[發明專利]SiGe異質結雙極晶體管中的遷移率增強

有效

• 申請號: 200680031187.5
• 申請日: 2006-08-25
• 公開（公告）號: CN101589460A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 杜里塞蒂·奇達姆巴拉奧;托馬斯·N·亞當
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L21/331
• 分類號: H01L21/331;H01L31/072
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 張 波

技術領域

本發明涉及SiGe基異質結雙極晶體管，且更具體地，涉及由于遷移率增強而具有改善的性能的SiGe基異質結雙極晶體管。本發明還涉及制作這種SiGe基雙極晶體管的方法。

背景技術

在目前工藝水平的SiGe異質結雙極晶體管(HBT)器件中，基極材料是通過化學氣相沉積(CVD)或分子束外延(MBE)外延沉積的，作為制造工藝相對早的前端(front-end-of-line，FEOL)膜。這提供了在合金和摻雜劑的兩方面調整特定基極分布的可能性，并允許具有鍺和碳的硅合金的假晶生長，這可以用于改善HBT器件的性能。

具體地，將替代的鍺結合到硅晶格中而在材料中產生壓應變，因為Ge原子需要更大的原子間隔。這也降低了材料的能帶。在一些SiGe基異質結雙極晶體管(HBT)器件中，Ge含量在整個基極區域上而陡然增加到一個常量(單矩形分布)或其部分上陡然增加到一個常量(臺階分布)。在“漸變”SiGe?HBT器件中，基極區域中的Ge含量不是常量，而是從發射極-基極結附近的低Ge含量增加到深入到基極區域中的高Ge含量，因此產生漂移電場，在電子流動的方向上具有降低的帶隙。從HBT器件的發射極注入的電子由于在發射極-基極結的低Ge含量而面對降低的注入勢壘，并然后由于深入基極區域的增加的Ge含量在基極區域上經歷加速電場。在反射極-基極結的低Ge含量增加到基極中的電子注入，因此增加電流增益。在基極區域中的Ge漸變具有在器件上加速電子輸運的效果，導致通過基極的降低的渡越時間，這在將器件調節到高速性能上特別重要。這樣期望的Ge漸變可以在SiGe膜沉積中通過Ge前驅體流的隨時間變化的設計而容易地產生。

然而，當在假晶生長的SiGe膜中的應變達到臨界水平時，由于SiGe膜厚度的增加或者Ge含量的增加，該應變不再能通過儲存在扭曲的SiGe晶體結構中的彈性能容納。而是，部分的應變將通過在異質結界面中產生失配位?錯而被弛豫。因此，對于特定Ge含量的SiGe膜，存在“臨界厚度”，該臨界厚度定義為SiGe膜的假晶生長的最大厚度，在該臨界厚度之下，由Si和Ge之間的晶格失配引起的應變由儲存在晶格扭曲中的彈性能容納，而在該臨界厚度之上，部分的應變通過異質結界面中產生失配位錯而被弛豫。類似地，對于特定厚度的SiGe膜，存在“臨界Ge含量”，其定義為能夠結合到假晶SiGe膜中的最大鍺含量，在該臨界Ge含量之下，由Si和Ge之間的晶格失配引起的應變由儲存在晶格扭曲中的彈性能容納，而在該臨界Ge含量之上，部分應變通過異質結界面中產生失配位錯而被弛豫。

源自應變弛豫的位錯缺陷是電活性的并能引起增加的載流子散射、載流子陷阱、以及載流子復合。因此，在過去，Ge含量和SiGe基極層的總厚度被仔細地設計以不超過臨界值，從而避免器件結構中的位錯缺陷的形成。

SiGe?HBT器件在垂直和橫向兩個方向的最近迅猛的比例縮小已經導致器件尺寸的顯著減小，包括基極層厚度的顯著減小。此外，最近的高頻測量顯示通過高性能HBT(例如，具有不超過約100nm的厚度)的超薄基極層的載流子輸運已經達到在當前迅猛的Ge漸變的飽和速率。換言之，在超薄基極層中的增加的Ge漸變沒有產生載流子速率的進一步改善。

結果，目前技術SiGe基HBT器件(見Khater?et?al.，“SiGe?HBT?Technologywith?fMax/fT＝350/300?GHz?and?Gate?Delay?Below?3.3?ps，”IEEE?ElectronDevices?Meeting，IEDM?Technical?Digest，13-15?December?2004，pp.247-250)具有遠小于臨界值的Ge含量和厚度的基極層。

發明內容

本發明意在通過增加HBT器件的基極區域中的雙軸應變來進一步改善當前可獲得的SiGe基HBT器件的性能，這又增加了基極區域的載流子遷移率。

本發明發現盡管當前可獲得的HBT器件的超薄基極層的Ge含量進一步增加沒有進一步增加載流子速率，但其可以引起基極區域附近的雙軸應變的增加，即，沿平行于基板表面的方向(即，橫向方向)增加的壓應變，以及沿垂直于基板表面的方向(即，垂直方向)的增加的拉應變，其起到增加橫向流動通過基極區域的空穴和垂直穿過基極區域的電子的遷移率的作用。

因為載流子的基極-渡越時間不僅依賴于載流子速率，還依賴于載流子?遷移率，當前可獲得的SiGe基HBT器件的載流子基極-渡越時間能通過增加這種HBT的超薄基極層的Ge含量到接近臨界值而進一步增加。