专利名称：补偿亚稳定化合物基异质结双极晶体管的制作方法
技术领域：
本发明通常主要地涉及集成电路(ic)的制作方法。具体而言，本发明是制
作和集成亚稳定硅锗(SiGe)基区到异质结双极晶体管(HBT)中的方法。
背景技术：
SiGeHBT在增益、频率响应、噪声参数方面较硅(硅)双极结晶体管(BJT) 而言具有显著优点并且保留以相对低的成本与CMOS器件集成的能力。据报道SiGe HBT的截止频率(FT)超过300 GHz,这较GaAs器件而言颇受称道。然而，GaAs器件 成本相对高并且无法实现如例如BiCMOS器件的集成水平。硅兼容的SiGeHBT提供了 迅速取代其它化合物半导体器件的低成本、高速度、低功率解决方案。 SiGe优点的实现归因于能带隙，该能带隙在HBT的一个或者多个Si-SiGe 异质结产生能量带移位，由此造成给定基极-射极偏置的电流密度增加以及更高增益。将 Ge添加到Si晶格可实现更低电阻率。更高电流密度和更低基极电阻值允许单位增益截 止频率和最大振荡频率较可比硅BJT而言有所提高并且可与其它化合物器件如GaAs相 媲美。然而，射极集极击穿电压(尤其是BVCE0)与电流增益((3)成反比。为了增强 FT和减少功率而需要的结构和工艺改变导致越来越高的电流增益以及因此导致越来越 低的集极-射极击穿电压。提高的Ge分数就给定层厚度和掺杂碎片而言造成积极重组电流增加和电流 增益减少。已经实验上确认这一效果延及30%Ge以外。与具有高Ge含量的假晶 (pseudomorphic) SiGe中的缺陷形成有关的文献表明该效果对于40%以上的Ge分数将 继续增加(即Kasper等人的"Properties of Silicon Germanium and SiGe: Carbon", INSPEC， 2000)。因此，增加Ge分数高到足以减少高速器件中的电流增益这一折衷提供了一种补 偿BVCEO随着带宽继续縮减而不可避免的增益增加和降级的方式。然而，对于在出现过度应变松驰和总体晶态缺陷可以将多少Ge添加到Si晶 格具有限制。作为与底层硅匹配的晶格的SiGe层的临界厚度(he)是(l)Ge的百分比、 (2) SiGe膜厚度、(3)盖层厚度、(4) HBT膜堆叠处理温度以及(5继硅锗沉积之后的 热退火温度的函数。在临界厚度he以上，SiGe膜是亚稳定和/或不稳定区，这意味着它 容易随着施加足够大的热能而松驰。因此，亚稳定度主要地取决于百分比Ge、 SiGe层厚度、盖层厚度和归因于热能的工艺诱发应变。描述至此的常规SiGeHBT的SiGe基的 构造是稳定、假晶或者晶格匹配层的构造。同时期现有技术的过程包括生长稳定、应变 或者晶格匹配的含碳SiGe合金以防止硼分布在基区中扩散。
由于松驰造成晶格瑕疵这一事实而通常避免亚稳定膜生长。这些瑕疵造成重 组中心；因此出现少数载流子寿命(tb)降低而基极重组电流(IRB)增加。如果不加以 控制，则归因于晶格瑕疵的结果性不良晶体力量将使器件性能降级。"桥接"效应也会 导致过量漏电流以及极低电流增益。膜也会对工艺诱发的热应变很敏感而因此将不可制 造。因此，为了避免这一类降级，迄今为止的HBT设计实现了具有在膜生长的稳定区 中的基区的器件，该稳定区等同于等于或者小于临界厚度hc的SiGe厚度。
