CN107731906B - 一种多指发射极SiGe HBT器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多指发射极SiGe HBT器件，包括自下而上依次设置的衬底、氧化层、集电区、基区和发射区，集电区与基区连接一侧，设置有隔离层槽，发射区设置有发射极，发射极为多指结构。本发明多指发射极SiGe HBT器件能够在不改变器件掺杂浓度,尺寸等关键参数的情况下,提升器件的电流增益,改善器件的频率特性,能更好的适用于射频无线通信领域中。
Description
技术领域
本发明属于微电子学与固体电子学技术领域，涉及一种多指发射极SiGeHBT器件。
背景技术
随着全球无线通信技术(例如：蓝牙技术，手机，固定电话，移动宽带网络接受设备)的高速发展，对于射频放大器的需求量越来越大，同时对于最基本单元器件的性能要求也越来越高。硅基SiGe HBT具备高频，高增益，低噪声的特性，并且与硅工艺可以兼容，工艺成本较低，因而相对于GaAs、InP等特种工艺技术具有高工艺可控性、高集成度和低成本等优势。噪声系数、功耗等大大低于硅双极器件，从而兼顾了进一步提升模拟集成电路性能所需要的高速度、高精度、低功耗要求，在生产方面更具灵活性，节约成本。大规模的在射频电路中引入SiGe HBT，对于器件的电学性能要求更为苛刻，在器件增益以及特征频率的提升方面，常规的单发射极器件普遍采用提高发射区浓度，降低基区浓度，提升基区Ge组分以及减薄基区宽度的方法。普通器件在采用这些措施的同时，导致器件的击穿电压降低，器件的基区电阻提升，并且基区外延层厚度减薄，更易出现失配位错。所以，提升器件增益以及特征频率，且不改变器件的其余电学特性参数成为一个比较关键的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多指发射极SiGe HBT器件，解决了现有技术中提高器件性能，需过分减薄基区宽度或提升掺杂浓度，导致器件的击穿电压降低、易出现失配位错的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种多指发射极SiGe HBT器件，包括自下而上依次设置的衬底、氧化层、集电区、基区和发射区，集电区与基区连接一侧，设置有隔离槽，发射区设置有发射极，发射极为多指结构。
本发明的特点还在于，
发射区由厚度为0.1μm～0.15μm的多晶硅组成，多晶硅中掺杂有浓度为8×1019cm-3～4×1020cm-3的P离子
基区由厚度为30nm～35nm的SiGe组成，Ge的含量为20％～30％，，掺杂浓度为9×1018cm-3～5×1019cm-3。
基区两侧分别有设置有宽度为50nm～60nm的poly副基区。
集电区自上而下包括主集电区和次集电区，主集电区与基区连接，次集电区与氧化层连接；主集电区两侧、靠近主集电区与基区连接处分别设置有隔离槽。
集电区由Si组成，掺杂物为P离子，主集电区的厚度为0.15μm～0.25μm，次集电区的厚度0.1μm～0.16μm，主集电区的掺杂浓度为8×1015cm-3～4×1016cm-3，次集电区的浓度为8×1018cm-3～3×1019cm-3。
隔离槽为宽度为0.2μm～0.25μm的SiO2浅沟槽。
隔离槽内设置有多晶硅场板。
多晶硅场板宽度为0.1μm～0.15μm，高度为0.2μm～0.25μm。
衬底由Si组成，其中掺杂有浓度为1×1015cm-3～5×1016cm-3的B离子，衬底厚度为0.5μm～1.5μm；氧化层厚度为0.1μm～0.5μm的SiO2埋层。
本发明的有益效果是，一种多指发射极SiGe HBT器件，通过改变常规发射极结构为多指发射极结构，在掺杂浓度，发射结接触面积，基区宽度等主要结构参数并未发生改变的情况下，提高了器件的注入比，提升了器件的电流增益，并且随着发射极指数量的变化，器件电流增益提升的幅度不同；同时在集电区浅沟槽中引入多晶硅场板，降低了发射结和集电结的势垒电容，大幅度提升了多指发射极SiGe HBT的特征频率以及最高振荡频率。在不增加工艺难度的前提下，很好地实现了电流增益和频率特性之间的折中。
附图说明
图1是本发明多指发射极SiGe HBT器件的结构示意图；
图2是常规SiGe HBT器件的结构示意图；
图3是本发明多指发射极SiGe HBT的Gummel曲线；
图4是常规SiGe HBT的Gummel曲线；
图5是不同发射极指数SiGe HBT的增益变化图；
图6是常规SiGe HBT以及不同多指发射极SiGe HBT的特征频率变化图；
图7是常规SiGe HBT以及不同多指发射极SiGe HBT的最高振荡频率变化图；
图8是多指发射极SiGe HBT结构集电区沟槽引入场板前后特征频率的比较图；
