CN1625811A - 提高截止频率的硅锗晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种用于小信号放大器的双极晶体管，提高了早期电压并增强了截止频率。SiGe层(14)具有的厚度(t)和Ge浓度大于SiGe稳定性极限，错配位错没有产生显著的电荷捕获位置，并且没有延伸到覆盖基极/集电极结内，由此提高了性能同时没有降低成品率。
Description
技术领域
本发明涉及硅锗(SiGe)异质结双极型晶体管(HBT)。
背景技术
通常已知通过使用在硅衬底上包括一层或多层硅锗(SiGe)的晶片形成HBT。在这种衬底上，由于SiGe膜与硅衬底之间晶格常数的不同，锗原子在复合膜中产生机械应变。在硅衬底的平面中，晶格常数较大的SiGe晶格压在晶格常数较小的硅衬底上。在垂直于硅衬底的平面中，SiGe层的晶格常数大于硅衬底的晶格常数，并由此处于张应力下。应变与Ge原子本身一起在SiGe膜与下面的自然Si衬底之间产生带隙偏移。该带隙偏移通过在基区中产生了分级区域增强了基区上的载流子扩散并由此提高了晶体管速度，由此提供了SiGe HBT的独特优点。SiGe HBT已用于小信号放大器(即，转换约5伏或更小)的晶体管，以提供目前无线通信装置需要的开关速度(1GHz以上)。
在将SiGe HBT用于小信号放大器期间，本发明人遇到的其中一个困难是用于这种放大器的公用发射极的输出特性(即，集电极电流与集电极-发射极电压)通常显示出较差的早期电压。“早期电压”(VA)为这些输出特性的斜率特性，如曲线外推为IC＝0A时的电压所指示的。曲线越水平，IC＝0外推处的电压越大，因此早期电压越高。图1a(现有技术)示出了不使用本发明时SiGe HBT的早期电压。各曲线表明对于不同的施加基区电压的输出特性；曲线越高，施加的基区电压越高。应该注意随着施加的基区电压增加，曲线的斜率变得更垂直。
本发明人已经注意到VA为SiGe HBT的电流增益截止频率(fT)的关键指示。现已发现具有低VA的NPN器件具有低fT。电流增益截止频率减小的器件提供了次最优开关速度。
因此，本领域中需要开发具有增强早期电压的SiGe HBTs，进而提高了电流增益截止频率。
发明内容
由此本发明的一个目的是增加SiGe HBTs的电流增益截止频率。
在第一方案中，本发明为一种SiGe HBT，包括具有的厚度和Ge浓度大于SiGe稳定性极限的SiGe层，其中的多个错配位错没有产生显著的电荷捕获位置。
在另一方案中，本发明为一种SiGe HBT，具有在多个隔离结构上厚度至少约70nm，Ge浓度至少为10％的SiGe层、隔离结构上的基极/集电极结、以及没有显著在基极/集电极结上延伸的多个错配位错。
在另一方案中，本发明为用于具有至少约19GHz的截止频率的小信号放大器的双极晶体管，具有厚度和Ge浓度大于SiGe稳定性极限的SiGe层，与所述集电极区对接的多个隔离区，以及形成在所述集电极区上的基区，所述SiGe层内的多个错配位错与所述多个隔离区相邻并延伸到所述集电极区内，同时基本上没有延伸到所述基区内。
在另一方案中，本发明为一种形成双极晶体管的方法，包括以下步骤：在硅衬底中形成多个隔离区；在所述衬底和所述隔离区上形成SiGe层，所述SiGe层具有的厚度和Ge浓度大于SiGe稳定性极限；以及用第一掺杂剂掺杂所述SiGe层和衬底以形成集电极区，其中所述集电极区包括多个错配位错，基本上没有延伸到所述集电极区外进入双极晶体管的其它部分内。
附图说明
通过下面所示的本发明的详细说明，本发明的以上和其它结构和特点将变得更显然。在下面的说明中，参考了附图，其中：
图1a为实验的SiGe HBT的IC与VCE的曲线图；
图1b为本发明的SiGe HBT的IC与VCE的曲线图；
图2示出了NPN的集电极电流密度与截止频率的曲线图，NPN具有分别显示在图1a和1b中的早期电压；
图3为SiGe浓度与厚度的曲线图，示出了包括本发明的以及现有技术文章报道的SiGe稳定性曲线上叠加的多个实验数据点；
图4为根据本发明的第一实施例的教导构成的SiGe HBT的剖面图；
图5示出了NPN的Gummel曲线图(IC、IB与VCE)，NPN具有分别显示在图1a和1b中的早期电压；
图6为图3中数据点显示的SiGe HBT的厚度的标准成品率数据；以及
图7为本发明的SiGe层的Ge浓度与层厚度的三个实施例的曲线图。
具体实施方式
本发明人发现通过增加SiGe层的厚度可以显著提高早期电压(因此截止频率)。虽然在现有技术中已知为了其它的目的增加SiGe层的厚度，然而，由于担心产生错配位错，通常避免较厚的SiGe层。如下面将详细介绍的，本发明人发现当适当控制时，错配位错不会负面地影响所得SiGeHBT的性能或成品率。
由于Si-Ge化合物中固有的晶格失配，通过引入机械应变，SiGe提高了电荷迁移率。然而，如果存在太多的Ge，或者如果SiGe层太厚，那么本领域中可接受的认识是所得晶***错将降低性能和成品率。由于位错释放了机械应力产生了SiGe提供的带隙偏移造成性能恶化。由于缺陷影响了衬底的晶体造成成品率恶化。实际上，这种一般认识变得很普及，通常被认可为“Matthews-Blakesley稳定性极限”或“Stiffler极限”，以认可首先报道这些相互影响的研究人员(Stiffler等人，Journal of Applied Physics，Vol.71，No.10，4820-4825页；Matthews和Blakeslee“Defects in EpitaxialMultilayer”，Journal of Crystal Growth 27中118-125页(1974))。为便于以后的参考，这些结果将被称做“SiGe稳定性极限”。由Matthews-Blakesley和Stiffler报道的不同的SiGe稳定性极限绘制在图3中，示出了SiGe厚度和Ge浓度之间的最佳关系。
更多的研究集中在通过消除这些错配位错超越SiGe稳定性极限的各种方法。参见Laderman等人的U.S.专利5,256,550，讨论了使用低温外延技术淀积第一SiGe层，然后帽盖Si层，之后接适当的热循环而形成没有错配位错的较厚SiGe层。在该结构中，需要覆盖Si层，以保留SiGe层的应变，同时没有产生错配位错。K.Schonenberg等人的论文，题目为“TheStability of SiGe Strained Layers on Small Area Trench Isolated SiliconIslands”，Electrochemical Society Proceedings，Vol.96-4，Proceedings of the4th International Symposium on Process Physics and Modeling inSemiconductor Technology.Los Angeles，CA 1996年5-10月，296-308页，报道了随着隔离区包围的SiGe区尺寸的减小，观察到的缺陷密度降低，修改了浅沟槽隔离的工艺以减少应力。与该区域相关的内容也报道在Vescan，“Selective Epitaxial Growth of Strained SiGe/Si forOptoelectronic Devices，”Materials Science and Engineering B，Solid-StateMaterials for Advanced Technology，Vol.51，No.1-3，166-69页(1998)。
在双极晶体管的有源区中要避免错配位错的另一原因是防止产生电荷捕获位置。这些电荷捕获位置如果存在足够的数量将降低少数载流子的寿命。在典型的双极晶体管中，这造成电流增益减少，这在小信号应用中是不希望的。然而，在功率放大器应用中，可以耐受减小的电流增益。由此，U.S.专利5,097,308中教授了有意由SiGe-Si界面引入9-20μm的位错，以提供使少数载流子更多复合的陷阱，由此降低了双极功率整流器中的少数载流子的寿命。在双极整流器中需要低的少数载流子寿命以增加开关速度。通过快速除去基区中的电荷的程度确定双极晶体管中的开关速度。一种电荷除去工艺是复合，由此电子和空穴在电荷捕获位置复合以使晶体管截止。然而，对于标准的SiGe双极晶体管小信号放大应用，不希望伴随这种少数载流子寿命的减小的电流增益(实际上通常可以避免；如上所述，开关速度的所述减少与增加截止电流增益频率的目标不相容)。
本发明人现已发现通过在大于SiGe稳定性曲线的厚度/浓度复合形成SiGe层，显著提高了早期电压，增加了截止频率，没有产生错配位错显著释放了机械应力产生了SiGe提供的带隙偏移，没有显著影响衬底的晶体。图3示出了用于提供这里报道的数据的SiGe厚度和浓度。为比较起见，Ge浓度固定在10％，并增加厚度。应该注意前两个数据点位于或低于SiGe稳定性曲线；这些器件提供了图1a所示的早期电压结果。本发明的SiGe厚度起始于约70nm。
如图4所示，本发明的SiGe HBT形成在其内具有浅沟槽隔离区(STI)12的单晶硅衬底10上。使用常规的技术在衬底10上外延地生长SiGe层14到至少40nm的厚度，Ge浓度至少约10％。适当掺杂形成集电极区14C之后，生长期间用硼原位掺杂SiGe层以形成基区14B(没有横向地按比例示出)。应该注意实际上来自基区的硼可以在多种处理热循环期间扩散深入到SiGe层内，由SiGe层14的深度X深入到深度Y。于是，可以在JA或JB产生基板/集电极结。由此，使用公知的技术随后形成发射极电极(未示出)以完成HBT的形成。然后本发明的HBT连接到形成在衬底上的其它HBT，以形成集成电路。
图1b示出了本发明SiGe HBT的集电极电路与集电极-发射极电压。应该注意显著提高了早期电压(对于所有施加的基极电压，曲线非常水平，意味着对于集电极-发射极电压增加，集电极电流恒定)。
图2示出了对于a和b情况下的集电极电流密度与截止频率的曲线图：(a)具有图1a所示早期电压的NPN(虚线所示)；以及(b)有图1b所示早期电压的NPN(实线所示)。应该注意对于本发明具有提高早期电压的晶体管增加了截止频率。峰值Ft约19GHz。同样应该注意在较宽的集电极电流的范围上截止频率增加。
本发明的一个方案是早期电压中的这些增益和截止频率没有以降低性能(通过电荷捕获)或成品率(通过晶***错)为代价。
首先考虑电荷捕获，应该注意首先观察到图4中所示的截止频率增加；如果通过错配位错引入了适当的电荷捕获，所得载流子复合将降低截止频率，没有增加它。而且，图5示出了NPN的Gummel曲线(IC、IB与VCE)，分别具有图1a和1b所示的早期电压。应该注意Gummel曲线中的IB和IC具有理想的斜率(室温下n～1(n为理想的测量)或60mV/decade)，表明不存在由作为较厚的SiGe一部分形成的错配位错引入的显著电荷捕获。避免增加电荷捕获的其中一个结果如图1a和1b所示，获得了这些较高的截止频率同时没有响应地减少器件的击穿电压(BVCEO)；或者，换种方式，随着SiGe厚度的增加，具有给定击穿电压BVCEO的器件截止频率Ft增加。对于需要高击穿电压器件的器件设计，这变得特别重要(例如在功率放大器或读取磁头方面)。
现在考虑成品率，图6示出了对于不同的SiGe厚度本发明的SiGeHBT的标准成品率曲线。示出的第一区(300埃的厚度，10％的Ge浓度)近似SiGe稳定性曲线的上限(见图2)。应该注意随着厚度增加到10％的Ge浓度时的SiGe稳定性曲线之上，成品率没有显著改变。这表明本发明的SiGe层中的错配位错没有显著影响衬底的晶体，这是由于如果这样的话，成品率将随SiGe厚度增加而下降。
图7示出了对于本发明的三个实施例Ge浓度百分比与70nm厚的SiGe层深度的曲线。在第一实施例中，如曲线A所示，本发明的SiGe层中的Ge浓度在40nm厚的SiGe膜的整个厚度中近似10％。该实施例产生了集电极电流与图3的实线所示的本发明的集电极-发射极电压曲线。在第二实施例中，如曲线B所示，本发明的SiGe层中的Ge浓度在70nm厚的SiGe膜的整个厚度中近似10％。第一和第二实施例产生了图6所示的成品率数据。在第三实施例中，如曲线C所示，本发明的SiGe层中的Ge浓度在SiGe层的上表面以及它的厚度的三分之一(对于70nm厚的SiGe膜约23nm)约25％，然后在SiGe膜的厚度的三分之二处，Ge的百分比以显著的线性方式由25％降到10％，然后对于SiGe膜的其余厚度，浓度为10％。通过将下表面处的含量降低到10％，错配位错、成品率和性能的结果与本发明的前两个实施例观察到的相同。
在本发明的第四实施例(图7中未示出)中，SiGe层150nm厚，并在它的整个厚度中具有近似10％的Ge浓度。本发明人发现即使该厚度和Ge浓度，错配位错具有这里报道的总体特性。根据这些结果，本发明人相信SiGe层甚至可以厚于150nm，并仍然提供报道的特性。
这里报道的结果表明不存在SiGe浓度和厚度需要受位错产生因素限制的基本原因。
由此，显然对Ge浓度百分比的仅有性质限制是在下面的Si层中引入了太少或太多应力，本发明人相信低于约5％的浓度降不能提供足够的应力以引入相当量的电荷迁移率提高，约35％以上的浓度会提供厚度范围中禁止的应力(约70nm及以上)，显然由于在SiGe层的上表面上形成了小丘，优化了早期电压或降低了成品率。
本发明人发现本发明的SiGe层中的错配位错位于图3所示的STI边缘12A，12B的大部分区域中。位错趋于沿虚线10A所示的SiGe/Si界面水平地延伸。显然基本上没有观察到延伸到基极/集电极结JA或JB内，此时，我们没有观察到延伸到发射极区内。而且，如前所述，理想的Gummel曲线表明所得位错没有建立适当的电荷捕获位置。
由此，与本领域中的教导相反，本发明人发现具有错配位错的SiGe层可以提高性能同时没有降低成品率。与本领域中的教导相反，本发明人发现它们自身或内部的大量错配位错没有决定性能或成品率。相反，关键是位错没有产生显著的电荷捕获，并且没有大量穿过基极/集电极结。
虽然以上参考特定的实施例介绍的本发明，但是本发明不限于此。可以对介绍的实施例进行修改同时不脱离本发明的要求的精神和范围。例如，虽然教导了特定的Ge浓度、浓度梯度和/或厚度，但是只要能够提供这里报道的相同的总体结果，也可以使用其它的浓度、梯度和/或厚度。
工业实用性
本发明可应用于电路和器件，特别是用在通信***中的电路和器件。
Claims (23)
1.一种硅锗(SiGe)异质结双极晶体管(HBT)，包括具有的厚度(t)和Ge浓度大于SiGe稳定性极限的SiGe层(14)，并且其内的多个错配位错没有产生显著的电荷捕获位置。
2.根据权利要求1的HBT，其中所述SiGe层(14)具有基极/集电极结，并且其中所述多个错配位错没有显著延伸到基极/集电极结上。
3.根据权利要求1的HBT，具有在多个隔离结构(12)上厚度(t)至少约为70nm和Ge浓度至少为10％的SiGe层(14)、隔离结构(12)上的基极/集电极结、以及多个没有显著在基极/集电极结上延伸的错配位错。
4.根据权利要求3的HBT，其中所述多个错配位错没有产生显著的电荷捕获位置。
5.根据权利要求1的HBT，其中所述HBT具有至少约19GHz的截止频率，与所述集电极区对接的多个隔离区(12)，以及形成在所述集电极区上的基区，其中所述SiGe层内的所述多个错配位错与所述多个隔离区(12)相邻并延伸到所述集电极区内，同时基本上没有延伸到所述基区内。
6.根据权利要求5的晶体管，其中所述SiGe层(14)具有至少为10％的Ge浓度。
7.根据权利要求6的晶体管，其中所述SiGe层(14)具有至少约为70nm的厚度(t)。
8.根据权利要求6的晶体管，其中所述SiGe层(14)具有至少约为150nm的厚度(t)。
9.根据权利要求6的晶体管，其中所述SiGe层(14)具有在所述SiGe层(14)内改变的Ge浓度。
10.根据权利要求9的晶体管，其中所述SiGe层(14)的Ge浓度在它的上表面处的值较高并且在它的下表面处的值较低。
11.根据权利要求10的晶体管，其中所述Ge浓度在所述SiGe层(14)的上部分具有第一值，在所述SiGe膜的下部中具有小于所述第一值的第二值，以及在所述SiGe层(14)中间部分中的值由所述第一值改变为所述第二值。
12.根据权利要求11的晶体管，其中所述较高值约为25％，所述低值约为10％。
13.根据权利要求11的晶体管，其中在所述SiGe层(14)厚度(t)的上部三分之一处，所述Ge浓度约为25％。
14.根据权利要求13的晶体管，其中在所述SiGe层(14)厚度(t)的中间三分之一处，所述Ge浓度以总体线性方式由25％降低到10％。
15.根据权利要求14的晶体管，其中在所述SiGe层(14)厚度(t)的下部三分之一处，所述Ge浓度约为10％。
16.一种制造根据权利要求1-15中任何一个双极晶体管以具有增加的Ft和具有给定的BVCEO的方法，包括以下步骤：
在硅衬底(10)中形成多个隔离区(12)；
在所述衬底(10)和所述隔离区(12)上形成SiGe层(14)，所述SiGe层(14)具有的厚度(t)和Ge浓度大于SiGe稳定性极限；以及
用第一掺杂剂掺杂所述SiGe层(14)和衬底(10)以形成集电极区，其中所述集电极区包括多个错配位错，基本上没有延伸到所述集电极区外进入双极晶体管的其它部分内。
17.根据权利要求16的方法，其中所述SiGe层(14)具有5％和35％之间的Ge浓度。
18.根据权利要求16的方法，其中所述SiGe层(14)具有至少约为10％的Ge浓度。
19.根据权利要求16的方法，其中所述SiGe层(14)具有至少约为70nm的厚度(t)。
20.根据权利要求19的方法，其中所述SiGe层(14)具有至少约为150nm的厚度(t)。
21.根据权利要求17的方法，其中所述SiGe层(14)具有在所述SiGe层(14)内改变的Ge浓度。
22.根据权利要求21的方法，其中所述SiGe层(14)的Ge浓度在它的上表面处的值较高并且在它的下表面处的值较低。
23.根据权利要求21的方法，其中所述Ge浓度在所述SiGe层(14)的上部分具有第一值，在所述SiGe膜的下部中具有小于所述第一值的第二值，以及在所述SiGe层(14)中间部分中的值由所述第一值改变为所述第二值。
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