TW512529B - Silicon bipolar transistor, circuit arrangement and method for producing a silicon bipolar transistor - Google Patents
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Description
512529 五、發明説明(1 ) 發明背景 發明領域 本發明係有關一種矽雙載子電晶體,電路配置以及矽-雙載子電晶體之製造方法。 相關技術說明 由參考文獻[1 ]已知一種矽雙載子電晶體,這類電路配 置及以及矽-雙載子電晶體之製造方法。 正常的矽雙載子電晶體含有射極、基極、及集極。 於文獻[1 ]的已知雙載子電晶體中,已知該雙載子電晶 體之最大振盪頻率係根據下列方程式而給出的: 其中 fmax
• CBC U) • 代表的是該雙載子電晶體之最大振盪頻率 • fT代表的是該雙載子電晶體之過渡頻率 • RB代表的是該雙載子電晶體之基極電阻 • CBe代表的是該雙載子電晶體之基極/集極電容 從文獻[1 ]可以看出,必要的是減小該雙載子電晶體之 基極電阻以便使該雙載子電晶體獲致最高的可能振盪頻 率。 該雙載子電晶體之基極電阻係同時藉由其連接區域的 電氣阻抗以及具有摻雜原子之基極摻雜剖面的薄層電阻 而定出的。 當該電晶體之基極均勻地摻雜有摻雜原子時,其薄層電 阻也就是所謂擠壓電阻是反比於該基極的層厚度。 512529 五'發明説明(2 ) 不過,增加該雙載子電晶體之基極的層厚度會造成該 雙載子電晶體內少數載子之基極過渡時間τ的增加。 增加基極的摻雜使其摻雜原子超過5x 1018cnT3之濃度 ,會使該雙載子電晶體在射極與基極之間接面的擊穿電壓 減低爲過低數値,且同時增加了基極/射極空乏層之電容 量。
爲了減低其基極電阻,文獻[1 ]中所提供之該雙載子電 晶體的射極係微量地摻雜有濃度大槪爲1 018cnT3之摻雜 原子。 反之,從文獻[1 ]已知該雙載子電晶體的基極係重劑量 地摻雜有濃度大槪爲102\ιιΓ3之摻雜原子。 藉此達成的效應是,當射極具有微量摻雜時吾人能夠在 不致喪失該雙載子電晶體之射極/基極接面的阻斷能力下 使其基極具有重劑量的摻雜。
爲了增加其過渡頻率,文獻Π ]中所說明的電晶體之基 極係含有鍺。 另外,文獻[2 ]中說明的是藉由爲含有磊晶式射極的電 晶體添加碳原子以減低硼的擴散作用。 另外,文* [3]中揭示了一種具有74千兆赫之非常高 最大振盪頻率的雙載子電晶體。 文獻[6 ]說明的是一種砷化鎵爲基礎的雙載子電晶體, 其中係分別將由砷化鎵製成的P+、摻雜第一基極層和 p + -摻雜第二基極層加到由η -摻雜砷化鎵製成的射極層 上〇 -4- 512529 五、發明説明(3 ) 該Ρ Η -摻雜砷化鎵部分基極層扮演的是用於鋅摻原子的 擴散勢壘角色。該Ρ+ -摻雜砷化鎵層含有塗覆其上而扮演 著在射極與基極之間用於使鋅絕緣之勢壘層角色的η+ -摻 雜射極停駐層,用意是持續確保該射極係η-摻雜的。該 射極停駐層含有塗覆其上由砷化鎵構成的η-摻雜「分級」 射極層序列。 另外,文獻[7]顯示的是一種含有具兩個基極層之基極 的矽雙載子電晶體,其中第一基極層係塗覆於該η-摻雜射 極上之Ρ+ -摻雜基極層,而塗覆於此基極層上的則是?一-摻雜第二基極層。該第二基極層含有塗覆其上之η-摻雜亦 即微量摻雜的第一中間層,只有在那之後才將含重劑量摻 雜的η、射極塗覆於該中間層上。 這種層序列的特殊缺點是必需將該η-摻雜中間層塞入於 該基極與射極之間,這意味著在製程特別是大量生產的製 程上具有相當的複雜度,且因此產生了相當的技術性困難 度。另外,對這類電晶體而言其大量生產上的製造成本是 非常高的。 ^ 文獻[8 ]說明的是一種功率電晶體,其中的基極層含有 另一層以相同導電型式當作基極層。 文獻[9 ]說明的是一種電晶體,其中的射極區含有一由 配置於其前之基極區導電型式構成的區,該區的缺陷濃度 是低於該基極區的缺陷濃度,而其量額爲每立方厘米至少 有10u個缺陷。 