图9是多指发射极SiGe HBT集电区沟槽引入场板前后最高振荡频率的比较图；
图10是多指发射极SiGe HBT集电区沟槽引入场板前后增益分布的比较图。
图中，1.衬底，2.氧化层，3.集电区，4.基区，5.发射区，6.隔离槽，7.多晶硅场板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种多指发射极SiGe HBT器件的结构，如图1所示，从下到上依次为衬底1，氧化层2，集电区3，基区4，发射区5(虚线圈起部分)，集电区3两侧分别有浅沟隔离槽6，在浅沟隔离槽6中设置有多晶硅场板7。
其中发射区5是厚度为0.1μm～0.15μm的多晶硅，掺杂浓度为8×1019cm-3-4×1020cm-3，掺杂剂为P离子；发射区5的发射极为多指结构。
基区4由厚度为30nm～35nm的SiGe组成，Ge的含量为20％～30％，掺杂浓度为9×1018cm-3-5×1019cm-3，掺杂物为B离子。
集电区3由Si组成，自上而下包括主集电区和次集电区，主集电区与基区4连接，次集电区与氧化层2连接；主集电区两侧、靠近主集电区与基区4连接处分别设置有隔离槽6，主次集电区的厚度分别为0.15μm～0.25μm和0.1μm～0.16μm，其中主集电区的掺杂浓度为8×1015cm-3～4×1016cm-3，次集电区的浓度为8×1018cm-3～3×1019cm-3，集电区的掺杂剂为P离子。
集电区3下方的氧化层2为厚度为0.1μm～0.5μm的SiO2埋层。
衬底1由Si组成，掺杂物为B离子，厚度为0.5μm～1.5μm，掺杂浓度为1×1015cm-3～5×1016cm-3。集电区隔离槽6中的多晶硅场板7宽度为0.1～0.15μm，高度为0.2～0.25μm。
常规SiGe HBT器件的结构如图2所示，从下到上依次为衬底，氧化层，集电区，基区，发射区，集电区两侧分别有尺寸完全相同的浅沟槽隔离。为了体现本发明的优点，设置常规SiGe HBT器件与本发明提出的多指发射极SiGe HBT器件，掺杂分布，接触面积，基区宽度等关键参数完全一致。首先改变常规结构的发射极为多指发射极，对两种结构的电学特性进行对比(其中器件发射区5厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×1020cm-3；基区4厚度为30nm，掺杂浓度为1×1019cm-3；集电区3自上而下包括主集电区和次集电区，主次集电区的厚度分别为0.2μm和0.1μm，其中主集电区的掺杂浓度为2×1016cm-3，次集电区的浓度为1×1019cm-3；氧化层2为厚度为0.1μm的SiO2埋层；衬底1厚度为1μm，掺杂浓度为1×1015cm-3；集电区隔离槽6中的多晶硅场板7宽度为0.1μm，高度为0.2μm)。常规SiGe HBT器件和多指发射极SiGeHBT器件的Gummel曲线如图3及图4所示。由图3、图4可得，多指发射极SiGe HBT与常规SiGeHBT的增益分别为188和151。多指发射极SiGe HBT与常规SiGe HBT相比，增益提升了大约25％。增益提升的主要原因是多指发射极SiGe HBT的电子势垒降低，有利于电子从发射区进入基区，同时从基区进入发射区的空穴浓度并不发生明显变化，发射结少子注入比提高，最终提升了器件的电流增益。
不同发射极指数下，器件的直流增益如图5所示，由图可以看出随着发射极指数的增加，SiGe HBT的增益会逐步提升。常规SiGe HBT与不同指数下的多指发射极SiGe HBT特征频率和最高振荡频率分布分别如图6和图7所示。由图6和图7可以看出，随着多指发射极指数的增加，SiGe HBT的特征频率和最高振荡频率都会逐步降低。在多指发射极为六指时，器件特征频率下降的幅度最大。其中器件的特征频率与载流子总的渡越时间有关，最高振荡频率与特征频率关系密切。特征频率与最高振荡频率的关系式如下所示：
渡越时间可表示为：
τec＝τb+τe+τc+τd+τscr (2)
τe＝(re+rc)(Cje+Cjc) (3)
τc＝rc·Cjc (4)
其中，fT为特征频率，fmax为最高振荡频率，τec为总渡越时间，τb为基区渡越时间，τe为发射极延迟时间，τc为集电极延迟时间，τd为发射区存储时间，τscr为集电结空间电荷区渡越时间，re为发射区电阻，rc为集电区电阻，Rb为基区电阻；Cjc，Cje分别为发射结和集电结的势垒电容。
由公式(2)可知器件的特征频率与渡越时间τec有关，其中发射极的延迟时间τe取决于发射结势垒电容的大小。在多指发射极SiGe HBT中，总的发射结势垒电容等于六个相邻发射结电容的并联。因为横向扩散的存在，单个发射极电容增加，多指发射极SiGe HBT的总发射结势垒电容大于常规SiGe HBT的发射结势垒电容，发射极延迟时间τe增加，器件的特征频率以及最高振荡频率相应减小。
本发明在常规SiGe HBT的基础上，将常规发射极改变为多指发射极，以此提升器件的电流增益，针对随着电流增益的提升器件频率特性会恶化的情况，本发明在多指发射极的集电区沟槽中进行了改进，改善的方法是在集电区的浅沟槽隔离中引入非掺杂的多晶硅场板。
图8所示为引入场板前后特征频率的对比，由图可得，多指发射极SiGeHBT集电区沟槽中未引入场板之前的特征频率为33.9Ghz，在沟槽中引入场板后，器件的特征频率大幅度提高。新型多指发射极SiGe HBT特征频率达到45.5GHz，相比于未引入场板时的多指SiGeHBT，器件的特征频率提升了34％左右。新型多指发射极SiGe HBT最高振荡频率达到85.5GHz，最高振荡频率的对比如图9所示，相比于未引入场板时的多指发射极SiGe HBT，器件的最高振荡频率提升了大约19％。由公式(3)可知，在基区渡越时间不变的情况下，集电极延迟时间τc以及发射极延迟时间τe是影响特征频率的主要因素。场板的引入会降低发射结以及集电结的势垒电容，势垒电容降低，集电极延迟时间以及发射极的延迟时间会减小，总的渡越时间减小，器件的特征频率以及最高振荡频率有一定幅度的提升。
本发明在改善器件特征频率的同时，并不会降低器件的直流增益。本发明提出的多指发射极SiGe HBT引入场板前后的增益对比如图10所示。由图可得，器件的增益并未因为引入场板而降低，且在一定程度上器件增益会有小幅度的提升。表明集电区沟槽中引入场板，不会降低器件的发射结注入比。
本发明通过改变常规发射极结构为多指发射极结构，降低发射结势垒高度，提高器件发射结少数载流子的注入比，以此提升器件的电流增益。并通过在集电区沟槽中引入多晶硅场板，降低发射结和集电结的势垒电容，改善器件的频率特性。最终SiGe HBT新结构的增益可提高到190，特征频率以及最高振荡频率分别可达到45.5GHz和85.5GHz，在不增加工艺难度的情况下，实现电流增益和频率特性的改善。
Claims (7)
1.一种多指发射极SiGe HBT器件，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底（1）、氧化层（2）、集电区（3）、基区（4）和发射区（5），集电区（3）与基区（4）连接一侧，设置有隔离槽（6），发射区（5）设置有发射极，发射极为多指结构；
所述基区（4）两侧分别有设置有宽度为50nm~60 nm的poly副基区；
所述集电区（3）自上而下包括主集电区和次集电区，主集电区与基区（4）连接，次集电区与氧化层（2）连接；主集电区两侧、靠近主集电区与基区（4）连接处分别设置有隔离槽（6）；
所述集电区（3）由Si组成，掺杂物为P离子，主集电区的厚度为0.15μm~0.25μm，次集电区的厚度0.1μm~0.16μm，主集电区的掺杂浓度为8×1015cm-3~4×1016cm-3，次集电区的浓度为8×1018cm-3~3×1019cm-3。
2.根据权利要求1所述的一种多指发射极SiGe HBT器件，其特征在于，所述发射区（5）由厚度为0.1μm~0.15μm的多晶硅组成，多晶硅中掺杂有浓度为8×1019cm-3~4×1020cm-3的P离子。
3.根据权利要求1所述的一种多指发射极SiGe HBT器件，其特征在于，所述基区（4）由厚度为30nm~35nm的SiGe组成，Ge的含量为20%~30%，掺杂浓度为9×1018cm-3~5×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种多指发射极SiGe HBT器件，其特征在于，所述隔离槽（6）为宽度为0.2μm~0.25μm的SiO2浅沟槽。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种多指发射极SiGe HBT器件，其特征在于，所述隔离槽（6）内设置有多晶硅场板（7）。
6.根据权利要求5所述的一种多指发射极SiGe HBT器件，其特征在于，所述多晶硅场板（7）宽度为0.1μm~0.15μm，高度为0.2μm~0.25μm。
7.根据权利要求1所述的一种多指发射极SiGe HBT器件，其特征在于，所述衬底（1）由Si组成，其中掺杂有浓度为1×1015cm-3~5×1016cm-3的B离子，衬底（1）厚度为0.5μm ~1.5μm；氧化层（2）厚度为0.1μm~0.5μm的SiO2埋层。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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