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TW200816473A - A heterojunction bipolar transistor (HBT) with periodic multilayer base - Google Patents

A heterojunction bipolar transistor (HBT) with periodic multilayer base Download PDF

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TW200816473A
TW200816473A TW096128446A TW96128446A TW200816473A TW 200816473 A TW200816473 A TW 200816473A TW 096128446 A TW096128446 A TW 096128446A TW 96128446 A TW96128446 A TW 96128446A TW 200816473 A TW200816473 A TW 200816473A
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TW
Taiwan
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layer
film
compound semiconductor
semiconductor film
substrate
Prior art date
Application number
TW096128446A
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English (en)
Inventor
Darwin G Enicks
Original Assignee
Atmel Corp
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Publication date
Application filed by Atmel Corp filed Critical Atmel Corp
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Description

200816473 九、發明說明： 【务明所屬之技術領域】 、本毛明般係關於製造積體電路（Ic)之方法。更明確地 说，本發明係使用化合物半導體材料製造多層*質接面雙 . 極電晶體的方法。 又 【先前技術】
'W 傳統異質接面雙極電晶體（HBT)之製造涉及使用均質材 '料之個別層。-範例係現代矽鍺異質接面雙極電晶體 / (SiGe HBT)。— SiGe HBT之射極-般由具有一 η型或_ ^ 性之矽構成，基極區域由具有11或1?型極性之以〇6構成，而 集極由p或η型石夕製成。 在該基極區域中使用SiGe以數個方式改良裝置性能： (1)該SiGe於基極射極（BE)接面提供一能帶偏移用於增強的 電子注入從而導致更高的集極電流密度，Jc。（2)由於增強 的電洞載子遷移率（對於該基極中具有硼摻雜物之 C. hbt)所致，基極電阻_減低。⑺在^中摻雜物擴= 係最小化從而導致一奈米級中性基極寬度（即少於i 0 0 nm);該奈米級基極寬度致能―大大減低的發送時間^(當 硼係該摻雜物材料時此等因數尤為顯著）。可以將以八 級來提供一内建漂移場以增強載子速度並進一步減低、^ ⑺還可以將Ge分級至該集極區域内以增加基極集極崩、 電壓BVcb〇，其還增加集極射極崩潰電壓Bv 。 只 關於重要的效益指數（例如整體増益截止頻率fT、最大振 盪頻率fmax、最小雜訊指數NF‘及電流増益p),此等増= 123185.doc 200816473 等於改良的性能。此外，裝置效率係增強從而導致減低的 功率消耗。 Γ
ΗΒΤ技術整體上在迅速地發展。參考圖1解說針對心與 fmax的技術發展。圖1描述第一至第四代HBT裝置並顯示 SiGe與SiGeC HBT性能之一般發展。目前，已實現具有大 於3 00 GHz之fT的裝置。對於高速率低雜訊裝置的設計者 之一重要約束係fmax/fT之比率，其在多數應用中必須係保 持於大於1.0之值並且在許多情況下大於12。隨著ΗΒτ性 能繼續增力Π，保持大於1·0之—fmax/fT比率的能力變得越來 越困難。違困難源自南fT與低Γβ之間的平衡及低集極基極 電合CCB。回fT裝置必然採取一極薄的基極區域（^^)。然 而’隨著基極區域變薄，變高。隨著rB增加，fmax係減 少。最大振盈頻率fmax係透過以下等式與Γβ相關：
f = OLI
maX i^rBCCB 其中CCB係集極基極電容且如上所述⑽裝置基極電阻。 隨著wb變薄，可以添加 日日札二間之摻雜物的總劑量 係減低。摻雜物之更低的劑 ^ ^ - ΛΛ ^ . 个1皇¥致k尚的rB，還導 致極鬲的電流增益β。電流 ^ „ αα 曰凰係木極電流Ic與基極電流Ιβ 之間的簡單比率·· 咕八Β
Β
Ic本身係許多因數之一函 保持恆定，Ic與Wb&基極摻 數。然而，假定所有其他因數 雜物之總濃度Nab成反比。w J23J85.doc 200816473 摻雜的基極區 /、 ab之束積給出該基極區域（假定係 域）中的摻雜物之大致劑量。 aD vv b 热習此項技術者會明白次級離 摻雜物之_本、曲ώ 貝°曰去（SIMS)可以量a /雜物之n辰度並且還可以藉由作為 求她、、費疮+ ϋ \ + 邛木度之一函奏 八、，、心/辰度之積分來估計劑量。 集極電流密度j (單位得凉 2