文獻[1 0 ]說明的是一種半導體裝置,其中係將射極層、 512529 五、發明説明(4 ) 圍繞該射極層之內稟基極層(該射極層表面容許曝光作用) 、各外部基極層、以及落在該內稟基極層與各外部基極 層之間的各聯結基極層形成於一集極層上。 文獻[11 ]說明的是用於切換的電晶體,其中具有呈局部 下降的特徵以及含有npp + n +或pnn + P +區序列的半導體 主體。 文獻[1 2 ]說明的是一種雙載子電晶體及其製造方法,該 雙載子電晶體含有一集極區域以及圍繞該集極區域的各絕 緣區域。配置於該集極區域上的是一單晶層序列,而配置 於各絕緣區域上的是一多晶層序列,外罩層係配置於該集 極層上並將活性射極區域內的部分或全部外罩層丟除掉。 文獻[1 1 ]、[ 1 4 ]、和[1 5 ]則說明了其他砷化鎵雙載子 電晶體。 Μ之扼要說明 因此,本發明係以矽雙載子電晶體、電路配置、及其製 造方法之規格設定上的問題爲基礎,其中該矽雙載子電晶 體具有比根據文獻[3 ]之矽雙載子電晶體更高的最大振盪 頻率。 該問題係問題具有申請專利範圍各附屬項之特性的矽雙 載子電晶體、電路配置、以及矽-雙載子電晶體之製造方 法而獲致解決的。 一種矽雙載子電晶體係含有射極、基極、及集極。整個 射極都重劑量地摻雜有摻雜原子,該摻雜原子具有與各基 極區域之摻雜原子相反的導電型式。這意指若各基極區域 -6- 512529 五、發明説明(5 ) 都是η-摻雜的則整個射極都是呈重劑量p-摻雜的,若各 基極區域都是ρ -摻雜的則整個射極都是呈重劑量η -摻雜 的。$父佳的是,該射極係射極多晶政的。 將基極分組爲第一基極區域和氟二基極區域,其中該第 二基極區域係摻雜有低濃度的摻雜原子(例如摻雜有硼原 子),亦即該第二基極區域係微量地摻雜有摻雜原子。 反之,該第一基極區域係重劑量地摻雜有摻雜原子(例 如摻雜有硼原子)。 在本發明的說明中「微量摻雜」及「重劑量摻雜」之類 的形容詞應該理解爲重劑量摻雜例子裡每立方厘米的摻雜 原子數目是比微量摻雜例子裡每立方厘米的摻雜原子數目 大很多,較佳的是大了至少兩個等級。 藉由實例,該第二基極區域可能含有每立方厘米5χ 1017 到lx 1019之摻雜原子的摻雜量,而該第一基極區域可能 含有每立方厘米1019到2x 102°之摻雜原子的摻雜量。 本發明能夠淸楚地看出,係將該雙載子電晶體中正常情 形下具有儘可能均勻之摻雜量的基極分割成第一區域亦即 具有重劑量摻雜的第一基極區域以及第二區域亦即具有微 量摻雜的第二基極區域。 依這種方式,明顯地減小了基極的薄層電阻亦即基極電 阻,且甚至可能使之減小五倍以上。 根據本發明的精煉型式,該第一基極區域的寬度(第一 基極寬度W1)以及該第二基極區域的寬度(第二基極寬度 W2 )可能根據下列規格呈正比關係: 512529 五、發明説明(6 ) 較佳的是該第二基極寬度W2爲1 0奈米到40奈米,且係 以射極/基極之pn接面的必要逆電壓爲基礎而選出的,例 如對2伏特的逆電壓而言其第二基極寬度W2爲20奈米。 所選出的第一基極寬度W1是儘可能愈薄愈好。另外, 該第一基極區域的ί爹雜劑量是儘可能愈重愈好,因此不 致於後續溫度步驟期間使其剖面發生嚴重的拓寬作用。 例如,該第一基極寬度W1爲1奈米到30奈米。 、1 該第一基極區域係落在該雙載子電晶體的集極上,而從 上述規格可以看出較佳的是使之其形成得愈薄愈好亦即使 其第一基極寬度W1儘可能愈小愈好,且使其摻雜原子的劑 量儘可能愈重愈好。 爲了進一步減少該第一基極區域與該第二基極區域之間 各單獨摻雜原子的擴散作用,根據本發明的某一精煉型式 ,有利的是將碳原子供應到基極上以便減少該例如硼摻雜 原子的擴散作用。 根據本發明的某一精煉型式,有利的是能夠藉由添加鍺 原子以補償可能隨著上升之基極電荷而減少的電晶體電流 增益。另外,添加鍺原子會進一步增高該雙載子電晶體的 過渡頻率,且因此強化其最大振盪頻率。 