比如在以下数篇论文中讨论了亚稳定SiGe的性质D.C.Houghton, "Strain Relaxation Kinetics in Sii.xGex/Si Heterostructures", JowrnaZ 。/App〃ed f7i戸'"，第70巻 第2136-2151页(1991年8月15日)以及G S. Kar等人的"Effect of carbon on lattice strain and hole mobility in Si^Gex alloys", Dept. of Physics and Meteorology, Indian Institute of Technology, Kharagpur 721302， India, /ownwZ o/ Afafe"'c^ Science.- Mafm'a^s ! 版加m'w，第13巻第49-55页(2002)。另外，U' Ren等人的美国专利第6, 586， 297 号(、297专利)和第6,781，214号(、213专利)分别描述了用于将亚稳定基集成到高性 能HBT中和有关结构。
、294专利描述了一种异质结双极晶体管，该晶体管包括在位于亚稳定外延 SiGe基之上的单晶集极和射极上的亚稳定外延硅锗基。
在外延反应器中生长亚稳定外延SiGe基，其中亚稳定外延SiGe基是包括在 膜生长过程中原位(in-situ)混入的更改传导性的掺杂物的应变晶态结构；添加掺杂物 的目的仅在于建立具体传导性类型。、297专利描述了一种方法，该方法包括在900'C至 95(TC的温度短暂热退火以避免使亚稳定SiGe膜层松驰。[10] 、214专利描述了一种通过以大于20个原子百分比的锗浓度在集极上形成亚 稳定外延SiGe基来制作的异质结双极晶体。然后在亚稳定外延SiGe基之上制作射极。 根据晶体管类型npn或者p叩以n或者p型杂质来掺杂射极。然后在峰式(spike)退火 工艺中加热HBT以将亚稳定外延硅锗基维持为应变晶态结构并且扩散掺杂物以形成射 极-基极结构。在外延反应器中生长亚稳定外延SiGe基，其中亚稳定外延SiGe基是包括 在膜生长过程中原位混入的掺杂物的应变静态结构；添加掺杂物的目的仅在于建立具体 传导性类型。、214专利描述了一种方法，该方法包括在900'C至950'C的温度短暂热退火以避免使亚稳定SiGe膜层松驰。然而，在这些前述文献中描述的用于形成亚稳定SiGe膜的方法仍易受热应 变如滑移错位和螺纹(threading)错位的不利影响；所有这些热应变都与膜松驰相关联。 在高亚稳定度的膜中，根据亚稳定度在退火工艺过程中在极短时间间隔中(比如在短暂 退火和/或快速退火工艺过程中秒的第一分数)可能发生松驰。因此，需要一种用以生长和集成应变补偿亚稳定SiGe层以便应用于SiGe HBT的方法。这样的方法应当允许本领域技术人员例如控制和利用缺陷密度以求器件优 化、实现极高的能量带偏移和等级(AEg (0)和AEg (等级))而不招致过度"桥接" 缺陷如滑移或者螺纹错位并且提供一种用以实现通常由于它们极度亚稳定或者甚至不 稳定的性质而不可靠和/或不可重复的膜的批量可制造性的方法。这些改进各自允许使用本来高亚稳定度(或者甚至不稳定)的膜以便实现高 的Ge浓度所赋与的优点。
发明内容
本发明是一种用于假晶生长和集成也可以原位掺杂的应变补偿亚稳定和/或 不稳定化合物基到电子的方法，应变补偿原子种类(atomic species)的取代和/或填隙布 置。该方法允许控制缺陷密度并且因此控制少数载流子寿命、基极重组电流、基极电流 和电流增益以及击穿。此外，无需应变补偿也可以有实现更大Ge分数的能力，并且维
持应变三个匹配膜实现了能量带偏移更大而且因此电流密度大大提高以及因此FT和Fmax