U
反比，如第s ㈣）與劑量（如上定義）成 汉比如弟一項之分母所定義·· (^ Λ e kT -1 η 丨2 r ΔΕ；ρρ、 f γη ^^rade)"!) V J v J V kT Jy △E“〇) / kT qpnb
Nabwb 且Ic可以與該集極電流密度相關如下： 其中Ag係射極面積。 基於定義為集極與基極電流之比率㈣之關係，該基極 電流與添加至該基極區域之Nab並還與Wb成正比。因此， -更低的劑量及/或減低的^等於Ib之減低。由於硼擴散 之減低的速率所致使得能夠在該SiGeHBT中保持極窄的删 摻雜區域(其定義Wb)。由於前述的關係，IC之增加與18之 減低等於β之顯著增加。 问電〃丨L i日盈一般係有益的。然而，若過高，則該提高的 電流增益導致集極射極崩潰電壓BVCE。之實質減低。BVce。 與β的η次方根相關並還與該集極基極崩潰電壓bVcb〇相 關0 123185.doc 200816473
BV BV =— CB0 u V CEO i 般而a，3<n<6。一般以實驗方法決定，，n，，的精確值。 因此’ f要—種方法’其允許針對fT之進步，且允許rB 之同t減低fmax之增加及最終一增加的比率。此技 術應為絲置设計者提供額外的自由度來調諧&/f咖、p、 iB bvceg、ic&Ib。該技術還應使用一標準半導體製造設 備安裝的基極用於最佳製造性。 【發明内容】 在1例性具體實施例中，本發明係一種用於製造一電 子裝置的方法’其中該方法包括提供具有一第—表面之一 半導體基板，換雜該第—表面之至少—部分，以及在該基 板之第-表面之上形成一第一化合物半導體膜。使用一第 札雜物颏型來摻雜該第一化合物半導體膜並且在該第一 化合物半導體膜之上形成―第二化合物半導體膜。在該第 二=物半導體膜之上形成—第三化合物半導體膜並且使 用—第二摻雜物類型來換雜該第三化合物半導體膜。在各 種其他具體實施例中，以選定方式將額外化合物半導體膜 層添加至所說明的基本膜堆疊。該等化合物半導體膜層可 以包2使用變化的鍺位準的siGe&摻雜與非摻雜（即實質 本貝）化合物半導體膜層之各種組合。 、 在另一範例性具體實施例中，本發明係一種製造一異質 :面雙極電晶體的方法，其中該方法包括在一基板中形成 一集極區域，該基板係選擇具有至少—由一元素半導體組 123185.doc 200816473 成之最上部部分。該元素半導體可以係 之上形成一多層基極區域。該多 μ木極區域 ^ 卜 層基極區域之形成包枯乂 該基板之第一表面之上形成一# b雜弟一矽鍺膜與 矽鍺膜之上形成一第二矽鍺膜。 隹β弟一 一“ 該弟—矽鍺膜係選擇具右 . —尚浪度的冑。在該第二矽鍺膜之上形成—# 、 - τ牛導體層係璉擇用作一射極並形成於該 錯膜之上。在各種其他具體實施例中，以選定 : Ο化合料導體膜層（例如額外抓層）添加至所說明的= 膜堆豐。可以使用變化的錯之位準及摻雜與未摻雜（即實 質上本質）SiGe層之各種組合來形成該等SiGe層。 、 在另一範例性具體實施例中，本發明係―電^子裝置，其 包括具有至少-由一半導體材料組成之上部部分的基板了 例如’該基板可以係-石夕晶圓、一s〇I晶圓或其他半導體 晶圓、。該基板還可以由各種材料組成，例如沈積一多晶石夕 層亚退火以將多晶矽再結晶為單晶矽的石英主光罩。在該 。 基板之上，沈積一第一摻雜化合物半導體膜並在該第—化 物半‘體膜之上沈積一第二化合物半導體膜。該第二化 合物半導體膜係經組態以用作一量子井層。在該第二化合 物半導體膜之上沈積一第三摻雜化合物半導體膜並在該第 枱雜化合物半導體膜之上沈積由一半導體材料組成之一 後孤層在各種其他具體實施例中，將額外化合物半導體 臈層（例如額外SiGe層）添加至所說明的基本膜堆疊。可以 麦化的鍺之位準以各種鍺之輪麻並使用添加之摻雜與 未乜雜（即貫質上本質）SiGe層之各種組合來形成該等Si(5e 123185.doc •10· 200816473 在另-範例性具體實施射，本發明係—異質接面雙極 電晶體，其包括實質上由一元素半導體製成並包含於一基 板之至少一上部部分中的集極層。例如，該基板可以係二 • …⑽晶圓或其他半導體晶圓。該基板還可以由 α種材料”且成’例如沈積-多晶矽層並退火以將多晶矽再 結晶為單晶石夕的石英主氺置 Α 央王尤卓。在该基板之上沈積實質上由 〇 70素半導體製成之—射極層。在該射極層之上沈積一多 層基極。該多層基極實質上包含一第一換雜石夕錯層與沈積 於該第-石夕鍺層之上的一第二石夕鍺層。該第二石夕錯層係經 組您以用作一量子井層並且在該第二石夕錯層之上沈積一第 三#㈣錯層°在各種其他具體實施例中’將額外SiGe声 添加至所說明的基本膜堆疊。可以使用變化的錯之位準以 ^種鍺之輪麻並使用添加之摻雜與未摻雜（即實質上本 質層之各種組合來形成該等SiGe層。該等各種SiGe G 《允許針對特定性能特徵來調諧該裝置之參數。 【實施方式】 先前技術中存在關鍵缺點’其必須係克服以實現進一步 又凰於SiGe HBT之優點。以下揭示内容明確地說係關於一 npn型孤咖，但所涉及的原理亦係關於卿型脱 HBT以及使用其他化合物半導體材料（例如其他第I”至v或 第Mvm材料）製造的HBT。此外，本文揭示的技術與方 法有益於其他裝置類型，例如金氧半導體場效電晶體 (MOSFET)、高電子遷移率電晶體⑽Μτ卜高電洞遷移率 123185.doc 200816473 電晶體（ΗΗΜΤ)、雙極接面電晶體（B叮)及FINFET。 針對其他應用已知週期性的多層（ML)及/或超晶格（SL) 一段時間。然而，ML在一 siGe HBT之基極中的使用表示 此技術之一新的使用。該儿係ML之一特殊情況，其中與 鄰接相鄰層化學上不同的層係連續重複。因此，S]L係週期 性的ML。該ML在電子與光子裝置中的使用較重要，因為 其致施能帶隙與載子遷移率之策略工程。 