根據本發明的另一精煉型式提供了其摻雜濃度大槪是 5x 1018厘米_3的第二基極區域以及摻雜有3x 10]9厘米·3 之摻雜原子的第一基極區域。 如同文獻[3 ]中的說明,射極視窗(亦即將要形成射極的 區域)係利用三夾結構內的乾蝕刻作用而開出的。從底部 512529 五、發明説明(7 ) 到頂部所觀測到的是,該三夾結構係含有: • P'多晶矽 •正矽酸乙酯 •氮化物 該射極視窗的側壁係由氮化物空間層製成的。 初始仍然覆蓋有氧化物層的集極係藉由各向同性的溼蝕 刻而露出的。此例中,如同文獻[4 ]中的說明係藉由對座 落其上之多晶矽施行不足蝕刻作用產生了一種多晶矽懸垂 物。 另外根據本發明的某一較佳精煉型式,使用鋁原子或是 鍺原子而不是硼原子當作摻雜原子。 不過,使用硼原子的優點是硼原子在正常下具有比其他 已知摻雜原子(當然指的是能夠用來當作替代摻雜原子的 原子)更低的擴散速率,這對用來產生兩個具有極大差異 摻雜劑量的基極區域而言是特別有利的。 一種含有至少一個這種雙載子電晶體的電路配置係特別 適用於例如行動無線電通信領域的無線電頻率應用,或者 一般而言適用於具有高時脈速率的處理器。 用於製造雙載子電晶體的方法中,較佳的是在絕緣之後 亦即在已形成該集極之後,藉由利用第一分壓的氣相磊晶 法例如使用硼乙烷當作摻雜氣體,將用來形成第一基極區 域的第一基極層成長於該集極上。 吾人應該指出的是所結合的摻雜原子對一階趨近法而言 是與施行氣相磊晶法期間所用分壓呈線性關係。 512529 五、發明説明(8 ) 於該第一基極層上,藉由利用第二分壓的氣相磊晶法成 長用來形成第二基極區域的第二基極層,該第二分壓是比 該第一分壓低很多,且同樣地在說明用於形成該第二基極 層的氣相磊晶法中使用硼乙烷當作摻雜氣體,意指該第二 基極層且因此意指該第二基極區域具有比該第一基極層亦 即該第二基極區域更微量的摻雜。 根據本發明的某一精煉型式如同隨後連結第3圖所作的 說明,當形成該基極時根據文獻[3 ]中所說明的程序添加 鍺,本發明確保了依適當方式形成由該第一基極區域及該 第二基極區域構成的步階式剖面。係將射極直接塗覆於該 第二基極區域上。且整個射極上都摻雜有重劑量的摻雜原 子。 圖式簡單說明 以下將參照各附圖詳細解釋本發明的各解釋用實施例。 第1圖係用以顯示穿透一種根據本發明的某一解釋用實 施例之雙載子電晶體的截面圖示。 第2a圖到第2c圖係用以顯示在不同的製程瞬間穿透該 雙載子電晶體結構的截面圖示。 第3圖係用以顯示第1圖中雙載子電晶體之摻雜剖面的 簡略圖示。 較佳實施例的詳細說明 第1圖顯示的是一種含有基極連接結構101、射極連接 結構1 02、和集極連接結構1 03的雙載子電晶體1 00。 該基極連接結構1 01係耦合於藉由p -摻雜多晶矽層1 04 -10- 512529 五、發明説明(9 ) 而形成的兩個基極區域上。 根據本發明的此一解釋用實施例,第一基極區域105係 含有3x 10iy厘米_3之硼摻雜原子的重劑量摻雜區域。 用來當作第二基極區域1 06的第二基極層係藉由氣相磊 晶法而成長於該第一基極區域105上,且該第二基極區域 106的摻雜劑量是每立方厘米有大槪5x 10u個摻雜原子。 如同以下將要更詳盡加以解釋的,係藉由氣相磊晶法.將 該基極特別是該第一基極區域105成長於集極層107上。 η'雜層108係埋藏於該集極層內(稱爲n + -埋入層)。 該n+-摻雜層1Q8會使集極107亦即該集極層107耦合 於該集極連接結構103上。 以下如第2a圖到第2c圖所示對一種用於製造該雙載子 電晶體之方法所作的說明,基本上係對應於文獻[3 ]中所說 明用於製造具有均勻摻雜基極之雙載子電晶體的方法。 不過,吾人也在形成該基極層的說明中提供了不同的製 造方法。 從含有矽的集極層1 07開始,如同文獻[3 ]中的說明藉 由形成於利用澱積法(化學氣相澱積法)由氣相形成之氧化 物層上的三夾結構定義出其射極區域亦即將要在製造方法 結束時用來形成射極的區域。 