因数显著提高的器件。本发明也应用于包括各种其它电子器件类型中的应变层，包括MOS应用、 竖直薄膜晶体管(VTFT)、共振隧道二极管(RTD)和各种其它电子器件类型中的应变 SiGe、应变Ge和/或应变Si。由SiGe以外的化合物半导体如例如GaAs、 InP和AlGaAs 形成的异质结和异质结构器件也可以顺应于这里描述的有益工艺。对传导性影响不明显 的元素常常将取代地和/或填隙地混合的任何应变补偿元素都可顺应于这里呈现的方法。对传导性影响不明显的元素常常是合乎需要的。因此，当使用应变补偿IV 族半导体如Si、Ge和/或SiGe时，可能希望避免11/11I族或者V/VI族以避免影响传导性。 然而，这并不排除将"更改传导性"的元素用于应变补偿也同时有效地更改传导性的双 重目的。通过这里描述的方法来制作的一种电子器件在一个示例实施例中包括具有 衬底，该衬底在衬底的第一表面之上沉积的化合物半导体膜。对于使用锗浓度以及在己经形成化合物半导体之后的工艺中利用的热循环，通过超过临界厚度he在亚稳定状态沉 积化合物半导体膜。在膜生长过程中原位添加取代性的应变补偿原子种类(例如碳)以 控制缺陷密度并且避免在其余处理过程中的完全松驰。
图1是根据本发明在形成HBT的一部分时使用的膜堆叠的示例横截面。 [19]图2是描绘了作为Ge含量的函数的临界厚度的曲线。 [20]图3是应变晶格匹配亚稳定SiGe膜的Xrd摇摆曲线。 [21]图4是在热退火之后图3的Xrd摇摆曲线。
具体实施例方式应变补偿原子种类是在添加时从晶态膜的晶格参数的本征值更改晶格参数 的种类。本征晶格参数是无应变补偿核素的膜或者层的晶格参数。为求SiGe的应变补 偿， 一种应变补偿原子种类是碳。 一个原子百分比的取代碳将补偿八个百分比到十个百 分比的Ge。此外还可以在SiGe中取代地置入约2.5个百分比的碳或者足够的碳以应变 补偿20至25个百分比的Ge。因此，Ge水平大于40个百分比的假晶应变补偿亚稳定和 /或不稳定膜对于电子器件用途而言是可能的(也就是使用四个百分比到五个百分比的 碳)。即使一个示例实施例提供了减少应变，但是也可以添加晶格常数大于Si或 者Ge的应变补偿原子种类以有意地增加应变。这一类应变修改例如作为用于能隙和/或 晶格设计工程的工具也将是适宜的；缺陷设计工程也可以很好地利用应变修改。应变修 改对于增强"应变补偿膜"和任何相邻膜层中的载流子迁移率也将是有用的。这里描述的方法与用于形成SiGe HBT的先前方法不同在于强调有目的地生 长亚稳定和/或不稳定基层以及有计划地混入取代和/或填隙碳。取代和/或填隙碳应变补 偿了 HBT基区以避免应变松驰并且允许缺陷设计工程使电流增益与IC和Ft增强去耦合
以及集成下游热退火工艺，由此避免过度碳扩散而将膜维持于应变状态。参照图l，在形成HBT的应变补偿层时使用的示例膜堆叠IOO包括衬底101、 外延层103、基本种子层105、应变补偿亚稳定SiGe基区107、基本盖层109和多晶硅 射极层111。本领域技术人员将认识到可以将其它材料用于射极层Ul，如例如多晶SiGe。 [26]在一个具体示例实施例中，衬底101是p型20欧姆-厘米<100>硅晶片。外 延层103通过LPCVD来生长并且根据技术应用和对击穿电压和集极电阻的要求而可以 是p型或者n型。砷和/或磷可以掺杂到外延层103和衬底107中以提供低电阻集极区。可以扩散或者注入砷和磷。如果被注入，则本领域技术人员将认识到注入能量和剂量必 须取决于对集极电阻、击穿电压等的具体技术要求。本领域技术人员也将认识到可以利 用其它方法来掺杂此区，比如扩散或者LPCVD (原位掺杂)。在硅衬底101的情况下，在生长之前，应当清洁硅生长表面(通常用湿性化 学物如氢氟酸)以去除任何原生氧化物和表面污物。可以在同一 LPCVD工艺中制作基 本种子层105、亚稳定基区107和基本盖层109。对于通常将范围为500'C至900。C的温 度用于各层的外延生长。硅烷(SiH4)和锗垸(GeH4)是用于硅和SiGe沉积的典型气 体。乙硼垸(B2H6)和砷化氢(AsH3)是常见p型和n型掺杂源。氢气(H2)可以用作 载体气体，然而可以使用其它气体如氦。