圖2提供一週期性的M]L結構2〇〇之範例性具體實施例。 該範例性週期性的ML結構200包括具有一摻雜集極區域之 一 P型矽基板201、一矽晶種層2〇3、不具有硼（B)之一第一 SiGeC層205及不具有硼與碳之一第一以^層2〇7。該第一 SiGe層207(未摻雜）提供二維電洞氣（2DHG)運輸。該2DHG 形成於該異質介面處並實體上包含一極窄的未摻雜以以層 (無奴、無硼），其具有比周圍的SiGe層更高的Ge濃度。增 加的Ge濃度導致能帶隙之減低從而導致一量子井效應。以 下详細說明針對各種ML膜類型之能帶隙效應。 一第二SiGe層2〇9係硼摻雜的而一第三以^層2丨丨類似於 該第一SiGe層207，因為該第三以^層211不具有一碳摻雜 與一硼摻雜。該第三SiGe層211提供一第二2DH(}運輸區 域。一第二SiGeC層213類似於該第一 8丨以(：層2〇5，因為 該第二SiGeC層213不具有棚摻雜。一石夕覆蓋層215完成該 範例性週期性的ML結構200。因而，該範例性週期性的 ML結構200提供一膜堆疊，其中未摻雜及 SiGeC交替。 123185.doc -12- 200816473 ::更少的來自蝴或碳之添加的合金與晶格散射所致， 未摻雜S i G e層且右α . ^ , 遷r率円： C層更高的本質載子 ^ 似申化餘（GaAs)中的摻雜物相關 =夕率/雜物濃度與遷移率之間的相同關係類型亦適用 半導體。然而，由於極低的載子（僅本質載子）濃度 所致，與SlGeB相比較非摻雜（即本質）咖之導電率係極 Ο u 低的。可由導電率等式來闡明此導電率差異。t亥導電率等 式規定： σ = 6(μβη + μ1ιΡ) 其中電子與電洞遷移率分別係分別係由於離 子化施體（ND)與受體離子（Να)濃度所致的電子與電洞濃 度，而載子電荷4 16 40-,9庫倫。可以使用〜來計算該 電阻率（P=ct-i)(Na>>Nd)並忽略n。因此，對於一給:的 ⑽膜厚度tsiGe，__p型或等）摻雜膜之一四點探針薄片 電阻測量（單位係Ω/口的RS)係：
Rs =上= —L__ tsiGe eMhpWb 多層及/或超晶格SiGe膜 可以使用ML及/或SL(下文中”ML&/*SL，，係簡稱為 "ML”，除非另外指明）製造若干有利的膜結構。例如，圖4 解說一遠端碳膜堆疊400之範例性具體實施例。用於製造 該遠端碳膜堆疊4〇〇之技術目前在專利待審並係讓渡給與 本申請案（Atmel Corporation，第 11/166,287號，2〇〇5年6月 123185.doc -13 - 200816473 、/申,）相同的党讓者。簡言之，該遠端碳膜堆疊400可 ^ 於 裝置並且包括具有一摻雜集極區域之一p
，夕土板401、一矽晶種層403、不具有硼之一第一 SiGeC ^ 硼摻雜以^層4〇7、不具有硼之一第二以^…層 409及一矽覆蓋層411。 圖5A解現另一範例性siGe Ml膜堆疊5〇〇。該範例性
SiGe ML膜堆疊5〇〇包括具有一摻雜集極區域之一 p型矽基 板5(H、一矽晶種層503、不具有硼之一第一 SiGeC^ 5〇5、 不/、有爛摻雜與碳掺雜之一第一 層、具有摻雜 之一第二SiGe層509、不具有硼之一第二Si(3eC層511及一 石夕覆盖層513°圖4之遠端碳膜堆疊400與圖5A之SiGe ML 膜堆® 500之間的主要差異在於相鄰於與一以^…層耦合之 摻雜物濃化層（SiGeB)提供一高遷移率層（未摻雜siGe)，以 防止向外擴散。該第一 siGe層507用作一 2dhG層。 圖5B至圖9係與各種範例性ML結構相關聯的能帶隙圖 式。圖5B至9之各種範例性ML結構的未摻雜81〇}6層（亦稱 為2DHG層）中的Ge之百分比大於或等於周圍SiGeB及/或 SiGeC層中的Ge之百分比。該未摻雜siGe層中的Ge之百分 比的增加提供一量子井（QW)效應用於將載子（以一 2DHG之 形式）更加限制於該未摻雜SiGe區域。從量子力學的觀點 來看，一載子波函數具有存在於該未摻雜SiGe層内的更大 機率’其表示由於其減低的能帶隙所致之一 QW(假定其具 有比周圍層更多的Ge)。因為該QW層還具有比周圍層更高 的電洞遷移率，故該2DHG之導電率係增強。（熟習此項技 123185.doc -14- 200816473 術者將明白QW與2DHG層係相同層之參考）。 圖5B至9之各圖中的第一帶隙能量圖式指示在將該等膜 彼此接觸(即彼此相鄰而形成)之前該ML膜堆疊之獨立的膜 的能量結構。因此，在該第一帶隙能量圖式中，不強迫對 準各膜的費米能階。因"’此第-圖式僅係視覺化之理想 狀況並輔助熟習此項技術者理解與領會該第：帶隙能量圖 式中描述的帶對準。 Ο
/5B至9之各圖中的第二帶隙能量圖式描述—旦該等膜 係生長便會發生的情況。此視圖係一 Ml結構，其中由於 電荷平衡的實體限制已完成該㈣能階對準。此描述表示 一無偏離的膜（即未施加電位）。在該第二圖式中，該等量 子井層（EM)之形成係清楚的。僅在此層中的&之百/分2 大於周圍的硼摻雜層之情況下發生—Qw之形成。更多的 Ge等於一更小的EG。 、本=採用的能帶定義係針對理想理論計算而考量的並可 以在實際ML結構中改變。任—能帶隙亦係摻雜物相關 的、。因此’若使用-第半導體進行㈣，則可標 記：不具有任何極性改變摻雜物的某些層具有一稍微不同 的帶隙，因為退化摻雜效應（極高的摻雜）。然而，涉及針 對》亥ML導電率之増強的2維電洞氣㈤恥）與量子井形成 (QW)的所說明與解說原理不改變。因而，參考圖5B至9採 用以下定義：
