TWI285963B - Semiconductor device - Google Patents

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1285963 玖、發明說明： 【發明所屬—之技術領域】 本發明相關半導體裝置，尤其相關於一碳鍺化矽（SiGeC) 異雙極電晶體（SiGeC-HBT)，其成分由化學式表示為 Si!-x-yGexCy(以下簡稱為 SiGeC)。 【先前技術】 近年來，由於日常生活中廣泛使用諸如行動電話及無線 區域網路（LAN)等無線通信設備，對高頻1(：的需求日益增加 。傳統上’能在高頻區域操作的半導體裝置如不用高成本 複合半導體處理科技實難以裝配，因此，若可使用矽處理 來裝配此類半導體裝置，就成本及整合而言將極為有利。 在眾夕不同半導體裝置中’用於無線通信的類比放大電路 尤其需要雙極電極體，而因此正積極尋見一能以高頻低耗 電操作的雙極電晶體。 在此點上，一異雙極電晶體（SiGeC-HBT)近來已成為適於 達成此類能以高頻操作的低耗能雙極電極體的手段，其中 使用磊晶生長-一 SiGe:C晶體的技術而形成該異雙極電晶體 之核心基極層。因為藉此類技術形成的基極層可具有極小 寬度（其造成基極層傳輸時間r f的減少），而令SiGeC-HBT 已改良南頻特性。 圖7(a)以剖面圖式意說明一習用siGeC-HBT的示範結構 ’而圖7(b)說明其射極/基極薄片部分中Ge含量、c含量及 雜質濃度的剖析資料。 如圖7(a)所示，該SiGeC_H]BT包括一 Si基板101、一 Si蟲 84869 1285963 晶生長層102、深溝隔離103、一淺溝隔離i〇4、一埋藏式n+ 層105，及一 SIC(自行校準植入式集極）層1〇6。藉由磊晶生 長而在Si基板101上形成Si磊晶生長層1〇2 ;經過Si磊晶生長 層102以達到Si基板101的部分而形成環繞一 HBT區域的深 溝隔離103 ;在Si蟲晶生長層102的一部分中形成淺溝隔離 104。橫過Si基板101與Si磊晶生長層1〇2間的邊界形成含η 型雜質（諸如高濃度的珅（As))的埋藏式Ν+層105 ;藉由在Si 磊晶生長層102中植入η型雜質（諸如磷（p))的離子而形成與 埋藏式Ν+層105接觸的SIC層106。在SIC層106上，在一集極 層（位於Si磊晶生長層102之内）上形成一射極/基極薄片部 分120，其藉由堆疊SiGeC及Si層而得到。 如圖7(a)右上方的放大圖所示，射極/基極薄片部分12〇 包括一 SiGeC間隔層121、一 SiGeC核心基極層122、一 Si帽 罩層123，及一射極層125。在Si磊晶生長層1〇2(集極層）上 磊晶生長SiGeC間隔層121 ;在SiGeC間隔層121上磊晶生長 含高濃度硼的SiGeC核心基極層122 ;在SiGeC核心基極層 122上磊晶生—長Si帽罩層123 ;藉由在Si帽罩層123中摻入η 型雜質（諸如磷（Ρ))而形成射極層125。 此外，在射極/基極薄片部分120上，在侧邊設置一外部 基極層111，並在射極/基極薄片部分12〇上設置一絕緣層η3 及一射極112。絕緣層113環繞該射極的一開口，而射極112 由絕緣層113環繞，並在射極的開口與射極層125接觸。射 極112由含高濃度η型雜質（如磷的多晶矽所構成，藉由 高熱處理將存在射極112中的磷（ρ)擴散至si帽罩層123中而 84869 1285963 形成射極層125。此外，一集極壁層107及射極112兩者的上 半部分別為砂化層107a及112a。 圖7(a)所示SiGeC-HBT結構為一習用SiGeC-HBT範例，已 揭示或能應用的SiGeC-HBT所具有的結構有別於圖7(a)所 示的結構，通常SiGeC-HBT仍然具有如圖7(a)右上方所示的 射極/基極薄片部分120。 