在另一具体示例实施例中，衬底101是硼掺杂浓度约为1015个原子/立方厘 米的<100> 型硅晶片。可选地，衬底101也可以例如是n型硅镜片或者是包括p型或者 n型传导性的化合物半传导材料如硅锗的衬底。衬底101也可以是绝缘体上硅(SOI)或 者绝缘体上硅锗。外延层103沉积为厚度在0.3/an与之间、继而是基本种子层105。 通常添加外延层作为低掺杂区以调整(tailor)击穿电压和/或集极电阻。在这一实施例中，基本种子层105包括外延生长为厚度范围10nm至100rim 的硅，不过可以使用其它半传导材料，比如具有很低Ge含量的硅锗。应变补偿亚稳定 SiGe层107沉积为厚度大于临界厚度hc、继而是例如包括硅的基本盖层109。
基于Ge在亚稳定区的上届和下届内的原子百分比来确定临界厚度he。这一临界厚 度确定是基于People/Bean和Ma他ews/Blakeslee的历史工作并且为本领域技术人员所 知。作为一个例子，图2示出了对于具有20XGe的膜而言临界厚度hc根据如亚 稳定区的底边所限定的People/Bean曲线约为20nm而具有28%Ge的膜具有仅9nm的 hc。因此，为了生长厚度也是20nm的具有28XGe的完全"应变补偿"膜，可以添加碳 以减少晶格参数和应变补偿8%的Ge。在20nm、 28%Ge膜的整个SiGe晶格中添加1 X的碳会把应变减少到近似于20nm、 20XGe膜的碎片。然而，本领域技术人员将认识 到出于缺陷设计工程的目的而可能技术上希望提供仅足以部分地应变补偿的碳，例如添 加0.5%的碳。可选地，出于增添热处理鲁棒性的目的而可以添加2%的碳。此外还可能希望将驻留性好的膜生长到亚稳定区中、然后仅部分地补偿该膜 以便针对缺陷和/或晶格设计工程而维持某一亚稳定度。 Xrd摇摆曲线中边缘的缺失和/或"模糊"将表示继热退火循环之后的膜松驰 (图4)。本领域技术人员也将知道继膜生长之后以及也继下游热处理之后获取的Xrd摇 摆曲线将提供对于调整应变补偿工艺和/或热工艺以避免完全应变或者晶格松驰而言必 需的信息。可以利用其它实验方式，比如使电器件经过电性测试以标识对于特定器件或 者技术而言可接受的应变补偿水平。这一可接受水平将取决于器件电性参数、对于HBT 而言尤其是集极电流、基极电流、电流增益和击穿电压。针对其它器件类型和/或技术可 以表征和控制其它电性参数。应当利用实验方法来表征单独工艺，这些实验方法用以确定它们的工艺相对 于比如上文讨论的那样的理论和经验推导图表所示稳定/亚稳定/松驰区域而言驻留于何 处。这一表征将需要借助比如Xrd摇摆曲线、器件电测试和SIM (次级离子质谱仪)进 行分析以揭示尤其是应变补偿种类如碳的掺杂物扩散。即使无图表，Xrd摇摆曲线仍可提供用于开发应变补偿膜所必需的定量和定 性数据，而1%的碳补偿8%至10%的Ge这一 "经验规则"是公认准则。 一些亚稳定 和/或不稳定膜和/或器件根据在现代理论和经验知识体中没有考虑的比如膜几何形状、 热应变和物理诱发应变(来自相邻膜和结构)这样的因素而可以需要或多或少的碳。因 此，这里提供的准则将有助于开发亚稳定"应变补偿"膜和/或器件并且旨在于作为一种 用于提供改进的工艺和器件的系统。这些准则也为能带隙设计工程(即Je、 FT、 Fmax) 以及缺陷和/或晶格设计工程(即少数载流子寿命设计工程、基极重组电流设计工程、基 极电流设计工程、电流增益设计工程和击穿优化)提供更大程度的设计工程灵活性。进一步参照图1，多晶硅射极层111在这一示例实施例中包括可以沉积为厚 度在0.05pm与0.30/im之间的n型多晶硅。然而，也可以利用其它膜如多晶SiGe。在应变补偿亚稳定SiGe层107的生长过程中利用碳前体(例如甲烷(CH4) 或者乙炔(C2H2))来添加碳。