Egi係矽之能帶隙（EG)(1.11 ev) 匕2係不添加硼（即無B摻雜物）的矽鍺碳（SiGeC)之能帶 123185.doc -15- 200816473 隙。该帶隙取决於Ge與碳兩者的百分比。 • Ευ係摻雜硼的SiGe之能帶隙。該能帶隙取決於^與 侧兩者的百分比。 • Ech係不具有碳與硼的未摻雜以&之能帶隙。因而該 • 能帶隙僅取決於^的百分比。此未摻雜SiGe層亦係該 ‘ 21>恥層。若此層中的鍺之百分比大於周圍層的Gel 分比，則此層變為一 QW層。 (-) 矽之最小能帶隙係1 ·11 eV，而鍺之最小帶隙係〇.67 、 eV。以與&之間的晶袼參數差異（即單位單元側長度之差 異）分別係5.43A與5.67A。因此，Ge與Si之混合導致一膜 具有處於純成分之間的某一 EG與晶格參數。 參考圖5B，側向翻轉顯示圖5八之範例性8：1(^ ML膜堆疊 5 00以針對該等層之各層指示一相對帶隙。該範例性 ML膜堆璺500係無偏離的（例如未施加電位）。該第一能帶 隙圖式551指示費米能階對準之前的能帶。該第二能帶隙 C./ 圖式553指示費米能階對準之後的能帶。不具有硼摻雜與 碳摻雜的第一 SiGe層507係2]311(3層並對準Eg4能階，其係 該量子井（QW)之位置。 圖6解說另一範例性SiGe ML膜堆疊6〇〇與相關帶隙能量 圖式65 1、653。該範例性以〇6 ML膜堆疊6〇0在一 b摻雜 SlGe層之上具有一 2DHG層。該膜堆疊600包括一矽基板 /Γ /Λ -1 、一石夕晶種層603、不具有硼之一第一 siGeC層605、具 有硼摻雜之一第一 SiGe層607、具有高Ge含量且不具有硼 推雜與碳摻雜之一第二以^層6〇9、不具有硼之一第二 123185.doc •16- 200816473
SiGeC層611及一矽覆蓋層613。 側向翻轉顯示該範例性siGe ML膜堆疊6〇〇以針對該等層 之各層彳曰示相對帶隙。該範例性SiGe ML膜堆疊6〇〇係無 偏離的（例如未施加電位）。該第一能帶隙圖式65ι指示費米 ‘ W準之w的能帶。該第二能帶隙圖式653指示費米能 ^ ^對準之後的能帶。具有高以含量且不具有删摻雜與碳摻 雜的第二SiGe層6〇9係2DHG層並對準^4能階，其係該量 子井（QW)之位置。 C) 圖7解說另一範例性SiGe ML膜堆疊7〇〇與相關帶隙能量 圖式75 1、753。該範例性SiGe ML膜堆疊7〇〇在一中央的b 摻雜SiGe層之任一側之上具有一 2〇]9[<3層。該膜堆疊7⑽包 括一矽基板701、一矽晶種層7〇3、不具有硼之一第一 SiGeC層705具有鬲Ge含量且不具有删摻雜與碳摻雜之 一第一 SiGe層707、具有硼摻雜之一第二以^層7〇9、具有 高Ge含量且不具有硼摻雜與碳摻雜之一第三以&層7丨玉、 〇 不具有硼之一第二SiGe(^ 713及一矽覆蓋層715。 側向翻轉顯示該範例性SiGe ML膜堆疊7〇〇以針對該等層 之各層指示一相對帶隙。該範例性SiGe ML膜堆疊7〇〇係無 偏離的（例如未施加電位）。該第一能帶隙圖式751指示費米' 能階對準之前的能帶。㈣：能帶隙圖式753指示費米能 階對準之後的能帶。具有高以含量且不具有蝴推雜與碳推 雜的第707與第二711 SiGe層係兩個2DHG層。該等兩個 2DHG層之各層對準能階，其係該等量子井（qw)之位 置。 123185.doc -17- 200816473 圖8解說另一範例性SiGe ML膜堆疊800與相關帶隙能量 圖式85 1、853。該範例性SiGe ML膜堆疊800具有一 2Dhg 層夾在兩個B摻雜SiGe層之間；該等B摻雜SiGe層與SiGeC 擴散阻隔層相鄰。該膜堆疊800包括一矽基板8〇1、一矽晶 ' 種層803、不具有硼之一第一 SiGeC層805、具有硼摻雜之 一第一SiGe層807、具有高Ge含量且不具有硼摻雜與碳摻 雜之一第一 SiGe層809、具有棚摻雜之一第三§丨〇6層"I、 不具有硼之一第二SiGeC層813及一矽覆蓋層815。 C · 側向翻轉顯示該範例性SiGe ML膜堆疊800以針對該等層 之各層指示一相對帶隙。該範例性SiGe ML膜堆疊800係無 偏離的（例如未施加電位）。該第一能帶隙圖式85丨指示費米 能階對準之前的能帶。該第二能帶隙圖式853指示費米能 階對準之後的能帶。具有高Ge含量且不具有硼摻雜與碳摻 雜的第二SiGe層809係2DHG層並對準該eG4能階，其係該 量子井（QW)之位置。 G 圖9解說另一範例性SiGe ML膜堆疊900與相關帶隙能量 圖式951、953。該範例性SiGe ML膜堆疊900具有三個交替 2DHG層並具有兩個b摻雜SiGe層夾在其間；SiGeC擴散阻 隔層與此五層夾心結構相鄰並處於其外部。該膜堆疊9⑽ 包括一矽基板901、一矽晶種層9〇3、不具有硼之一第一 S!GeC層905、具有高Ge含量且不具有硼摻雜與碳摻雜之 一第一SiGe層907、具有硼摻雜之一第二以〜層9〇9、具有 同Ge含置且不具有硼摻雜與碳摻雜之一第三層μ 1、 具有硼摻雜之一第四以^層913、具有高Ge含量且不具有 123185.doc 200816473 硼摻雜與碳摻雜之一第五SiGe層915、不具有硼之一第二
SiGeC層917及一矽覆蓋層919。 側向翻轉顯示該範例性SiGe ML膜堆疊9〇〇以針對該等層 之各層指示一相對帶隙。該範例性SiGe ML膜堆疊9〇〇係無 • 偏離的（例如未施加電位）。該第一能帶隙圖式951指示費米
旎階對準之前的能帶。該第二能帶隙圖式953指示費米能 階對準之後的能帶。具有高Ge含量且不具有硼摻雜與碳摻 〇 雜的第一 907、第三911及第五915 SiGe層係三個2DHG 層。該等三個2DHG層之各層對準EG4能階，其係該等量子 井（QW)之位置。
