域，其係鄰接於上述第一射 極區域，帶隙比上述第一射極區域大者；#由與上述基極 層之接合，形成於上述射極層内之空乏層僅位於上述第一 射極區域内。 於上述複數雙極電晶體之各個，基極電流之變動被抑 制，作為基極電流與集極電流之比之電流增益（hfe)的變動 被抑制。故，設置於丨個基板上之複數雙極電晶體間之基極 電流及電流增益（hfe)的變動小，因此在要求設置於丨個基板 上之各雙極電晶體具備大致均一特性時，可獲得高良率之 積體電路裝置。 【發明效果】
O:\9I\91621.DOC -10- 200428535 根據本發明，可提供一種電流增益（hfe)之變動小的雙極 電晶體。 【實施方式】 以下，參考圖式說明本發明之實施型態。再者，本說明 書中’為了避免繁雜的記載，使本發明易於理解，故對於 與以往之SiGe-ΗΒΤΙΟΟΟ共通之構成要素係使用共通的參 考符號。 圖1係表示本實施型態之SiGe-HBT之構造之剖面圖。 如圖1所示，本實施型態之SiGe_H]BT100形成於Si半導體 基板1上。Si半導體基板丨之上部形成有Si半導體所組成之^ 型集極層2及溝槽隔離區域1 la及1 lb。又，於Si半導體基板 1上之區域Ra，在n型集極層2上依序形成SiGe半導體所組成 之無摻雜間隙層3、SiGe半導體所組成之？型基極層4、Si^ 半導體所組成之n型射極層5a、以半導體所組成之η型射極 層6a、多晶矽所組成之η型射極層7，鄰接於無摻雜間隙層 3、Ρ型基極層4及〇型射極層以，形成多晶石夕所組成之ρ型外 部基極層12。於ρ型外部基極層12上形成有基極電極9,於η 型射極層7上形成有射極電極⑺。i且’於si半導體基板丄 上之區域Rb ’在㈣集極層2上形成有集極電極8。 由構成無摻雜間隙層3、p型基極層…型射極層“之 I:所=之半導體層係於η型集極層2上，以蟲晶沈積而 乂 、/、上方形成摻雜n型摻雜物之多晶矽所組成的11型 射極層7 ’以熱擴散使_射極層7中之
SiGe所組成之本道舰成 ^ 成之+導體層，形成基極—射極接合。又，本實
O:\91\9I621.DOC -11- 200428535 施型態，與以往㈣，使⑽所組成之半導體層結晶沈積 後且層呂1半$體層（亦即n型射極層6a)，製成覆蓋^Ge 所組成之半導體層的構造。再者，本實施型態中，採用咐） 作為η型摻雜物，採用B(硼）作為p型摻雜物。 總言之，本實施型態之SlGe_HBT1⑻具有大致與以往之 SiGe-则_相同之剖面構造。但是，n型射極層化不同於 以往之SiGe-HBTl〇〇〇。此係說明如下。 圖2係表示圖1所示之沿著^線方向之SiGe_HBTi⑼之^ 輪廓及雜質輪廓圖。橫軸係表示由n型射極層7之上面的深 度，縱軸係表示Ge組成比（％)及雜質濃度⑷⑽卜㈣-3)。又， 圖2中表不形成於基極一射極接合附近之空乏層之射極側 之端部A及基極側之端部b。 如圖2所示，由構成無摻雜間隙層3、卩型基極層4&n型射 極層5a之SiGe所組成之半導體層係Ge由射極側朝向集極側 逐漸增加之傾斜型輪廓。具體而言，在p型基極層4内，Ge 組成由15%增加至27%，在基極—射極接合附近為15%，保 持在一疋。比較圖2及圖1 〇，可知本實施型態之 SiGe-ΗΒΤΙΟΟ中，Ge深入分佈於射極側。 如圖10所示’以往之SiGe-ΗΒΤΙΟΟΟ中，在Ge組成比為一 定（15 %)分佈之處有基極一射極接合，但形成於基極一射極 接合附近之空乏層之端部A不分佈於Ge組成比為一定 (1 5 %)的區域。總吕之’形成於基極一射極接合附近之空乏 層超過η型射極層5，甚至在n型射極層6a内部形成。 另一方面，如圖2所示，本實施型態之SiGe_HBT100中， O:\91\91621.DOC -12- 200428535 在Ge組成比為一定（15%)分佈之處有基極—射極接合，形成 於基極、射極接合附近之空乏層之端部A及B均分佈於Ge 、、且成比為一疋（15%)的區域。