圖7(b)說明SiGeC-HBT中射極/基極薄片部分（如圖7(a)右 上方所示）的特定結構範例，IEEE IEDM 98論文，名稱為 “無Epi井，單多晶矽科技中的Si/siGe:c異質接合雙極電晶 體”（半導體物理機構（IHP)的D· Knoll及其他十人提出），其 第703頁述及該範例。 在圖7(b)中，橫座標代表由Si帽罩層123的上表面算起的 深度，縱座標代表Ge含量（由實線表示）、c含量（由虛線表 示）及B(硼）濃度（由點虛線表示），其中用以表示硼濃度的單 位（原子/cm3)不同於表示Ge及C含量的單位（〇/〇)。 如圖7(b)所示，Ge含量剖析圖說明Ge含量在SiGeC間隔層 121中大體上Γ不變（約25%)，而在SiGeC核心基極層122中遞 變，明確地說，在SiGeC核心基極層122中，Ge含量在接觸 SiGeC間隔層121的末端部分與在SiGeC間隔層121中相同（ 約25%)，並在接觸Si帽罩層123的末端部分與在Si帽罩層 123中相同（0%)。C含量剖析圖說明c含量在SiGeC間隔層 121及SiGeC核心基極層122中以低位準（約〇」％)保持不變。 圖8以能帶圖說明具有圖7(b)所示結構的SiGeC-HBT中， 該圖表以通過射極/基極接合的縱切面加以說明，當 84869 1285963

SiGeC-HBT操作時，將相關於射極層125為正向的電壓施至 SiGeC核心基極層122，藉此，射極層125的電位相對地增加 ，並如圖8所示，電子e在一傳導帶Ec(從射極層125經由 SiGeC核心基極層122朝向SiGeC間隔層121 (然後朝向集極 層））中通過，此時，因SiGeC核心基極層122具有漸升的成 分而有的漸升電位，使電子可在siGec核心基極層122以較 快速度通過。 通常’在一 si層上磊晶生長一 siGe層時，因Ge原子比si 原子具有較大的晶格常數，而在SiGe層中造成較大的張力 。在此張力之下，SiGe層的能帶隙Eg變成小於Si層的能帶 隙，明確地說，SiGe層的能帶隙在常態下成分中每百分比 Ge約減少7.5meV。為利用此特性，在SiGe_HB1^，核心基 極層中的含量朝集極側漸漸增加，藉此遞變Ge剖析面。^ 剖析面遞變，以便核心基極層中的&含量朝集極側漸漸增 加時，傳導能帶Ee的電位由射極側朝向集極側的方向漸漸 降低。因此，經過基極的電子能加速，以便快速到達集極 ，造成裝置操作速度的增加。此外，核心基極層含&的事 實使能帶隙EV變小。藉此，即使施至核心基極層的電壓 幸乂低亦有大里集極電流Ic流動。另外，由於不規則接面造 成<價電子帶偏移，而使基極電流“相對降低，因此，電流 增jhFE增加。結果，即使核心基極層中增加雜質（諸如刪） 的/辰度，電流增盈hFE也不會降低太多，因此，將電流增益 hFE保持在高位準，即可減少基極電阻。以上所述即以^異 雙極電晶體（SiGe-HBT)的基本優勢。 另一方面，ϋ由使核心基極層含碳（c)以形成一 84869 -10 - 1285963 心基極層的優點如下：在基極層摻雜硼的npn雙極電晶體中 ’存在的問題為SiGe核心基極層的硼擴散將形成增加基極 笔阻’或放大基極寬的結果，而導致基極中電子移動時間 加長。因熱處理期間發生由熱增強處理（TED)所導致的硼擴 散’而例如，難以使基極寬度不大於20 nm。然而仍絕對需 要此類熱處理以活化由植入法所導入的雜質，及將射極雜 貝k多晶矽驅動至帽罩層。此外，為使基極寬變小，必須 使雜質濃度是高的，俾防止擊穿及減少基極電阻，明確地 說，使基極寬不大於20 nm，例如需要使硼濃度不低於i χ 1 〇 原子 /cm3。 