參考圖10量化ML層對於減低薄片電阻（及最終hbt中的 基極電阻）的好處。圖1 0中描述的結果來自與圖2與圖7之 範例性SiGe ML膜堆疊200與700所示之結構在構造上相同 之一結構。此等結果提供（丨）稱為完全碳方法（CcM)的整個 摻雜碳之一標準SiGe膜、（2)使用遠端碳方法siGe Q 膜及（3)稱為一多層2DHG方法（ML2DHGM)的具有一2DHG 層之一 ML SiGe膜的比較。該ML2DHGM之結果來自該範 例性SiGe ML膜堆疊700(圖7)中描述的膜，其包含一硼摻 雜SiGe層夾在兩個2DHG層（未摻雜SiGe)之間。 上述待審實例中的遠端碳方法解說碳可以係位於一硼摻 雜區域外部並仍在減輕硼向外擴散中有效。此外，減輕· 擴散要求的碳之總劑量係減低。因而，該遠端碳方法由於 減低合金散射所致而進一步增強該薄片電阻（即減低該薄 片電阻）。該合金散射之減低導致一增加的電洞載子遷移 123185.doc •19· 200816473 率。 圖10進一步解說在硼摻雜SiGe與SiGeC層之間添加未摻 雜SiGe層（參見圖2與圖7)甚至進一步減低該薄片電阻。此 等結果係針對圖7中描述的CCM、RCM及ML2DHG膜。在 圖10之曲線圖中，ML2DHG-1與ML2DHG-2之間的差異僅 係由於該2DHG層之寬度所致。所有膜之總膜厚度大致係 25 nm。整個CCM層具有碳。該RCM層僅在SiGeC間隔物 區域中具有碳。一大致8.3 nm厚的SiGeB層係夾在該等 SiGeC層（在圖4之特定範例性具體實施例中亦大致係8.3 nm厚）之間。 圖7之ML2DHG-1層係使用一大致8.3 nm厚的中央SiGeB 層並夾在未摻雜SiGe(2DHG或QW層）之間製成。該等未摻 雜SiGe與SiGeC層各大致係4 nm厚。圖7之ML2DHG-2層亦 係使用一大致8.3 nm厚的中央SiGeB層製成。該中央SiGeB 係夾在各大致6 nm厚的未摻雜SiGe(2DHG或QW層）之間。 该等SiGeC層係2 nm厚。 針對HBT及其他裝置應用的Si/SiGe/Si多層之處理 所說明的範例性具體實施例明確地說係關於一異質接面 雙極電晶體（HBT)。然而，本文說明的技術可針對其他應 用而類似地執行，例如MOSFET、FINFET、HEMT及其他 裝置類型之通道區域。而且，可以將此等層延伸至許多重 複。例如，圖9之結構包含三個未摻雜SiGe層（無碳、無 朋）兩個SiGeC層（無测）及兩個SiGeB層（無碳）。可以將此 結構之類型實施於其他結構’其包含”n”個未摻雜以以 123185.doc -20- 200816473 層，及”n-l”個SiGeC與SiGeB層。例如，可將此類型之實 施方案用於製造一量子串聯雷射。 、 處理該等結構之-範例性方法係使用低壓化學汽相沈積 (LPCVD)來形成各種層。然而，許多其他方法可用，例如 超高真空CVD(UHVCVD)、分子束磊晶（MBE)、快速埶 CVD(RTCVD)、電漿增強CVD(pECVD)及原子層沈積 (ALD)。還可單獨或組合地採用此等及其他方法。 、 表面製備與晶種層生長 表面製備與晶種層生長之—範例性方法開始於在使用去 離子水稀釋之稀釋的氫敦酸（⑴之剛之—濕槽中進行—表 面預清潔。-般在膜生長之前執行該預清潔以確保一清^ 的表面。該表面預清潔移除原生氧化物及其他表面污毕: 通常在預清潔之後使用異丙醇(IPA)來乾燥該表面。 在晶種層生長之前-般採用—預烘烤步驟，例如於大於 峨之-溫度。然而，根據所採用的基板與技術還可 以使用少於90(TC的預烘烤溫度。— .^ 又 Λ又在一虱裱境中實施 該預烘烤但還可以使用惰性氣 月丨孔體周圍^境。在一特定範例 性方法中，還可以俊用入片 C J 乂使用—含虱摻雜物氣體，例如三氫 (AsH3)。可以使用三氫化砷 虱化ΐ以於一 HBT之基極集極接面接 供一明顯η型摻雜物輪廊。 可以藉由-先驅物（例如石夕烧（SiH4))之熱及/或化學分 來由矽形成晶種層生長。缺 _ ^ , 長然而，逷可以容易地使用其他矽 先驅物’例如二秒餘d· ^ ^ 汨6)、二氯矽烷（SiH2Cl2)或其他含 矽先驅物。熟習此項技 3 μ月白石夕並非唯一可接受的晶 123185.doc 200816473 種層材料。SiGe、SiGeC及純鍺（Ge)之化合物適當發揮功 能’尤其當與諸如用於當代絕緣物上矽（SOI)製造設施之 類的層傳輸程序組合時。可以使用鍺先驅物（例如鍺烷 (GeHU))或可以係化學及/或熱分解的任何含Ge先驅物。此 •外，含氣先驅物尤其適用於選擇性磊晶與選擇性多晶矽應 • 用。850°C至l〇〇〇°C範圍内的處理溫度獲得較佳的磊晶生 長。然而，可以使用少於850°C的溫度。常用的晶種層厚 度在1 0 nm與1 〇〇 nm之間，但不限於此範圍。 處理壓力通常在5〇 Torr與120 To rr之間。亦可以使用少 於50 丁 orr與大於120 T〇rr的壓力。常見載子氣體（或環境） 包括氫（HO或諸如氦（He)、氬（Ar)、氖（Ne)及氙（xe)之類的 惰性氣體。而且，可以使用上述載子氣體的任一混合。例 如’可以同時使用氫與氦作為該載子氣體混合。 該晶種層還可以包含一 n型摻雜物，例如砷及/或磷的。 在此情況下先驅物通常分別係三氫化砷（AsH3)及/或三氫化 U 磷（PH3)，但熟習此項技術者應明白還可以使用其他先驅 物。若該晶種層係摻雜η型的，則摻雜物濃度之範圍一般 係從5Ε17個原子/cm3至5Ε18個原子/cm3。然而，某些技術 考量可以要求少於5E17個原子/cm3或多於5Ε1δ個原子/⑽3， 取決於BVcbg、早期電壓（Vaf)、IcBQ(反向偏㈣漏）及其他 目標參數之性能目#。可以藉由此項技術中已知的次級離 子質譜法（SIMS)或其他技術來決定峰值摻雜物濃度。 石夕鍺多層之設計指南 可以藉由LPCVD或本文所述的其他技術或藉由此項技術 I23185.doc -22- 200816473 中已知的其他方法來形成SiGe、SiGeC、SiGeB及/或 SiGeC.B層。