從底部到頂部所觀測到的是,該三夾結構係含有: • P+ -多晶矽 •正矽酸乙酯 •氮化物 -11- 512529 五、發明説明(10) 該射極視窗的側壁係由氣化物空間層製成的。 初始仍然覆蓋有氧化物層的集極係藉由各向同性的溼触 刻而露出的。此例中,如同文獻[4 ]中的說明係藉由對座 落其上之多晶矽施行不足蝕刻作用產生了一種多晶矽懸垂 物。 該集極層107係摻雜有2x 1017厘米·3的摻雜原子。 在已將薄氮化物空間層203形成於三夾結構20 1上之 後,利用溼蝕刻依不足鈾刻方式將氧化物層202形成於 Ρ+ -摻雜多晶矽層204底下,以致產生了其寬度大槪0.1微 米的接點區域205。 於另一步驟中(參見第2b圖),在650°C到900°C的溫度 以及1到1 0 t ο Η的壓力下利用氣相磊晶法成長由第一基 極層207和第二基極層208形成的基極層206。 根據此一解釋用實施例,氣相磊晶法中所用的氣體是 10到50 slm下的載氫氣體,這類載氫氣體含有以下氣體· 以便結合各碳原子以及各鍺原子而獲致該雙載子電晶體 的性質,並減少各摻雜原子(說明如下)在該第一基極區 域與該第二基極區域之間的擴散作用: •二氯矽烷(SiH2C12) •氫氯酸(HC1 ) •鍺甲烷(Gel) •甲基矽烷 其中係在其氣相磊晶分壓爲氣相磊晶總氣壓之1 (T4到1〇_2 下使用各氣體。 -12- ___ 512529 五、發明説明(11) 用於形成該第一基極層207的4摻雜氣體指的是其分壓 爲總氣壓之1 (T5的硼乙烷(B2H6)。本發明中,係在1 〇 ·4的分 壓下將鍺烷(germane, GeH〇加到該第一基極層內,使得該 第一基極層之鍺原子濃度大槪是在3χ 1〇19個硼原子下的 2 0 % ’因此產生了如弟3圖所不之鍺摻雜剖面圖如同文獻 [5 ]中所說明的。 在一階趨近法中考量與該分壓呈線性關係之摻雜濃度依 賴度下,於該第一基極層207內所產生各摻雜原子的摻雜 濃度至少是比該第二基極層208內各摻雜原子的摻雜濃度 大了兩倍。 所条出的第一基極莧度W 1是儘可能愈薄愈好。另外, 該第一基極區域的摻雜劑量是儘可能愈重愈好,因此不 致於後續溫度步驟期間使其剖面發生嚴重的拓寬作用。 例如,該第一基極寬度W1爲1奈米到3 0奈米。 於該第一基極層207上,在其分壓爲總氣壓之ΐ〇·6下 使用硼乙烷形成該第二基極層208。 如是於形成該第二基極層208期間在其分壓爲總氣壓 之1 0 5下根據如第3圖所不之剖面圖添加鍺院(g e r m a n e )。 這會產生每立方厘米大槪5x 1 018個硼摻雜原子的摻雜 濃度以及大槪5%的鍺原子。 根據此一解釋用實施例,該第二基極寬度W 2爲1 0奈米 到40奈米,且係以射極/基極之ρη接面的必要逆電壓爲基 礎而選出的,例如對2伏特的逆電壓而言其第二基極寬度 W 2爲2 0奈米。 -13- 512529 五 '發明説明) 於另一步驟中(參見第2c圖),係利用磷酸去除各氮化物 空間層203,且根據已於文獻[3 ]中作了詳細說明的方法將 η + -摻雜多晶矽射極209形成於其他空間層2 1 0上,而各空 間層2 1 0則係成長於該第二基極層2 0 8上。 根據此一程序,產生如第3圖所示之摻雜剖面圖以形成 第1圖之雙載子電晶體100。 沿著用來說明相對於該雙載子電晶體1 〇〇內各單獨層成 長方向之區域定向的橫軸301,利用縱軸302顯示出個別層 內各摻雜原子的個別濃度。 有利的是將該第一基極區域設計成儘可能愈薄愈好,並 使之摻雜有重劑量以便使各電子經由該基極的過渡時時間 維持很小。 以用來顯示該射極層209內各摻雜原子之摻雜濃度的射 極摻雜曲線303爲基礎,然後使用沿著該第二基極寬度W2 的第二基極摻雜剖面圖,顯示出於每立方厘米5χ 1018個 硼原子的第二基極層208內硼原子的摻雜剖面圖,其中該 第二基極層208基本上會依步階方式突然合倂成該第一基 極區域亦即其寬度爲W1之第一基極層207內的重劑量摻雜 區域,其中提供了每立方厘米3x1 019個硼原子的摻雜濃 度(標示爲第一基極摻雜剖面圖305 )。 