用于形成应变补偿亚稳定SiGe层107的前体例如包括分 别用于碳、硅和锗成分的甲基硅烷(CH3SiH3)、硅垸(SiH4)和锗垸(GeH4)。氢气(H2) 通常用作所有层沉积的载体气体。在应变补偿亚稳定SiGe层107的中心附近以薄截面 的更改传导性的掺杂物进行原位参照产生P型中性基区。这一中性基区夹在两个SiGe縮退或者间隔物层(未示出)之间。p型杂质可以是普遍用乙硼烷(B2H6)前体来供应 的硼。在应变压缩亚稳定SiGe层107的顶部上外延地生长基本盖层109。基本盖层109 (硅)将SiGe层维持于应变状态。通常以在0.05nm与0.1ptm之间的厚度生长盖层。本 领域技术人员将认识到盖层维持SiGe层内的应变均衡并且随需适当地调整厚度。与应变补偿亚稳定SiGe层107相关联的Ge的分布一般是梯形，不过本领域 技术人将认识到其它Ge分布如三角形、方形或者具有曲率的分布是可能的。多晶硅射 极层111例如可以是n型原位掺杂多晶硅。砷烷(ASH3)可以用作n型掺杂物前体，该 前体利用氢气作为用于该工艺的载体气体。射极层lll可以是单晶硅、多晶硅、非晶体 或者单晶硅、多晶硅或者非晶体构造的复合材料。在一个具体示例实施例中，SiGe沉积 温度范围为55(TC至650°C,不过低于600'C的温度一般对于许多高级制作工艺可能是优 选的，其中加工压强范围为1托至100托。假晶SiGe生长在比如高达或者甚至超过900 'C的更高温度是可能的。虽然按照示例实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到这里描述 的技术可容易地应用于其它形式的制作技术和器件。例如，应变补偿技术可以应用于其 它技术如FinFET、环绕门FET、竖直薄膜晶体管(VTFT)、超陡结、共振隧道二极管(RTD) 和用于光子学的光学波导。因此，可以选择应变补偿亚稳定SiGe层107的分布、厚度 和浓度以适应各种需要。也可以用可以诱发给定掺杂物类型扩散性削弱的其它元素来应 变补偿亚稳定SiGe层107。另外，虽然具体描述了工艺步骤和技术，但是本领域技术人员将认识到可以 利用仍然包含于所附权利要求的范围内的其它技术和方法。例如，有若千技术用于沉积 和掺杂膜层(例如化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束外延、原子层沉 积等)。虽然并非所有技术都可顺应于这里描述的所有膜类型，但是本领域技术人员将 认识到多种替代方法可以用于沉积或者以别的方式形成给定层和/或膜层。此外，半导体产业的许多联盟产业可以利用应变补偿技术。例如，数据存储 产业中的薄膜头(TFH)工艺、平板显示器产业中的有源矩阵液晶显示器(AMLCD) 或者微机电产业(MEM)可以容易地利用这里描述的工艺和技术。术语"半导体"因此 应当理解为包括前述和有关产业。附图和说明书因而视为举例说明的而非限制性意义 的。
权利要求
1. 一种用于制作化合物半导体膜的方法，所述方法包括提供具有第一表面的衬底；在所述衬底的所述第一表面之上形成所述化合物半导体膜，所述化合物半导体膜具有所述化合物半导体的第一半传导材料的高浓度使得所述化合物半导体在亚稳定状态；以及用应变补偿原子种类掺杂所述化合物半导体膜。
2. 如权利要求1所述的方法，还包括选择所述应变补偿种类的浓度以控制缺陷密度和 增强能带隙或者晶格特征。
3. 如权利要求l所述的方法，其中所述化合物半导体基本上由硅锗组成。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述化合物半导体的所述第一半传导材料是锗。
5. 如权利要求l所述的方法，其中所述化合物半导体基本上由磷化铟镓组成。
6. 如权利要求l所述的方法，其中所述化合物半导体基本上由碳化硅组成。
7. 如权利要求l所述的方法，其中所述化合物半导体基本上由砷化镓组成。
8. 如权利要求1所述的方法，其中所述化合物半导体基本上由磷化铟组成。
9. 如权利要求l所述的方法，其中所述化合物半导体基本上由砷化铝镓组成。其中所述应变补偿种类是碳。其中选择所述应变补偿种类以减少所述化合物半导体的如权利要求1所述的方法
10. 如权利要求1所述的方法
11. 如权利要求l所述的方法 晶格应变。
12. 如权利要求1所述的方法 晶格应变。
13. 如权利要求1所述的方法 合物半导体的步骤。
14. 如权利要求1所述的方法
15. 如权利要求1所述的方法
16. 如权利要求1所述的方法
17. 如权利要求1所述的方法
18. 如权利要求l所述的方法
19. 如权利要求1所述的方法
20. 如权利要求1所述的方法其中选择所述应变补偿种类以增加所述化合物半导体的其中原位执行所述用所述应变补偿原子种类掺杂所述化其中选择所述应变补偿原子种类以更改载流子重组。其中选择所述应变补偿原子种类以更改传导带结构。其中选择所述应变补偿原子种类以更改传导价带结构。还包括成形所述第一半传导材料为具有梯形形状。还包括成形所述第一半传导材料为具有三角形形状。还包括成形所述第一半传导材料为具有方形形状。还包括成形所述第一半传导材料为具有弯曲形状。
21. 如权利要求1所述的方法，其中在范围为50(TC至90(TC的温度发生所述形成所述 化合物半导体的步骤。
22. 如权利要求1所述的方法，其中在范围为500'C至低于60(TC的温度发生所述形成 所述化合物半导体的步骤。
23. 如权利要求1所述的方法，还包括形成所述化合物半导体膜至大于临界厚度hc的 厚度。
24. —种电子器件，包括衬底；在所述衬底的第一表面之上沉积的化合物半导体膜，所述化合物半导体膜具有所 述化合物半导体的第一半传导材料的高浓度，使得所述第一半传导材料在亚稳定状 态；以及取代地掺杂到所述化合物半导体中的应变补偿原子种类。
25. 如权利要求24所述的电子器件，其中所述化合物半导体基本上由硅锗组成。
26. 如权利要求24所述的电子器件，其中所述化合物半导体的所述第一半传导材料是 锗。
27. 如权利要求24所述的电子器件，其中所述应变补偿种类是碳。
28. —种用于制作异质结双极晶体管的方法，所述方法包括提供具有第一表面的衬底；在所述衬底的所述第一表面之上形成硅锗膜，所述硅锗膜被选择为在亚稳定状 态；以及用应变补偿原子种类掺杂所述化合物半导体膜，所述应变补偿原子种类包括碳。
29. 如权利要求28所述的方法，还包括调整所述第一半传导材料为具有梯形浓度分布 形状。
30. 如权利要求28所述的方法，还包括调整所述第一半传导材料为具有三角浓度分布 形状。
31. 如权利要求28所述的方法，还包括调整所述第一半传导材料为具有方形浓度分布 形状。
32. 如权利要求28所述的方法，还包括调整所述第一半传导材料为具有弯曲浓度分布。
全文摘要
一种用于通过应变补偿原子种类的取代布置来假晶生长和集成原位掺杂的应变补偿亚稳定化合物基(107)到电子器件(100)如例如SiGe NPN HBT中的方法。本发明也应用于其它电子器件中的应变层，比如MOS应用、竖直薄膜晶体管(VTFT)和各种其它电子器件类型。由SiGe以外的化合物半导体如例如GaAs、InP和AlGaAs形成的异质结和异质结构器件也可顺应于这里描述的有益工艺。
文档编号H01L21/36GK101506943SQ200680050618
公开日2009年8月12日 申请日期2006年11月3日 优先权日2005年11月7日
发明者约翰·T·查菲, 达尔文·G·恩尼克斯, 达米安·A·卡弗 申请人:爱特梅尔公司