可以許多組合來配置此等層，例如但不限於 上面圖2至9所解說的該些組合。此外，藉由一盒狀輪廓來 定義圖2至9之範例性具體實施例；同樣根據所選擇或所需 ‘丨此特彳政，其他輪摩亦係有益的。例如，圖11至15指 示夕中鍺之百分比與基極區域深度之函數關係的各種類型 之鍺輪廓佐官该等圖式之各圖式明確地陳述一植入深 度，熟習此項技術者應明白還可以使用其他方法來產生該 矽内之一增加的Ge濃度輪廓或梯度。 圖11係1狀加斜坡輪廓11G1 °該盒狀加斜坡輪4M101提 供一内建漂移場以增強橫跨-製造的裝置之基極區域的電 子運輸圖1 2係一梯形輪廓120 1而圖1 3係一彎曲輪廓 1301。該梯形輪廓12〇1與該彎曲輪廓13〇1亦各提供一内建 漂移場以增強橫跨一製造的裝置之基極區域的電子運輸。 圖14與15各指示具有彎曲之輪廓。圖14係一盒狀加凹形斜 Ο 坡部分輪廊. θ 係一盖狀加凸形斜坡部分1 5 ο 1。此 =::二此等及其他Ge輪廊。熟習此項技術者還應明 < 4置所需的特定設計特徵與參數來應用各 /郭0 1 至2在Γη特定Γ例性具體實施例中，針對厚度在大致50請 25。/之了 Γ圍内的各種邮6 ML的鍺濃度分別在1 5%與 。之間。根據所選擇裝置特徵 大於25%的Ge之分產妙 彳史用^於15%與 大結晶缺陷發生之二二，存在在過度壓受力釋放與較 則可將夕少Ge添加至Si晶袼的限制。與 123185.doc -23- 200816473 下方矽晶格匹配的一siGe層之一 。丨/子沒llc主要係 之一函數··（1)所採用的Ge之百分 ’、 值 ㈡刀此，（2)SiGe膜屋疮 一後續覆蓋層之厚度；田士 又’（） 以及m以/ 處理中採用的溫度； -s广沈積之後的任何熱退火之溫度。超過該臨^ ^mGe膜處於一亞穩定及/或不穩定區域，立音 味著施加-足夠大的熱能其會容易地釋放。因&，亞；：
Ο 主要係Ge之百分比、SiGe層厚度、覆蓋層厚度及由於:： 所致的處理引起的壓受力之函數。基於—亞穩定區域之二 上下限内的Ge之原子百分比來決定塵受力補償的亞穩定 S^Ge基極區域之臨界厚度。該臨界厚度決定係基於 People/Bean與Matthews/Blakesly之歷史工作並為熟習二項 技術者已知。 ' 圖16係指示矽上偽晶siGe之臨界厚度與該矽晶格中鍺的 百分比或莫耳分率之函數關係的曲線圖。如一範例，圖16 顯示對於具有20%Ge之一膜，依據如該亞穩定區域之底部 邊緣定義的People/Bean曲線1603，該臨界厚度hc大致係2〇 nm ’而具有28%Ge之一膜具有僅9 nm之一臨界厚度hc。因 此’為生長還係20 nm厚的具有28%Ge之一完全”壓受力補 償的π膜，可以添加碳以減低晶格參數及壓受力補償〜之 8%。在整個20 nm、28%Ge膜之SiGe晶格中添加1%的碳將 該壓受力減低至近似一 20 nm、20%Ge膜之SiGe晶格的位 準。藉由該亞穩定區域之上部邊緣來定義該Matthews/Blakesly 曲線1 6 0 1。因此，諸如圖1 6之類的指示膜穩定度之區域的 曲線圖可用於量測對於一特定裝置應用可安全工作的Ge之 123185.doc -24- 200816473 數量與膜之厚度。 、上疋義的具體貫施例中視為一單一膜堆疊的所有MGe 夕層之一組合厚度一般係25 nm至5 0 。然而，基於以上 給出的附加條件與考量，可使用少於25 nm與大於50 nm2 厚度範圍。例如，個別多層可以係5 nm至1〇 nm厚，如乂射 線繞射或其他膜厚度決定技術所決定。 石夕鍺多層之處理指南 Ο Ο 典型膜生長條件包括50 T〇rr至120 Ton·之壓力範圍内的 550 C至650。。之沈積溫度。然而，可容易地採用此等範圍 之外的溫度與壓力，並且其係部分地取決於所採用的沈積 技術。例如，於300t或更低的溫度常使用ald程序。可 以將石夕烧與鍺烧用作該等石夕與鍺先驅物，儘管可以使用其 他含，與含Ge先驅物，只要其係可化學及/或熱分解的。 載子氣體及/或混合物與上述晶種層生長所揭示的相同。 甲石夕烧邮卿3)係已成功使用的特定碳先驅物，不過 任何可熱及/或化學分解的碳先驅物皆會適#發揮功能。
該碳濃度必須足夠高以卩大U 1 A 刃问以防止過度硼向外擴散。例如，硼的 1 ·2Ε20個原子/cm3之峰僅、、麄 幸值/辰度要求大致1E2〇個原子/cm3之 峰值碳濃度以有效防止硼向外 Π外擴政。所要求的碳與硼濃度 部分取決於添加至該Si晶格 之百分比0某一特徵化對 於決疋防止蝴向外擴散的碳盥 人，、朋之最佳比率並還對於獲得 一目標基極電阻及其他梦w 、寺倣可以係必要的。該特徵化 係必要的，因為諸如所選擇 一 、铎化口物+導體、該化合物内的 70 ,丁、成刀之百分比、摻雜物 旱及所使用沈積壓力與溫度 123185.doc -25 - 200816473 之類的因數之各種置換。 一硼烷（Β#6)係已成功使用的特定硼先驅物，不過其他 含硼與含碳先驅物會適當發揮功能。在一特定範例性具體 實施例中，一峰值硼濃度範圍係從大致5Εΐ9個原子/cm3至 1.2E20個原子/cm3，如膜生長之後的81河3所測量。然而可 以使用J/於5E19個原子/cm3與大於丨·2Ε2〇個原子/cm3之峰 值/辰度來貫現針對基極電阻、早期電壓、電流增益。或 f、 其他相關參數之一所需目標。 覆蓋層之製造 在SiGe HBT中，該覆蓋層係射極結構之部分並定義相 對於該Si/SiGe異質接面的冶金接面佈置。相對於該 S i / S i G e異質接面的冶金接面佈置還定義於該基極射極異質 接面的帶隙偏移。 在特疋範例性具體實施例中，使用類似於用於產生該 、種層之[力.又置、氣體及混合物來由矽構造該覆蓋層。 (J 二而此具體貫施例中的處理溫度一般係在700它與80〇它 之間根據生長速率、摻雜物併入與活化及其他因數之技 術要求還可使用少於7〇(rc與大於8〇〇t的溫度。 後凰層在厚度上一般係在35 nm與55 nm之間但還可以 使用夕於35 nm與大於55 nmi厚度來調諧一 hbt之基極射 極側的冶金/異質接面的佈置。該覆蓋層一般還係未播雜 的。然而，可以使用諸如砷(As)及/或磷(Ρ)之類的η型摻雜 物。二氫化石申與三氫化碟分別係八5與ρ之典型先驅物氣 123185.doc -26- 200816473 在剐述說明書中’已參考本發明的特定具體實施例來說 明本發明n熟習此項技術者應明白’可對其進行各 種修改與變更，而不脫離隨附請專利範圍所提出的本發明 之更寬廣的精神及範_。例如，纟文一般在植入程序（例 • 如離子植入）方面定義摻雜物步驟。熟習此項技術者會明 . 白其他摻雜物技術（例如擴散）亦會容易地產生一電子裝置 中之摻雜區域。 〇 而且，儘管詳細顯示與說明程序步驟與技術，熟習此項
技術者會明白可使用其他技術與方S，其仍包括於隨附申 請專利範圍之一範疇内。例如，數個技術常用於沈積一膜 層（例如化學汽相沈積、電漿增強汽相沈積、分子束磊 晶、原子層沈積、大氣壓力CVD等）。儘管並非所有技術 皆適合於本文說明的所有膜類型，熟習此項技術者會明白 可以使用夕個方法用於沈積一給定層及/或膜類型。而 且，仏官特定參考矽與鍺化合物說明多數具體實施例，由 U 其他第nSVI或第111至V族半導體化合物（例如GaAs、InP 或AlGaAs)製成的裝置亦可受益於本文說明的技術。此 外，該基板本身可由一非半導體材料組成，例如具有一沈 積並摻雜的多晶矽層並隨後進行一退火步驟（例如快速熱 退火（RTA)或一準分子雷射退火（ela》的石英主光罩。因 此，一半導體基板可以係在其表面上具有一沈積並退火的 膜的一非半導體基極。 此外’與半導體產業關聯的許多產業可以利用本文說明 的技術。例如’資料儲存產業中的薄膜頭（tfh)處理或平 123185.doc •27- 200816473 面顯示裔產業中的主動矩陣液晶顯示器（AMLCD)可容易地 利用所揭示的程序與方法。因此，術語”半導體”應係識別 為包括上述及相關產業。 【圖式簡單說明】 圖1係先前技術之HBT裝置的最大振盪頻率與增益截止 頻率相關之曲線圖。 圖2係一週期性的多層（ML)結構之範例性具體實施例。 圖3係顯示矽、鍺及砷化鎵中的摻雜物相關載子遷移率 的曲線圖。 圖4係一遠端碳膜堆疊之一範例性具體實施例的斷面 圖。 圖5 A係一 SiGe ML膜堆疊之一範例性具體實施例的斷面 圖。 圖5B係圖5 A之SiGe ML膜堆疊之一範例性具體實施例的 斷面圖以及該膜堆疊的相關聯能帶隙圖式。 圖6係另一 SiGe ML膜堆疊之一範例性具體實施例的斷面 圖以及該膜堆疊的相關聯能帶隙圖式。 圖7係另一SiGe ML膜堆疊之一範例性具體實施例的斷面 圖以及該膜堆疊的相關聯能帶隙圖式。 圖8係另一 SiGe ML膜堆疊之一範例性具體實施例的斷面 圖以及該膜堆疊的相關聯能帶隙圖式。 圖9係另一 SiGe ML膜堆疊之—孟々乂丨卜士目挪κ *旦 < 靶例性具體實施例的斷面 圖以及該膜堆疊的相關聯能帶隙圖式。 圖1 〇係指示針對各種掺雜方法與多㈣堆4的薄片電阻 123185.doc •28- 200816473 與碳劑量位準之函數關係的曲線圖。 θ Π至1 5扎示石夕中鍺之百分比與基極區域深度之函數關 係的各種類型之鍺輪廓。 圖16係指示矽上偽晶siGe之臨界厚度與該矽晶格中錯的 百分比或莫耳分率之函數關係的曲線圖。 【主要元件符號說明】 200 週期性的ML結構/SiGe ML膜堆疊
U 201 具有一摻雜集極區域之p型石夕基板 203 矽晶種層 205 第一 SiGeC層 207 第一 SiGe層 209 弟二 SiGe層 211 第三SiGe層 213 第二 SiGeC層 215 矽覆蓋層 400 遠端碳膜堆疊 401 具有一摻雜集極區域之p型矽基板 403 矽晶種層 405 第一 SiGeC層 407 硼摻雜SiGe層 409 第二 SiGeC層 411 秒覆蓋層 500 SiGe ML膜堆疊 501 具有一摻雜集極區域之p型矽基板 123185.doc -29- 200816473 503 矽晶種層 505 第一 SiGeC層 507 第一 SiGe層 509 第二SiGe層 511 第二SiGeC層 513 矽覆蓋層 600 SiGe ML膜堆疊 601 $夕基板 603 矽晶種層 605 第一 SiGeC層 607 第一 SiGe層 609 第二SiGe層 611 第二SiGeC層 613 $夕覆蓋層 700 SiGe ML膜堆疊 701 5夕基板 703 矽晶種層 705 第一 SiGeC層 707 第一 SiGe層 709 第二SiGe層 711 第三SiGe層 713 第二SiGeC層 715 $夕覆蓋層 800 SiGe ML膜堆疊 123185.doc -30- 200816473 8 01 碎基板 803 矽晶種層 805 第一 SiGeC層 8 07 第一 SiGe層 8 09 第二 SiGe 層 811 第三SiGe層 813 第二 SiGeC層
C/ 815 矽覆蓋層 900 SiGe ML膜堆疊 901 矽基板 903 矽晶種層 905 第一 SiGeC層 907 第一 SiGe層 909 第二 SiGe層 911 第三SiGe層 913 第四SiGe層 915 第五SiGe層 917 第二 SiGeC層 919 $夕覆蓋層 15 01 盒狀加凸形斜坡部分 123185.doc -31 -

Claims (1)