虛線306顯示的是該基極中該第一基極層207及該第二 基極層208內各鍺原子的對應濃度剖面圖。平臺區域亦即 該第二基極區域係含有大槪5%的鍺原子。集極側區域亦即 該第一基極區域係含有大槪20%的鍺原子。 -14- 512529 五、發明説明(13) 實驗顯示具有如上圖所示之摻雜剖面圖的雙載子電晶體 會利用其基極剖面圖使正常爲7千歐姆的基極電阻減半爲 3 . 5千歐姆,並使其該雙載子電晶體內用於均勻基極上其値 爲1 . 5ps之過渡時間r依不顯著方式增加爲具有不同摻雜 劑量之分割基極上其値爲1 . 6 p s之過渡時間r。 參考文獻 [1] 亨尼曼(B. 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Claims (1)
- 512529 六、申請專利耗圍 第901 1 4405號「矽-雙載子電晶體,電路配置以及矽-雙 載子電晶體之製造方法」專利案 (9 1年1 0月修正) 六申請專利範圍: 一一一一^ -一一 1. 一種矽-雙載子電晶體,其特徵爲係含有基極; 射極,其上整個以重劑量方式摻雜有雜原子; 集極;其中 該基極含有第一基極區域和第二基極區域, 該第一基極區域係以重劑劑量摻雜有摻雜原子, 該第二基極區域係以微量摻雜有摻雜原子, 該射極係直接塗覆於該第二基極區域上。 2.如申請專利範圍第1項之矽-雙載子電晶體,其中該 第一基極區域係配置於比該第二基極區域更靠近該 集極處。 3·如申請專利範圍第1或2項之矽-雙載子電晶體,其 中該第一基極區域係比該第二基極區域摻雜有至少 大於2倍之更重劑量的摻雜原子。 4. 如申請專利範圍第3項之矽-雙載子電晶體,其中該 第二基極區域係具有每立方厘米5X1018個摻雜原子 的摻雜劑量。 5. 如申請專利範圍第3項之矽-雙載子電晶體,其中該 第一基極區域係具有每立方厘米3X1019個摻雜原子 的摻雜劑量。 512529 六、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第1或2項之矽·雙載子電晶體’其 中該第二基極區域體係具有10奈米到40奈米之間 的基極寬度。 7. 如申請專利範圍第1或2項之矽-雙載子電晶體’其 中該第一基極區域係具有1奈米到40奈米之間的基 極寬度。 8. 如申請專利範圍第1或2項之矽-雙載子電晶體,其 中該基極另外含有其他摻雜原子以便用來支撐該第 一基極區域與該第二基極區域之間基本上呈陡峭的 接面。 9. 如申請專利範圍第1項之矽-雙載子電晶體,其中該 摻雜原子含有硼原子。 10. 如申請專利範圍第8項之矽-雙載子電晶體,其中該 基極也含有碳原子以減小各摻雜原子的擴散作用。 11·如申請專利範圍第8項之矽-雙載子電晶體,其中該 基極含有鍺原子。 12·如申請專利範圍第1項之矽-雙載子電晶體,其中該 射極含有多晶矽。 13·-種電路配置,其特徵是含有如申請專利範圍第1 至12項中任一項之矽-雙載子電晶體,其包含: 基極; 射極,其上整個以重劑量方式摻雜有雜原子; 集極;其中 512529 六、申請專利範圍 該基極含有第一基極區域和第二基極區域, 該第一基極區域係以重劑劑量摻雜有摻雜原子, 該第二基極區域係以微量摻雜有摻雜原子, 該射極係直接塗覆於該第二基極區域上。 14. 一種矽-雙載子電晶體之製造方法,其特徵係包括: 形成集極, 形成基極,其中 該第一基極區域係重劑量摻雜有摻雜原子, 該第二基極區域係微量摻雜有摻雜原子, 射極直接形成在第二基極區域上, 整個射極以重劑量摻雜有摻雜原子。
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GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent | ||
MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |