专利名称：双极器件中恢复热载流子引起的退化的方法
技术领域：
本发明涉及双极晶体管，具体而言涉及金硅，例如，SiGe，的异质结双极晶体管(HBT)，其包括避免与雪崩载流子有关的损伤的电路级自加热结构，其中所述与雪崩载流子有关的损伤在正向和反向偏置模式中典型地减小驱动电流增益。本发明还提供一种恢复HBT和其它相似的双极晶体管的热载流子引起的退化的方法。
背景技术：
双极晶体管为具有两个彼此紧密邻近的p-n结的电子器件。典型的双极晶体管具有三个器件区域发射极、集电极和在发射极与集电极之间设置的基极。理想地，以特定的距离分隔两个p-n结，即发射极-基极结和集电极-基极结。通过改变邻近的结的偏置调制在一个p-n结中流过的电流称为“双极晶体管动作”。
如果发射极和集电极是n型掺杂的并且基极是p型掺杂的，器件为“npn”晶体管。可选地，如果使用相反的掺杂配置，器件是“pnp”晶体管。因为在npn晶体管的基极区中少数载流子，即电子，的迁移率比pnp晶体管的基极中的空穴的迁移率高，所以可以用npn晶体管获得较高频率工作和较高速度性能。因此，npn晶体管包括用于构建集成电路的大多数双极晶体管。
随着双极晶体管的垂直尺寸越来越按比例缩小，已经遇到了严重的器件工作限制。克服这些限制的一个被积极地研究的方法为用其带隙比基极使用的材料的带隙大的发射极材料构建晶体管。这样的结构在本技术领域称为“异质结”晶体管。
包括异质结的异质结构可被用于多数载流子和少数载流子器件。在少数载流子器件中，近期已经开发出发射极由Si形成和基极为硅锗合金(SiGe)的异质结双极晶体管(HBT)。SiGe合金的带隙比硅的窄。
先进SiGe双极和互补金属氧化物半导体(BiCMOS)技术在HBT中使用SiGe基极。在较高频率(例如几GHz)领域，常规化合物半导体，例如GaAs和InP，通常在高速有线和无线通信器件市场中占支配地位。SiGe BiCMOS是有希望的，因为不仅其具有与GaAs器件例如功率放大器可比较的性能，而且大幅减少了集成HBT与标准CMOS的成本，产生所谓的“片上系统”。
随着硅锗(SiGe)异质结双极晶体管(HBT)的性能提升到超过200GHz，对于SiGe HBT电路应用，雪崩退化机制成为可靠性的主要问题已经变得明显。这归因于双极晶体管的高频性能是通过器件的垂直按比例缩小实现的，这减少了结的垂直深度并增加了器件内的电场。在工作期间集电极-基极结处的该高电场产生可以损伤围绕器件发射极的绝缘界面与浅沟槽隔离(STI)界面的高能载流子。在正向和反向工作模式中，与雪崩载流子有关的损伤将降低(退化)电流增益。
雪崩退化机制被近期发现，并且它对SiGe HBT的高频和高功率性能施加了大的限制。例如，参见G.Zhang等人的“A New Mixed-Mode BaseCurrent Degradation Mechanism in Bipolar Transistors”，IEEE BCTM 1.4和Z.Yang等人的“Avalanche Current Induced Hot Carrier Degradationin 200 GHz SiGe Heterojunction Bipolar Transistors”，Proc.InternationalReliability Physics Symposium，pp.339-343，2003。
图1中示出了典型SiGe HBT的样品雪崩退化。具体而言，图1示出了在VCB＝3.0V和IE＝5.12mA时，具有0.8×0.8μm2的发射极尺寸的IBM 200GHz SiGe HBT在施加应力之前(T0)和施加3000秒的雪崩应力后(T1)的电流。对于高频应用中的SiGe HBT，工作在雪崩区域已变得越来越重要；参见，例如H.Li等人的“Design of W-Band VCOs with High OutputPower for Potential Application in 77 GHz Automotive Radar Systems”，IEEE GaAs Digest，pp.263-266(2003)。VCB表示集电极基极电压并且IE表示发射极电流。
任何恢复雪崩退化的方法将非常有益于SiGe HBT电路的性能提高和应用范围扩展。然而，因为仅大约在去年充分地研究了该退化机制，所以目前在现有技术中还没有报道任何恢复方法。
鉴于上述，需要提供一种恢复上面所提及的雪崩退化的方法从而制造双极晶体管，尤其是可以在本代的双极晶体管通常所需要的高频下工作的SiGe HBT。
发明内容
雪崩热载流子造成雪崩退化，所述雪崩热载流子为当双极晶体管，尤其对于SiGe HBT，正在正向工作模式中工作时源自集电极-基极结的碰撞电离的高能载流子。所述雪崩热载流子在双极晶体管内产生损伤并通过增加基极电流降低器件的电流增益。对于较新一代双极晶体管器件，热载流子效应更加严重并且在集电极-基极结中其随着器件性能的提高而变强。此外，尤其对于SiGe HBT，雪崩热载流子影响双极晶体管的击穿电压。具体而言，高雪崩电流造成双极晶体管的低击穿电压。
尽管可以在雪崩区域外(VCB小于1V)工作，但为了获得高频双极晶体管，例如SiGe HBT，的高输出功率，工作在雪崩区域(VCB大于1V)是必需的。雷达和无线通讯应用需要高输出功率。在SiGe HBT技术中，雪崩可靠性是关心的重点。VCB表示集电极与基极之间的电压。
因为对于高单位电流增益频率fT器件上面提及的雪崩退化效应变得日益严重，所以雪崩退化的恢复是重要的。例如，在施加相似的应力后，对于200GHz SiGe HBT观测到1％的电流增益退化，而对于300GHz SiGeHBT观测到10％的电流增益退化。此外，因为器件热载流子寿命随着退化的平方增加，所以所述恢复雪崩退化是重要的。例如，如果所述退化恢复50％，那么寿命将增加4倍。
鉴于上述，本发明提供一种恢复现有技术双极晶体管所呈现的雪崩退化的方法和结构。具体而言，本发明的应用已揭示出可以通过利用热退火增加集电极-基极结温度显著恢复上述雪崩效应所造成的退化。
具体并概括而言，因此本发明的方法包括对空闲的双极晶体管例如呈现雪崩退化的HBT进行增加晶体管的温度的热退火步骤由此恢复所述双极晶体管的所述雪崩退化。
在本发明的一个实施例中，退火源为自加热结构，所述自加热结构为与双极晶体管的发射极并排设置的含Si电阻器。在所述恢复步骤中，将包括自加热结构的双极晶体管设置为空闲模式(即无偏置)并且来自单独的电路的电流流过所述自加热结构。所述自加热结构将双极晶体管的温度加热到约200℃或更高。在几小时后，典型地从约1至约10小时，退化将被恢复。
在本发明的另一个实施例中，退火步骤是在双极晶体管在未达到雪崩条件(VCB小于1V)的条件下工作的同时向其提供约为峰值fT电流的高正向电流的结果。在以上条件下，可以恢复退化的约40％或更高。这归因于双极晶体管的自加热效应，所述双极晶体管的自加热效应意味着如果器件正工作在高功率范围，那么器件的有效温度增加。峰值fT电流表示器件达到最高fT所需要的驱动电流。
在本发明的另一实施例中，所述热退火步骤包括快速热退火(RTA)、炉退火、激光退火、峰值(spike)退火或者可以将双极晶体管的温度增加到约200℃或者更高的温度的任何其它相似的退火步骤。
除上述方法以外，本发明还提供包括器件级的自加热元件的双极晶体管，尤其是HBT，结构，所述自加热元件可用于增加双极晶体管的温度从而恢复雪崩退化。具体并概括而言，本发明的双极晶体管结构包括具有设置在其中的集电极的含Si半导体衬底；在所述集电极的顶上设置的基极，和在所述基极上的发射极，所述发射极具有与所述基极的外部边缘自对准的延伸部分，所述发射极的所述延伸部分作为加热元件。
图1是电流增益与VBE(V)的关系图，其示出了现有技术SiGe HBT在施加应力以前(T0)与施加3000秒的雪崩应力之后(T1)的电流增益曲线；图2是本发明的双极晶体管的截面图；图3是本发明的双极晶体管在工作期间的示意平面图；图4是本发明的双极晶体管在恢复期间的示意平面图；图5是示出了作为加热器的多晶Si栅极上进行的Joule加热特性的图；图6是电流增益与VBE(V)的关系图，其示出了本发明的结构在施加应力以前T0、施加雪崩应力之后T1以及通过正向电流恢复之后T2的电流增益曲线；以及图7是电流增益与VBE(V)的关系图，其示出了本发明的结构在施加应力以前T0、施加雪崩应力之后T1以及通过正向电流恢复之后T2的电流增益曲线。
具体实施例方式
现在将更通过参考本申请的下列附图详细地描述本发明，本发明提供一种可以用于恢复由雪崩热载流子造成的器件退化的方法和结构。注意，由于这里提供的本结构的附图用于示例性的目的，因此没有按比例绘制。
首先参考图2，其示出了包括自加热元件的本发明的双极晶体管结构。术语“双极晶体管”包括这样的任何电子器件，其包括两个彼此紧密邻近的p-n结。双极晶体管包括发射极、集电极以及位于发射极与集电极之间的基极。本发明具体而言涉及HBT，更具体而言涉及SiGe HBT。具体而言，图2示例了包括具有位于其中的集电极14和沟槽隔离区域16的含Si半导体衬底12的双极晶体管结构10。含硅半导体衬底12包括含Si半导体，例如Si、SiGe、SiC、SiGeC、绝缘体上硅或者绝缘体上硅锗。可选地，衬底12为Si层例如形成在半导体衬底的顶上的外延Si或者非晶Si。衬底12包括各种掺杂或阱区域。
如所示，衬底12包括通过粒子注入步骤在衬底12中形成的集电极14。例如，使用包括光刻、蚀刻、可选地形成沟槽衬里、沟槽填充以及如果需要平面化的本领域公知的技术制作沟槽隔离区域16。沟槽填充材料包括沟槽介质材料例如高密度氧化物或者原硅酸四乙酯(TEOS)。
图2中示出的结构10还包括位于衬底12的表面上的基极18；在沟槽隔离区域16上延伸的基极18的部分称为外部基极。在本发明的附图中通过参考标号20标示外部基极。
通过低温(典型地450-700℃)外延生长工艺形成包括外部基极20的基极18。基极18和外部基极20包括Si、SiGe或者Si与SiGe的组合。基极18还可以由SiGeC或者Si与SiGeC的组合构成。优选地，基极18和外部基极20由SiGe或者Si与SiGeC的组合构成。衬底12之上的基极18为单晶的，而沟槽隔离区域16之上的外部基极20为多晶的。单晶材料转变为多晶材料的区域，例如界面，称为刻面区域(facet region)。
结构10还包括位于基极18上的发射极22。根据本发明，发射极22具有与基极18的外部边缘18A和18B自对准的延伸部分(标示为22A和22B)。发射极22的延伸部分22A和22B作为结构内的自加热元件。发射极22包括掺杂的半导体材料例如多晶Si、Si或者SiGe。优选地，包括延伸部分22A和22B的发射极22由多晶Si构成。在这样的优选实施例中当发射极22和延伸部分22A和22B由多晶Si构成时，基极优选地由SiGe构成。
发射极22可以为最新的低温外延系统可以生长的具有可变掺杂浓度、或者组分的层。发射极22还可以通过原位掺杂淀积或者通过首先淀积多晶Si、Si、或者SiGe层，然后通过离子注入掺杂形成。
在形成发射极22之后，通过光刻和蚀刻构图发射极22以提供图2中所示的配置。具体而言，发射极的构图包括比常规双极晶体管器件制造中使用的掩模宽的构图掩模。较宽的构图掩模允许形成包括分别与基极18的边缘18A和18B自对准的延伸部分22A和22B的本发明的发射极22。
图2中的结构10还包括具有位于其中的导电填充的过孔和线的介质材料24。用参考标号26A(与集电极的接触过孔)、26B(与外部基极20的接触过孔)、26C(与发射极22的接触过孔)标示导电填充的过孔。将导电填充的线标示为28A(M1集电极线)、28B(M1基极线)、以及28C(M1发射极线)。通过常规后段制程工艺形成具有导电填充的过孔和线的介质材料24。具体而言，通过淀积工艺例如，化学气相淀积(CVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、化学溶液淀积或者旋涂向整个结构施加介质材料例如有机硅酸盐玻璃、氧化物、或者聚合物成分。然后通过光刻和蚀刻形成过孔和线开口。然后向过孔和线开口中填充导电金属例如W、Al、Cu、或其合金，并且如果愿意，可以采用化学机械抛光(CMP)或者其它相似的平面化工艺。
如图2中所示，由延伸的发射极部分22A和22B代表的自加热结构处于双极晶体管的电路级中并且该自加热结构与双极晶体管的发射极22并排。在正常工作情况下，自加热结构是浮置的(floating)并且在集电极-基极结处产生高电场，这会造成损伤器件的热载流子的形成。在正常工作之后的恢复阶段期间，图2中所示的双极晶体管被设置为空闲模式(即无偏置)并且来自另一电路(内部或外部)的电流流过自加热结构22A和22B。自加热结构22A和22B将双极晶体管的温度增加到约200℃或更高。在几小时后退化将被恢复。典型地，以约1至约10小时的一段时间进行退火步骤。
图3示出了图2的双极晶体管器件的示意平面图。在双极晶体管器件正常工作期间，延伸部分22A和22B(代表电阻器)保持浮置。在恢复期间，器件保持浮置并且偏置延伸部分22A和22B以直接向退化的双极晶体管器件产生热。图4中描述了在恢复模式期间的结构。
图5示例了在恢复工作期间造成的温度升高。具体而言，图5示出了图2中示出的包括自加热元件22A和22B的结构的Joule加热特性。当约3mA的电流流过自加热器时，可观测到约125℃的温度升高。
图6示出了0.12×2μm2的SiGe晶体管在施加应力以前(T0)、施加雪崩应力之后(T1)以及通过正向电流恢复之后(T2)的电流增益曲线。雪崩应力条件为IE＝0.288mA，VCB＝2.5V，时间为4K秒。在无任何偏置的情况下处于200℃进行恢复20小时。
除采用上述自加热结构恢复双极晶体管的热载流子退化外，本发明还构思了这样的实施例，其中使包括上面所描述的一个的任何双极晶体管器件经过退火步骤，在所述退火步骤中在双极晶体管在未达到雪崩条件的条件下工作的同时向其施加高正向电流。‘高正向电流’意味着等于或者高于峰值fT的电流。‘未达到雪崩条件’意味着VCB小于1V，典型地约0.5V。在以上条件下，可以恢复退化的约40％或更高。这归因于双极晶体管的自加热效应，所述双极晶体管的自加热效应意味着如果器件正工作在高功率范围器件的有效温度增加。
图7示出了0.12×2μm2的SiGe晶体管在施加应力以前(T0)、施加雪崩应力之后(T1)以及通过正向电流恢复之后(T2)的电流增益曲线。雪崩应力条件为IE＝0.288mA，VCB＝2.5V，时间为3K秒。在IE＝2.88mA，VCB＝1V时进行恢复。整个实验期间的温度为30℃。
在本发明的另一实施例中，热退火步骤包括快速热退火(RTA)、炉退火、激光退火、峰值(spike)退火或者可以将双极晶体管的温度增加到约200℃或者更高的温度的任何其它相似的退火步骤。当采用这样的退火工艺时，典型地在存在惰性气氛例如Ar、He、Ne、N2、Xe、Kr或者其混合物的情况下进行该退火步骤。
虽然根据优选的实施例已经具体展示并描述了本发明，但本领域的技术人员应该理解可以对本发明做出形式和细节上的前述和其它的改变而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在不局限于所描述和示例的具体的形式和细节，而是落入所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种恢复双极晶体管中雪崩退化的方法，包括使呈现雪崩退化的空闲的双极晶体管经过热退火步骤，所述热退火步骤造成所述双极晶体管的温度的升高从而恢复所述双极晶体管的所述雪崩退化。
2.根据权利要求1的方法，其中所述双极晶体管包括与所述双极晶体管的发射极并排设置的自加热结构。
3.根据权利要求2的方法，其中所述自加热结构包括所述发射极的延伸部分。
4.根据权利要求3的方法，其中所述自加热结构为电阻器。
5.根据权利要求2的方法，其中所述自加热结构和所述发射极由掺杂的半导体材料构成。
6.根据权利要求5的方法，其中所述掺杂的半导体材料包括Si、多晶Si、或SiGe。
7.根据权利要求2的方法，其中在所述恢复步骤期间向所述自加热结构提供电流。
8.根据权利要求7的方法，其中通过内部或者外部电路向所述双极晶体管提供所述电流。
9.根据权利要求2的方法，其中在所述恢复步骤期间所述双极晶体管为浮置的。
10.根据权利要求1的方法，其中所述退火步骤包括在集电极-基极电压小于1V的条件下工作的同时向所述双极晶体管施加正向电流。
11.根据权利要求10的方法，其中所述正向电流约为峰值fT电流或者更大。
12.根据权利要求1的方法，其中所述退火步骤包括快速热退火(RTA)、炉退火、激光退火或峰值退火。
13.一种恢复双极晶体管中雪崩退化的方法，包括使包括双极晶体管和自加热元件的空闲的结构经过热退火步骤，所述热退火步骤造成所述双极晶体管的温度的升高从而恢复所述双极晶体管的所述雪崩退化。
14.根据权利要求13的方法，其中所述自加热结构与所述双极晶体管的发射极并排设置。
15.根据权利要求14的方法，其中所述自加热结构包括所述发射极的延伸部分。
16.根据权利要求14的方法，其中所述自加热结构和所述发射极由掺杂的半导体材料构成。
17.根据权利要求16的方法，其中所述掺杂的半导体材料包括Si、多晶Si、或SiGe。
18.根据权利要求13的方法，其中在所述恢复步骤期间向所述自加热结构提供电流。
19.一种恢复双极晶体管中雪崩退化的方法，包括使包括双极晶体管的空闲的结构经过热退火步骤，所述热退火步骤造成所述双极晶体管的温度的升高从而恢复所述双极晶体管的所述雪崩退化，其中所述热退火步骤包括在集电极-基极电压小于1V的条件下工作的同时向所述双极晶体管施加正向电流。
20.一种半导体结构，包括含Si半导体衬底，具有位于其中的集电极；基极，在所述集电极的顶上；以及发射极，在所述基极上，所述发射极具有与所述基极的外部边缘自对准的延伸部分，所述发射极的所述延伸部分作为加热元件。
21.根据权利要求20的半导体结构，其中所述含Si半导体衬底包括Si、SiGe、SiC、SiGeC、绝缘体上硅、绝缘体上SiGe、或在半导体衬底顶上的Si层。
22.根据权利要求20的半导体结构，其中所述基极包括Si、SiGe、SiGeC或者Si与SiGe或Si与SiGeC的组合。
23.根据权利要求20的半导体结构，其中所述基极包括SiGe、Si或者SiGeC。
24.根据权利要求20的半导体结构，还包括与所述基极邻近设置的外部基极。
25.根据权利要求20的半导体结构，其中所述发射极包括掺杂的半导体。
26.根据权利要求25的半导体结构，其中所述掺杂的半导体包括多晶硅、Si或者SiGe。
27.根据权利要求26的半导体结构，其中所述掺杂的半导体包括多晶硅。
28.根据权利要求20的半导体结构，还包括位于所述衬底、所述基极和所述发射极的顶上的导电填充的介质。
29.根据权利要求28的半导体结构，其中所述导电填充的介质包括至少与所述集电极和所述发射极接触的过孔和线。
30.根据权利要求20的半导体结构，其中所述基极包括SiGe，所述发射极包括多晶硅。
全文摘要
提供一种恢复由雪崩热载流子造成的退化的方法，包括使呈现雪崩退化的空闲的双极晶体管经过热退火步骤，所述热退火步骤升高所述晶体管的温度从而恢复双极晶体管的雪崩退化。在一个实施例中，退火源是其为与双极晶体管的发射极并排设置的含Si电阻器的自加热结构。在恢复步骤期间，将包括自加热结构的双极晶体管设置为空闲模式(即无偏置)并且来自单独电路的电流流过自加热结构。在本发明的另一实施例中，退火步骤是在双极晶体管在未达到雪崩条件(V
文档编号H01L29/70GK101073149SQ200580041988
公开日2007年11月14日 申请日期2005年12月8日 优先权日2004年12月8日
发明者F·瓜里恩, J·E·小霍斯特泰, S·E·劳赫三世, 王平川, Z·J·杨 申请人:国际商业机器公司