  1. 200816473 十、申請專利範圍： l 一種用於製造一電子裝置的方法，該方法包含·· 提供一半導體基板，其具有一第一表面； 摻雜该第一表面之至少一部分； 在該基板之該第一表面之上形成一第一化人 膜，兮结 〇物半導體 摻雜； 、〜弟-化合物半導體膜係使用_第_摻雜物類型來 導 在該第一化合物+導體膜之上形成一第二化合 體膜；以及 口干 在該第 ^ 化合物半導體膜之上形成一第三化合物半導 類型 體骐’該第三化合物半導體膜係使用一第二摻 來推雜。 ' 類型係選擇為 2·如請求項丨之方法，其中該第一摻雜物 碳0 雜物類型係選擇為 3.如請求項1之方法，其中該第 硼 4.::求項丨之方法’其中該第二化合物半導體膜係選擇 具有一高鍺濃度。 I如請求項1之方法，其中該等第一盥第-换她， 係選擇為碳。 ㈣物類型各 6·如請求項1之方法，其進一步包含： 形成一矽晶種層； 在該半導體基板之該第一表面之上 以及 在該第三化合物半導體膜之上形成一矽覆蓋 123185.doc 200816473 7·如請求項1之方法，苴中兮笠 必主植 一中忒專化合物半導體膜之各化人 物+導體膜係選擇為矽_鍺。 口 8. 9. 主：員1之方法’其中該半導體基板係選擇為矽。 如睛求項1之方法，其進一步包含： 導=該第，合物半導體膜之前在該第二化合物半 豆 形成一第四化合物半導體膜； 使用蝴來摻雜該第四化合物半導體膜；以及
    U :形成該第三化合物半導體膜之前在該第 導體膜之上形成一第五化合物半導體膜。 勿+ 10·如明求項9之方法中該等第四與第五化合 膜各係選擇為石夕-錯。 千^體 U·如⑺求項10之方法’其中該第五化合物半導體膜係 具有一高鍺濃度。 12.如請求項i之方法，其進一步包含： 在忒第三化合物半導體膜之上形成一第四化合物半導 體膜；以及 使用碳來摻雜該第四化合物半導體膜。 13·如#求項12之方法，其中該第四化合物半導體膜係 為石夕-鍺。 ' 14·如請求項1之方法，其進一步包含： 在形成該第二化合物半導體膜之前與之後形成一第四 與一第五化合物半導體膜；以及 使用硼來摻雜該等第四與第五化合物半導體膜之各 合物半導體獏。 123185.doc 200816473 15.如請求項14之方法，其進一步包含在該等第三與第五化 合物半導體膜之間形成一第六化合物半導體膜。 1 6.如π求項i 5之方法，其中該第六化合物半導體膜係選擇 為具有一高鍺濃度之矽-鍺。 17·如請求項丨之方法’其進一步包含在該第三化合物半導 體膜之上形成一元素半導體覆蓋層。 18· —種製造一異質接面雙極電晶體的方法，該方法包含： (\ 在一基板中形成一集極區域，該基板係選擇具有由一 元素半導體組成之至少一最上部部分； 形成-多層基極區域，該多層基極區域之形成包括以 下步驟： 在該基板之該第一表面之上形成一第—矽-鍺膜，該 第—矽-鍺膜係使用一第一摻雜物類型來摻雜； 在該第一矽-鍺膜之上形成一第二矽-鍺膜，該第二 矽-鍺膜係選擇具有一高鍺濃度；以及 U 在該第二石夕-鍺膜之上形成_第三石夕_錯膜，該第三 石夕-鍺膜係使用-第二摻雜物類型來摻雜；以及 =該第三㈣膜之上由-元素半導體層形成—射極區 19:請求項18之方法’其中該第—摻雜物類型係選擇為 20·如請求項18之方法 蝴〇 其中5亥第二摻雜物類型係選擇為 2 1 ·如請求項丨8之方法 其中5亥專第一與第 二摻雜物類型各 123185.doc 200816473 係選擇為碳。 22·如請求項18之方法’其進—步包含在該基板之上形成 半導體晶種層。 23· —種電子裝置，其包含： 分； 基板，其具有由-半導體材料組成之至少—上部部 -第-摻雜化合物半導體膜，其係沈積於該基板之該 上部部分之上； —第二化合物半導體膜，其係沈積於該第一化合物半 導體膜之上’該第二化合物半導體膜係經組態以用作一 量子井層； -第三摻雜化合物半導體膜，其係沈積於該第二化合 物半導體膜之上；以及 一覆盍層，其係由一半導體材料組成。 24·如請求項23之電子裝置，並中兮笙 中忒4化合物半導體膜之各 化合物半導體膜實質上係由矽-鍺組成。 2 5.如請求項24之電子裝置，並中兮笸— ，、甲d弟一化合物半導體膜具 有一高鍺濃度。 26. 如請求項23之電子裝置，豆推 丰—人 衣置其進一步包含一元素半導體晶 種層’其係沈積於該基板之該上邻邦八伽^ 土低上口p 口[5分與該第一摻雜化 合物半導體膜之間。 27. 如請求項23之電子裝置，其中用於該等第_與第三化合 物半導體膜之各化合物半導體膜中之摻雜物係碳。0 28·如請求項23之電子裝置’其中該基板之該上部部分與該 123185.doc 200816473 覆盖層各係由石夕組成。 29. —種異質接面雙極電晶體，其包含： 一集極層，其係實質上由一元素半導體製成，該集極 層係包含於一基板之至少一上部部分中； 一射極層，其係實質上由一元素半導體製成；以及 基極夕層’其係位於該射極層與該集極層之間並實 兔上由以下層組成： 〇 一第一摻雜矽-鍺層，其係沈積於該基板之該上部部 分之上； 一第二 該第二石夕 一第三 上。 矽-鍺層，其係沈積於該第一矽·鍺層之上， -鍺層係經組態以用作一量子井層；以及 摻雜矽-鍺層，其係沈積於該第二矽-鍺層之 ’其中該第二矽-鍺層具有一高鍺 3 0 ·如請求項2 9之電子裝置 濃度。
    31. 如睛求項2 9之電子裝置， 種層，其係沈積於該基板 錯層之間。 其進一步包含一元素半 1 T月且曰B 之該上部部分與該第一摻雜矽· 32·如凊求項29之電子妒署 與第三矽-鍺 部部分與該 电卞展置，其中用於該等 層之各層中之摻雜物係碳。 33·如請求項29之電子裝置，#中該基板之 射極層各係實質上由石夕組成。 123185.doc
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