總言之，形成於基極—射極接 3附近之二乏層僅形成於^型射極層5 a内部。 亚且，如圖2所示，本實施型態之SlGe_HBT1〇〇*，藉由 基極—射極接合而形成於射極側之中性區域N亦分佈於Ge 組成比為一定（15%)之區域（亦即η型射極層5a)。參考圖3說 明此情況。 圖3係表示在與基極層之接合附近之射極層，具備組成 比15%之SiGe半導體所組成之部分iSiGe_HBT之能帶輪廓 及載體濃度之輪廓圖。在此，Ec為導體的下端，Ev為價電 子帶的上端。 在以以半導體與Si半導體之異質接合中，SiGe半導體之 帶隙較窄，SiGe半導體與以半導體之帶隙差係如圖3中之圓 C1所示’出現於價電子帶（Valence Band)。因此，如圖3中 之圓C2所示，在射極層之SlGe半導體所組成之部分，電洞 密度變高。總言之，在射極層之SlGe半導體所組成的部分， 容易儲存電洞。 此於本實施型態之SiGe-ΗΒΤΙΟΟ亦同理可推。亦即，本 實施型態之SiGe-HBTlOO之η型射極層5a含有15% Ge，故相 較於Si半導體所組成之η型射極層6a，^型射極層5a之價電 子帶上昇。因此，於n型射極層5a形成容易儲存電洞之中性 區域（圖2中之區域N)。 如此’本實施型態之SlGe-HBT100中，在基極—射極接 O:\91\9162I.DOC -13 - 200428535 合之射極側形成中性區域N，中性區域]^之帶隙窄，作為少 數載體之電洞的密度高，故載體在結合之確率上昇。因此， 在與以往之SlGe-HBT1000完全相同之動作條件下’於本實 施型態之SiGe-ΗΒΤΙΟΟ，基極電流將增大。 圖4係表示本實施型態之SlGe_HBT1〇〇之基極電流及n型 射極層5a之厚度之關係圖。在此，橫軸係將圖丨所示之沿著 I-Ι線方向2SlGe-HBT100之深度，以基極—射極接合為°原 點而表示。縱軸表示基極電流及Ge組成比。又，一併記載 硼（B)及磷（P)之雜質輪廓模式圖。 圖4係由構成無摻雜間隙層3、？型基極層4&n型射極層& 之SlGe所組成之半導體層之&組成由基極—射極接合=朝 向基極側，一定區域的厚度成*1〇nm’由基極—射極接合 面至η型射極層7下面的厚度固定在2〇 nm，變化η型射極層 53及1!型射極層6a之膜厚，使成為〇 nm/2〇 nm(圖中勾、5 nm/15 nm(圖中 b)、10 nm/1〇 nm(圖中 c)、15 nm/5 nm(圖中 d)，以比較基極電流之結果。又’亦表示使上述_所組 成之半導體層之Ge組成-定之部分的厚度為5麵，構成n 型射極層6aiSl所組成之半導體層膜厚為25nm，形成於上
Ge所組成之半導體層±，不形成^型射極層^之情況 (圖中e)。再者，於SlGe所組成之半導體沈積時，摻雜心 1019 atoms · cm'3之侧（B)。 根據圖4’相較於未形成n型射極層化之情況，隨著n型射 極層5a之厚度變厚，基極電流增大。特別是η型射極層^之 厚度在iOnm以上時，增加率變大。此乃由於變成上述厚度
O:\91\91621.DOC -14- 200428535 時，η型射極層5a將含有中 區域，口此而增加之再結合電 λ/IL所致。疋里而ό，基極雷厭炎^ — ? 兒壓為〇·7 V，集極電流為15 v時， 射極面積每1 μηι2之基極φ、、亡 8 Α 炫兒流在0·3χ10 δ八以上時會出現效 果。 一般而言’將多晶石夕用於射極之雙極電晶體之基極電流 及電流增益(_之變動亦可藉由多晶矽形成前之表面處理 等而改善。因Λ ’原因可能是形成於射極之多晶矽界面之 氧化物或其他雜質的存在等，但原因並不完全明確。故， 難以將基極電流及電流増益（hfe)控制在現今以上之高精 度。 然而，製作之電晶體之現狀製程所導致的基極電流變動 與藉由真性半導體部分所流過之基極電流本身的值較接 近。因此，藉由本實施型態，若使基極電流增大，則相對 於基極電流本身的值，變動將變得不明顯。總言之，可減 低基極電流之變動。當然，亦可減低電流增益（hf〇之變動。 又’與以往例相同，本實施型態之SiGe_HBT1〇〇中，集 極電流的變動小，故可更減低電流增益（hfe)之變動。 亚且’本實施型態之SiGe-HBTlOO中，基極一射極接合 形成於帶隙小的SiGe半導體中，故可使低基極電壓成為開 啟電壓。因此，本實施型態iSiGe-HBT100可低電壓動作， 亦適於低耗電電路。 再者’本實施型態係以Si半導體及SiGe半導體之HBT為 例而說明，但組合SiGeC半導體、SiC半導體等其他半導體 材料’製成同樣之能帶構造而形成者，亦可獲得相同效果。
O:\91\9I621.DOC -15 - 200428535 以下，說明使SiGeC所組成之半導粬 千導肢層結晶沈積之方法。
SiGeC層係採用超高真空化學 礼相沈積裝置（UHV-CVD 裝置），在10_8 Ton*以下之超高直办北 / 门”二月壓下進行結晶沈積而 形成。原料氣體使用例如：Sl?H氧 6虱體作為Si原料，GeH4氣 體作為Ge原料，SlH3CH3氣體作 F 原枓。例如：若在490 °C，以氣體壓 7xl0·5 T〇rr將Sl2H 氣 # @ a 2 6虱體結晶沈積，以氣體壓 1.7xHT Torr將GeH4氣體結晶沈積 償以虱體壓5xl〇-6Torr將
SiHbCH3氣體結晶沈積，將獲得〇 卞e/辰度22〇/〇、光柵位置C濃 度為0.8。/。之SiGeC結晶。 η型射極層5a之Ge組成比與其為你u 、苟例如· 5%等低組成比， 不如為本實施型態所示之15%等高組成比，由於電洞的儲 存會變多，古文較適宜。特別是若使n型射極層53之&組成比 為在7%以上之組成比時，再結合電流將顯著增大。 又，若於η型射極層5a添加氧，使比？型基極層4之含氧量 多’則形成再結合中心’載體之生命期將縮短。因此，再 結合電流增大，基極電流增大。,文，可更減低基極電流及 電流增益（hfe)之變動。圖5係表示&組成比為15%至3〇%時 2S!Ge半導體之載體生命期之含氧濃度依存性之示意圖。 由於含有氧，載體之生命期變短。再者，於㈣射極層h添 力氧的方法係形成構成無摻雜間隙層3、p型基極層4及打型 射極層5aiSlGe所組成之半導體層，其後注入氧。又，亦 可於slGe所組成之半導體層之結晶沈積時，添加〇2氣體。 又，以SiGeC半導體取代SiGe，形成構成無摻雜間隙層3、 P型基極層4及η型射極層5aiSlGe所組成之半導體層亦
0\91\9162I.DOC -16- 200428535 可。於η型射極層5a形成起因於光柵間碳之再結合中心，可 縮短載體生命期。因此，可促進再結合電流，更減低基極 電流及電流增益（hfe)之變動。圖6係表示於本實施型態之 SiGe-HBTl 00，於SiGeC所組成之半導體層形成無摻雜間隙 層3及p型基極層4而成為SlGeC_HBT時之基極電流之碳組 成依存性之不意圖。如圖6所示，在0.2%至〇·8%的範圍内， 隨著碳組成的增大，起因於再結合電流之基極電流增大。 同樣地，即使以SlC半導體取代SlGe，形成構成無摻雜間 隙層3、p型基極層4及η型射極層化之义^所組成之半導體 層，仍可於η型射極層5a形成起因於光栅間碳之再結合中 心，縮短載體生命期。因此，可促進再結合電流，更減低 基極電流及電流增益（hfe)之變動。 圖7及圖8係表示採用本實施型態之SiGe-HBT1〇〇之電路 之不意圖。此等電路為例如：可攜式通訊系統及光通訊系 統所使用之放大電路。 於圖7所示之電路，各電晶體1〇1〜1〇6之構造完全與本實 施型恶之SiGe-HBTl 〇〇相同。圖8所示之電路中，電晶體 及202之構造分別與本實施型態之SlGe-HBTl〇〇完全相同。 任一情況中，採用本實施型態之電流增益變動小的 SiGe-HBTlOO製作積體電路裝置，將可獲得各 特性均一，良率高之積體電路裝置。 又，不僅止於圖示之放大電路，適用於振盪電路、合成 器、PLL(Phase Locked Loop :鎖相環路）、混頻器、多工器、 解多工器等構成通訊系統之其他區塊之積體電路裝置，亦 O:\91\91621.DOC -17- 200428535 可獲得mHBT之特性大致均—、高良率之積體電 置。 " 【產業上之利用可能性】 本發明之雙極電晶體係使用於積體電路裝置等，其係構 成以可攜式通訊機器、無線LAN等為首之要求高頻特性之 放大電路及混頻器等者。 【圖式簡單說明】 圖1係表示本實施型態之SlGe-HBT之構造之剖面圖。 圖2係表示圖1所示之沿著J丄線方向之SiGe_HBTi㈧之& 輪磨及雜質輪康圖。 圖3係表示在與基極層之接合附近之射極層，具備&組成 比HyoiSiGe半導體所組成之部分之SiGe-HBT之能帶輪廓 及載體濃度之輪廓圖。 圖4係表示本實施型態之SiGe-HBTl〇〇之基極電流及11型 射極層5a之最大厚度之關係圖。 圖5係表示Ge組成比為15%至30%時之SiGe半導體之載體 生命期之含氧濃度依存性之示意圖。 圖6係表示於本實施型態之SiGeC-HBT之基極電流之碳 組成依存性之示意圖。 圖7係表示採用本發明之實施型態之SiGe-HBT之電路之 示意圖。 圖8係表示採用本發明之實施型態之SiGe-HBT之電路之 不意圖。 圖9係表示以往之SiGe-HBT之構造之剖面圖。
O:\91\91621.DOC -18- 200428535 圖10係表示圖9所示之沿著X-X線方向之SiGe-HBT之Ge 輪腐圖。 【圖式代表符號說明】 1 2 3 4 5, 5a 6，6 a 7 8 9 10 11a，lib 12
Si半導體基板 n型集極層 無摻雜間隙層 Ρ型基極層 η型射極層 η型射極層 η型射極層 集極電極 基極電極 射極電極 溝槽隔離區域 ρ型外部基極層 101，102, 103，104, 105, 106， SiGe-HBT201， 202, 100, 1000 O:\91\91621.DOC -19-
Claims (1)
- 200428535 拾、申請專利範圍： !· 一種雙極電晶體，其係具備·· 集極層； 基極層，其係鄰接於上述集極層而形成者；及 射極層，其係鄰接於上述基極層而形成者；且 迷射極層具有··第一射極區域，其係鄰接於上述基 極層者；及第二射極區域’其係鄰接於上述第—射極區 域，帶隙比上述第一射極區域大者； 猎由與上述基極層之接合，形成於上述射極層内之空 乏層僅位於上述第一射極區域内。 2·如申請專利範圍第丨項之雙極電晶體，其中 上述第一射極區域之厚度為10 nm以上。 3·如申請專利範圍第丨項之雙極電晶體，其中 上述第一射極區域係由SiGe4SiGeC所組成。 4·如申請專利範圍第3項之雙極電晶體，其中 上述第一射極區域比上述基極層多含有氧。 5.如申請專利範圍第3項之雙極電晶體，其中 進步包含第二射極區域，其係以鄰接於上述第二射 極區域之方式設置，並由多晶矽所組成者。 6· 士申明專利範圍第丨至5項中任一項之雙極電晶體，其中 基極〜·射極間之施加電壓為〇 7 V時，射極面積每丨平方 微米流過0·3χ10-6安培以上之基極電流。 7· 一種積體電路裝置，其係具備：基板；及形成於上述基 板上之複數雙極電晶體；且 O:\91\91621.DOC 200428535 上述複數雙極電晶體分別具備： 木極層，其係形成於上述基板上者； 基極層’其係鄰接於上述集極層而形成者 射極層，其係鄰接於上述基極層而形成者·’ 上述射極層具有：第一射極區域，其係鄰’ 極層者；及第二射極， i 、 u 册w /、#接於上述第一射極區 域’耶隙比上述第-射極區域大者； 措由與上述基極層之接合，形成於上述射極層内之空 乏層僅位於上述第—射極區域内。 O:\91\91621 DOC
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