硼擴散可藉由使SiGe層含碳（〇而加以控制，藉此，即使 在貝知熱處理之後’ SiGeC核心基極層的形成仍容許將高濃 度调限制在小寬度基極中，已發現碳在含量約不大於〇ι% 時可有效率地表現。換言之，可在SiGeC核心、基極層中控制 硼擴散，作為可將SiGeC核心基極層中的8濃度保 準的結果。 有關於萷述期刊文永中的範例，由於核心基極層 22。妷約10原子/01113(約01%)，而可減少基極寬，俾便 ，短基極傳輸時間rF，藉此容許高速操作。例如，可達成 阿速&作致能65 GHz的截止頻率fT及約9G GHz 振頻率fmax。 惟前述期刊文章中所揭示 SiGeC-HBT亦有以下缺點。 具射極/基極薄片部分的習用 對大邵分電路（諸如用於無線通信設備中的差動放 叩）而。包含在電路中的多個HBT間，電流增益hFE(p) 中的變動必須是小的 二 ； 疋j的惟W述習用SiGeC-HBT中，難以充 84869 -11 - 1285963 分地減少電流增益hFE中的變動，電流增益hpE即集電流1與 基極電流Ib間的比例。由UHV-CVD或類似磊晶生長過程形 成射極/基極薄片部分之後，在該射極/基極薄片部分上沈積 一多晶矽膜（作為射極）之前，先清理該薄片部分的表面。此 清理過程之後，或正在一 CVD室以高溫生長多晶珍時，在 蟲晶生長層（即射極/基極薄片部分）的表面形成不良的二氧 化碎（Si〇2)層（原生氧化膜）。在射極/基極薄片部分的&帽罩 層與射極間的介面形成的原生氧化膜，其厚度的不一致造 成形成射極時擴散的變動，原生氧化膜本身形成的電洞位 障，及其他的不一致，而此類不一致的存在在基極電流“ 中k成大變動’結果成為電流增益hFE中變動的主要原因。 此外，由於電洞位障（導致電流增益hFE中的增加）而減少 基極電>jfL Ib ’已知此一電流增益hpE中的增加導致射極與集 極間的崩潰電壓BVCE0降低，因此在習用HBT中射極與集極 間的崩潰電壓BVCE0可降低。 此外，可料想到SiGeC核心基極層中具有高C含量的區域 ’藉由碳的存-在通常來說皆會產生陷肼地點，當此類陷陈 地點數目增加時，早期電壓即降低。 【發明内容】 因此本發明的目的係在功能為包括射極/基極薄片部分 的SiGeC-HBT的半導體裝置中，在壓抑早期電壓降低的同 時’亦壓抑電流增益中的變動，其由原生氧化膜厚度不一 所造成。 一創新半導體裝置包括：一功能為集極層之Si層，及一 84869 -12- 1285963 半導體層，其形成於該矽層上並功能為射極層及基極層， 其中該半導體層包括··一核心基極層，其成分表示為 Sii-xi-yiGexlCyl(其中 〇<xl<l，〇.〇〇3$yl<l)，及一間隔 層’其形成於該核心基極層之下並與該層接觸，其成分表 示為 Sii-x2-y2Gex2Cy2(其中 0<x2<l，0$y2Syl)。 利用此創新半導體裝置，可減少由於此類基極中電流增 加而引起基極電流中的變動，及不受原生氧化膜影響，同 時可壓抑早期電壓的降低。由於hFE的變動性主要為基極電 流變動造成的結果，因此減少基極電流變動即可使hFE的一 致性獲得改良，同時基極電流的大小增加可導致hFE減少， 必然導致BVceo增加。 核心基極層中的碳（C)比例yl最好不大於0 015。 當此創新半導體裝置尚包括一射極（在該半導體層上形 成並由多晶矽所構成）時，即使在該半導體層與多晶矽構成 的射極間的介面上所形成原生氧化膜厚度不一，亦可降低 電流增益中的變動。 該半導體層-最好尚包括一 Si帽罩層，並最好在該以帽罩層 中形成一射極層。 該間隔層成分中C比例y2不大於0.007時，可將該半導體 的早期電壓維持在超過10。 【實施方式】 (第一實例）

SiGeC-HBT的結構 圖1(a)根據本發明的第一實例以剖面圖式意說明一 84869 •13- 1285963

SiGeC-HBT的示範結構，而圖1(b)說明一射極/基極薄片部 分中鍺（Ge)含量、碳（C)含量及雜質濃度的剖析圖。 如圖1(a)所示，此實例的SiGeC-HBT包括一 Si基板1、一 Si羞晶生長層2、深溝隔離3、一淺溝隔離4、一埋藏式層 5，一 SIC(自行校準植入式集極）層6及一集極側壁7。藉由 蠢晶生長而在Si基板1上形成Si蟲晶生長層2;橫過Si暴晶生 -長層2與Si基板1間的邊界而形成深溝隔離3 ;在Si磊晶生長 . 層2中形成淺溝隔離4。橫過Si基板1與Si磊晶生長層2間的邊 · 界形成含高濃度η型雜質（諸如坤（As))的埋藏式N+層5 ;藉由 在Si磊晶生長層2中植入η型雜質（諸如磷（p))的離子而形成 ， 與埋藏式Ν+層5接觸的SIC層6。在SIC層6上，在一集極層 (位於Si磊晶生長層2之内）上形成一射極/基極薄片部分2〇 ，其藉由使SiGeC層及Si層成薄片而得到。此SiGeC-HBT的 示意結構為眾所習知。 以下將根據此實例說明此SiGeC-HBT的特性，如圖i(a) 右上方的放大圖所示，射極/基極薄片部分20包括一 SiGeC · 間隔層2卜二SiGeC核心基極層22、一SiGe帽罩廣23及一射 極層25。在Si磊晶生長層2(集極層）上磊晶生長SiGec間隔層 ^ 21 ;在SiGeC間隔層21上悬晶生長含高濃度硼的SiGeC核心 基極層22 ;在SiGeC核心基極層22上磊晶生長Si帽罩層23 ; 藉由引入一 η型雜質（例如在Si帽罩層23中引入磷（P))而形 成射極層25。 圖1(b)說明圖1(a)右上方所示SiGeC-HBT中射極/基極薄 片部分20的特定結構範例’在圖1(b)中，橫座標代表由Si 84869 -14· 1285963 巾目罩層23的上表面算起的深度，縱座標代表Ge含量（由實線 表不）、C含量（由虛線表示）&B(硼）濃度（由點虛線表示）， 其中用以表不硼濃度的單位（原子/cm3)不同於表示Ge&c 含量的單位（％)。 如圖1(b)所示，Ge含量剖析圖說明Ge含量在SiGeC間隔層 21中大體上保持不變（約25。/。），而在SiGeC核心基極層22中 遞’交，明確地說，在SiGeC核心基極層22中，Ge含量在接 觸SiGeC間隔層21的末端部分相同於在SiGeC間隔層21中 者（此實例中約為25%)，而在接觸si帽罩層23的末端部分為 〇% °。含量剖析圖說明與習用SiGeC-HBT的SiGeC核心基極 層相比，C含量在SiGeC核心基極層22中以較高位準保持不 變（約0.8%)的同時，C含量在siGeC間隔層21中係在低位準 保持不變（0.2%)。 如上述’本發明的特性在於射極/基極薄片部分20中，在 SiGeC核心基極層22中的C含量是高的，並將SiGeC間隔層 21中的C含量衆定成低sSiGeC核心基極層22中者。 換言之，已知SiGeC核心基極層22的成分表示為 Sii-xi-yiGexlCyl ’及SiGeC間隔層21的成分表示為 s i 1-x2-y2Gex2Cy2時’保持以下條件： 0<xl < 1，〇.〇〇3<yl<l 0<χ2<1，y2S yl 稍後將說明其基礎。 此外，如同於習用SiGeC-HBT中，在射極/基極薄片部分 84869 -15- 1285963 20上，在侧邊設置一外部基極層丨〗，並在射極/基極薄片部 刀2〇上叹置一絕緣層13及一射極12。絕緣層丨3環繞該射極 的開口，射極12由絕緣層13環繞並在射極的開口與射極層 25接觸。射極12由含高濃度n型雜質（如磷（p))的多晶矽所構 成，藉由高熱處理將存在射極12中的磷擴散至si帽罩層 23中而形成射極層25。此外，集極側壁層7及射極12兩者的 上半邵分別為碎化層7a及12a。 製造SiGeC-HBT的處理步驟 圖2(a)至2(c)以剖面圖說明製造此SiGeC_HBT實例的處 理步驟。 圖2(a)所示處理步驟中，將一n型雜質（諸如砷（As))的離子 以冋;辰度植入邵分Si基板1中，藉此形成該埋藏式N+層5， 然後在孩Si基板上磊晶生長一 Si結晶以形成&磊晶生長層2 。之後，在Si磊晶生長層2中形成淺溝，然後將一些淺溝形 成深溝，其穿透Si磊晶生長層2而延伸入“基板丨，在此之後 ，氧化深溝的側表面並以多晶矽填補深溝，藉此形成深溝 隔離3。未形成深構的淺溝部分則填上一氧化膜，藉此形成 淺溝隔離4，之後為藉由降低集極電阻而得到制動遞變集極 剖析圖以增加裝置效能，藉由植入磷（p)離子而在以磊晶生 長層2中形成SIC層6。 後續地’在圖2(b)所示處理步驟中，藉由uhv-CVD在Si 磊晶生長層2上形成厚度25 nm的SiGeC間隔層21、厚度20 nm的SiGeC核心基極層22及厚度30 nm的si帽罩層23。 SiGeC間隔層21由Ge(25%含量）、c(0.2%含量）及Si(佔有其 84869 • 16 - 1285963 餘部分）所構成；SiGeC核心基極層22(以14><1〇19原子/cm3 的;辰度摻雜翎（B))由Ge(其含量由鄰近間隔層的25%遞變成 鄰近帽罩層的〇%)、c(其百分比為〇·8%)及Si(其百分比為其 餘部分）所構成，換言之，形成圖右上方所示的射極/基 極薄片邵分2〇。此外，磊晶生長siGec層時，在射極/基極 薄片邵分20上亦同時在側邊形成外部基極層丨丄。 請注意，當包含於SiGeC核心基極層22的碳並非〇·8%濃度 而是不低於0.3%的濃度時，碳在某種程度上可有效作用。 然後，如圖2(c)所示處理步驟中，在基板上沈積一多晶矽 膜（約以3 X l〇2G原子/cm3的濃度含磷（ρ))，然後以91(Γ(：實施 RTA處理，以便將磷擴散至帽罩層中，藉此形成射極以及 射極層25。形成Co矽化層7a及12a的同時，例如為取得減低 的電阻，會形成接線。在沈積多晶矽膜期間，在射極12與 Si帽罩層23(射極/基薄片部分2〇的最頂部）間會形成一原生 氧化膜，該原生氧化膜的厚度不一，·而引起基極電流中的 變動（即電流增益中的變動）。 在習用SiGeC核心基極層122及SiG.eC間隔層121中含有 約ο·ιο/〇的碳（c)，另一方面，在此實例中在SiGeC核心基極 層22含有約0.8°/。的碳（C)，而在SiGeC間隔層21中含有約 0.2% 的碳（C)。 應注思帽罩層以約1 X 1 〇18原子/cm3摻雜;5朋（B)，是因為其 作用可在射極/基極接合的邊緣壓抑再結合電流，藉此增加 SiGeC-HBT的線性。 此外，此實例的射極/基極薄片部分2〇中，SiGeC間隔層 84869 -17- 1285963 21設置於摻雜高濃度硼的SiGeC核心基極層22之下（即在基 極/集極接合-側），設置SiGeC間隔層21是為防止引入|§iGec 核心基極層22的硼經由SiGeC/Si介面而擴散至si磊晶生長 層2内的集極層，並引發寄生位障的形成，且會導致裝置效 能的降低。 “寄生位障”意指由於擴散的硼及Si的能帶隙大於siGd々 能帶隙而使一接觸SiGeC或SiGe層（此實例中為核心基極 層）的Si層（此實例中為Si磊晶生長層2中的集極層）成為p型 ’以致在Si側上的SiGeC-Si介面所產生的電位障礙。電位障 礙存在會干擾電子轉變，而大幅降低裝置效能。 但仍發現若SiGeC間隔層的C含量太高，早期電壓會降低 ，而令SiGeC-HBT的操作特性劣化，有鑑於此，在此實例 中’將SiGeC間隔層21的C含量設定成低於SiGeC核心基極 層的C含量。 本發明的功能及效果 此貫例的SiGeC_HBT中，Ge剖析圖在SiGeC核心基極層22 中遞變，俾便Ge含量在朝集極側的方向增加，藉此，SiGeC 核心基極層2乏的傳導帶Ee電位由射極側朝集極側的方向逐 漸降低，因此可加速經過基極的電子，以便快速到達集極 ’而容許裝置的操作速度增加。此外，SiGeC核心基極層22 含Ge的事實令能帶隙Eg變小，因此即使基極與射極間施加 的電壓Vbe較低，集極電流ie亦大量地流動，俾便基極電流 lb相對地降低，並使電流增益hFE可增加。結果，可展現出 SiGe異雙極電晶體（SiGe-HBT)的典型效果，明確地說，即 使在核心基極層增加雜質（諸如硼）的濃度，電流增益hFE亦 84869 -18- 1285963 不曰降低太多’因此將電流增益11|7£：保持在高位準時，即可 減少基極電阻。惟本發明的SiGeC-HBT中並非必要使SiGeC 核心基極層22具遞變Ge含量不可。 同理，由於SiGeC核心基極層22含碳（C),因此可控制核 心基極層中的硼擴散，藉此，即使在實施熱處理之後，在 具小寬度的SiGeC核心基極層22中亦可將硼限制在高濃度 。換言之，作為硼擴散在SiGeC核心基極層22中受到控制的 事貫的結果，可保持SiGeC核心基極層22中的硼濃度與1.4 X1019原子/cm3—樣高，在習用SiGeC-HBT中亦可展現此效 果。 將圖1(b)所示此實例中射極/基極薄片部分2〇中的雜質剖 析圖與圖7(b)所示習用HBT中的雜質剖析圖作一比較時，當 圖7(b)所示習用SiGeC核心基極層122的C含量與0.1% 一樣 高時’圖1(b)所示此實例中SiGeC核心基極層22的C含量則 與0.8%—樣高。此為本發明SiGeC-HBT的特性之一。 由本發明對樣本所作的實驗，仍然明顯看出siGeC核心基 極層的C含量超過ι·5%(成分中的百分比為〇 〇15)時，SiGeC 核心基極層的結晶劣化，造成siGeC_HBT的操作速度降低 ’因此’ SiGeC核心基極層中的c含量最好不大於1 5〇/〇。

圖3以表格說明多個SiGeC-HBT樣本中的集極電流Ic、基 極電流lb及早期電壓va，樣本A係一 SiGeC_HBT，其中SiGeC 間隔層及SiGeC核心基極層具有相同的c含量（〇 5%)。樣本B 係一 SiGeC-HBT，其中SiGeC間隔層中的c含量（0.2%)遠低 於SiGeC核心基極層中的c含量（〇 8%)。樣本c係一 84869 •19- 1285963

SiGeC-HBT，其中SiGeC間隔層中的c含量（〇·2%)比Si(}ec 核心基極層冲的C含量（0·5%)的一半稍低。以參照至圖^斤 述方式為根據而建立各元件形狀及雜質濃度時，即可得到 圖3所7F貝料。當施加〇·8ν基極電壓時，將獲得集極電流工。 和基極電流Ib之資料。 如圖3所示，當基極電壓為〇8 ¥時，樣本a及樣本c的集 極電流Ic皆在2·2Χ 1〇·3 A附近，可視為大體上相同，另一方 面，樣本B的集極電流Μ1·4Χ1(Γ3 A)則非常小。當基極電 壓為0·8 V時，樣本B的基極電流“(其中siGeC核心基極層具 有0.8%的C含量）約為樣本A及樣本c的兩倍，據推測此表示 SiGeC核心基極層的c含量決定基極電流、。在早期電壓％ 的比較中，早期電壓Va在樣本A中約只22 V，其中SiGeC間 隔層與SiGeC核心基極層中同樣具有〇.5。/〇的c含量。另一方 面’在樣本B及樣本C中，早期電壓Va皆非常高（分別為46 V 及60 V)，其中SiGec間隔層的C含量低於SiGeC核心基極層 的C含量。常態下早期電壓Va須約不小於10 V，因此，圖3 及6所示資料i*SiGeC間隔層的c含量最好未超過（低於尤 佳）SiGeC核心基極層的c含量。 資料尚表示樣本B中，電流增益hFE約為33，及相較於樣 本八及0’増加基極電流Ib及降低電流增益hFE，此容許射極 與集間的崩潰電壓BVCE0將在樣本B中钓為3·1，及明顯看出 在樣本Β中相較於樣本a及C，更展現在射極與集極間增加 崩溃電壓BVCEC^々效果。 由上述已知SiGeC核心基極層的成分表示為 84869 -20- I285963 sU-xl-ylGexlCyl ’及SiGeC間隔層的成分表示為

Sii-x2-y2Gex2Cy2 ,明顯看出當保持以下條件時，即可得到本 發明的功能及效果： 〇<xl<l ， 〇.〇〇3<yl<l 0<χ2<1，〇$ y2$ yl 此外，實驗上證實藉由將SiGeC核心基極層的碳（c)含量 從已知值（例如0.1至0.2。/。）增加至不低於〇 3%，則可減少基 極電流Ib中的變動。雖然未充分闡明支持基極電流u中變動 減少的原則，該減少卻是實驗上的事實，本發明人有關該 原則的想法如下。 圖4圖式支持由於C含量增加而增加基極電流的原則（目 前由本發明人視為相關聯），在一 SiGeC晶體中，當碳含 量增加，位於填隙位置的碳數目亦增加。因此，易於引起 如圖4所示的此類再結合中心（其為例如由於此實例中碳引 起的點缺陷）的產生，由於在基極中存在額外的再結合中心 ，而增加來自傳導帶的電子將與來自價電子帶的電洞再結 合的機率，if此再結合發生在非空乏（:即中性）的基極區中， 該機構習知為中性基極再結合（NBR)。電洞流進滿足此NBr 機構所需要的此中性基極，建構基極電流的額外向量，此 現象據推測發生在此實例的SiGeC_HBT中。首先，基極電 流值中的變動係由於圖2(b)或2(c)中所示處理步驟中，主要 在罪近Si帽罩層與多晶石夕電極（射極）間的介面所形成的原 生氧化膜厚度不一，除開圖4所示原則是否正確不談，可假 定藉由增加SiGeC核心基極層的c含量而得到基極電流Ib中 84869 -21· 1285963 的増加係決定利含量，並由^腿引起的 :受到原生氧化膜厚度不—所影響。因此，基極電流IbM :加係线於SiGeC核心基極層的c含量，當由於c含量而 基極％肌lb中的增加大於基極電流Ib中的變動百分比 時’基極電流Ib中的變料急劇地降低。明顯看出siGeC核 u基極層的c含量越冑，電流增益hFE中的變動越丨，c含量 不低於0.3%的情形時，電流增益hFE中的變動明顯地降低。 圖5以曲線圖說明當增加SiGeC核心基極層的c含量的同 時’將SiGeC-HBT中SiGeC核心帽罩層上的帽罩層從&帽罩 層改成SiGe帽罩層時，Gummel特性如何變化。 由圖5可了解基極電流1b及集極電流Ic的特性，亦可明顯 看出基極電流由於NBR而增加的方式，基極電流中的變動 起源於磷擴散及電洞位障中的變動，電洞位障係由於主要 接近射極與Si帽罩層間的介面所形成的原生氧化膜厚度不 一而由原生氧化膜本身所產生的，惟，如上述，由siGeC 核心基極層中C含量增加所造成基極電流中的增加，幾乎未 受到原生氧祀膜厚度不一的影響。尤其地，當c含量增加而 導致基極電流Ib中的增加量大於基極.電流u中的變動範圍 時’基極電流Ib中的變動會急劇地降低。由此明顯看出 SiGeC核心基極層中c含量越高，電流增益hpE中的變動越小 。在作出SiGeC核心基極層中的c含量將為〇 2%、〇.5%及 〇·8%的情形中，在電流增益hFE中評估標準偏離（32)時，它 們分別約為61 %、20%及24%。為作為比較目的研究得知， 具習用結構的HBT中，其電流增益hpE中的變動約為6〇% ’ 84869 -22- 1285963 考量藉由SiGeC核心基極層中的〇含量增加纽5%，電流增 益hFE中的變動即急劇地降低，可假定c含量不少於 即可得到該效果。 接下來，將討論用以將早期電壓維持在適當範圍的較佳 SiGeC間隔層C含量。 圖6以曲線圖說明根據樣本c中的c含量早期電壓％如何 變化，樣本C為SiGeC間隔層及SiGeC核心基極層具有相同c 含量的SiGeC-HBT。習知當一核心基極層大量含碳時，常 態下C含量增加時，早期電壓Va即降低，據推測此乃因基極 層含大量碳（c)時，碳在集極/基極接合（CB接合）一空乏層中 形成一再結合中心，造成再結合電流中的增加。 就特性而言，是期望早期電壓Va是高的，此實例的 SiGeC-ΗΒΤ中，SiGeC間隔層21中的c含量低於SiGeC核心 基極層22中的C含量，造成的結果乃是減少電流增益hFE中的 變動的基本效果得以維持時，即可防止早期電壓Va降低。 尤其如圖6所示，SiGeC間隔層中的c含量不大於0.7%最 能令早期電壓Va不小於10 V。 【圖式簡單說明】 圖10)根據本發明第一實例以剖面圖式意說明一 SiGeC-HBT的示範結構，圖1(b)以曲線圖說明其中一射極/ 基極薄片部分中鍺（Ge)含量、碳（C)含量及雜質濃度的剖析 圖； 圖2(a)到2(c)以剖面圖說明製造第一實例的siGeC-HBT 的處理步驟； 84869 •23- 1285963 圖3以表格說明多個SiGeC-HBT樣本中的集極電流、基極 電流及早期電壓； 圖4圖式由於C含量增加而導致基極電流增加背後的原則； 圖5以曲線圖說明當siGeC核心基極層的C含量増加的同 時，當SiGeC-HBT中一核心基極層上的帽罩層由Si帽罩層 改成SiGe帽罩層時，Gunimel特性如何變化； 圖6以曲線圖說明早期電壓如何根據基極層（其包括一間 隔層）的C含量而變化； 圖7(a)以剖面圖式意說明一習用SiGeC-HBT的示範結構 ’及圖7(b)說明其中一射極/基極薄片部分中鍺（Ge)含量、 碳（C)含量及雜質濃度的剖析圖；及 圖8以能帶圖說明在經過射極/基極接合的縱切面，具有 圖7(b)所示結構的SiGeC-HBT中的内建電位。 【圖式代表符號說明】 1，101 矽基板 2, 102 矽磊晶生長層 3, 103 一 深溝隔離 4, 104 淺溝隔離 5, 105 埋藏式N+層 6, 106 自行校準植入 7, 107 集極側壁層 7a，12a， 矽化層 l〇7a，112a 11， 111 外部基極層 84869 •24- 1285963 12, 112 射極 13, 113 絕緣層 20, 120 射極/基極薄片部分 21，121，31 SiGeC間隔層 22, 122, 32 SiGeC核心基極層 23, 33 SiGe帽罩層 24, 123, 34 Si帽罩層 25, 125 射極層 25- 84869

Claims (1)

1285963 第092112698號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(95年51^__^1 拾、申請專利範園： -種半導體裝置’包括一功能為集極層切⑻)層，及 -半導體層，其形成於該Si層上且功能為射極層及基極 層， 其中該半導體層包括： 核〜基極層，其成分表示為SimuGe^Cw(其中 0<xl<l，0.003 gyl<i)，及 y 八

間隔層，其形成於該核心基極層之下並與該層接觸 ’其成分表示為 Sii.u.eGeuCyK其中 0<χ2<1，0gy2<yi)。 2·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該核心基極層成分 中之碳（C)比例yl不大於〇.〇15。 3 ·如申請專利範圍第1項之裝置，尚包括一射極，其形成 於該半導體層上，並由多晶矽製成。 4·如申請專利範圍第3項之裝置，其中：

該半導體層尚包括一 Si帽罩層，及 該射極形成於該Si帽罩層中。 5.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該間隔層成分中c比 例y2不大於0.007。 84869-950503.doc