异质结双极型晶体管的外延结构及其制备方法与流程

1.本技术涉及半导体器件工艺技术领域，具体涉及一种异质结双极型晶体管的外延结构及其制备方法。


背景技术：

2.无线通信技术的发展对射频器件的性能提出了更高的要求，如更高的频率范围、更高的功率、更高的效率、更高的工作电压等。因此基于化合物半导体材料的射频器件在无线通信领域中得到越来越广泛的应用。
3.砷化镓(gaas)化合物半导体是无线通信系统射频功率放大器的主要材料之一，并因其高电子迁移率的特性而在制备射频、微波器件和高速数字电路等方面上得到重要应用。gaas半导体器件具有高频、温度性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。
4.目前，基于gaas材料的半导体器件主要有gaas异质结双极型晶体管(gaas heterojunction bipolar transistor，gaas hbt)和gaas高电子迁移率晶体管(gaas high electron mobility transistor，gaas hemt)。其中，由于gaas hbt具有功率密度高、增益高、相位噪声低、线性度好、芯片面积小和制造成本低等优点，因此广泛应用于移动电话、光通讯系统、雷达系统等设备系统。


技术实现要素：

5.第一方面，为本技术的一种异质结双极型晶体管的外延结构制备方法，包括：
6.在砷化镓gaas衬底上外延形成n型惨杂的砷化铝镓algaas发射层；
7.在所述发射层上外延形成p型惨杂的砷化镓gaas基极层；
8.在所述基极层上外延形成n型惨杂的氮化镓gan系材料的集电层。
9.第二方面，为本技术的一种异质结双极型晶体管的外延结构，包括：砷化镓gaas衬底、n型惨杂的砷化铝镓algaas发射层、p型惨杂的砷化镓gaas基极层、n型惨杂的氮化镓gan系材料的集电层；其中，
10.所述发射层、所述基极层和所述集电层由下而上依次置于所述衬底的上表面。
11.可以看出，在具有新的hbt的外延结构的hbt器件的实际应用中，由于采用gan系材料作为集电层，可以使用较高的工作电压，从而有利于增加该hbt器件的输出功率，克服gaas hbt器件的功率限制，以及更好地满足5g通信高频与高功率的需求。
附图说明
12.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是本技术实施例的一种gaas hbt的外延结构的结构示意图；
14.图2是本技术实施例的一种hbt的外延结构的结构示意图；
15.图3是本技术实施例的一种异质结双极型晶体管的外延结构制备方法的流程示意图；
16.图4是本技术实施例的一种hbt器件的集电极制备的流程示意图；
17.图5是本技术实施例的一种hbt器件的基极制备的流程示意图；
18.图6是本技术实施例的一种hbt器件的发射极制备的流程示意图；
19.图7是本技术实施例的一种hbt器件的结构示意图；
20.图8是本技术实施例的又一种hbt器件的结构示意图；
21.图9是本技术实施例的又一种hbt器件的结构示意图；
22.图10是本技术实施例的一种基于hbt器件的功率放大电路的结构示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。另外，本技术实施例中的“放置于”、“放置”或“置于”同“沉积”相同，是通过半导体制造工艺中的薄膜沉积技术所沉积的一层结构。
25.在本技术实施例提供的附图中，所示的器件结构的剖面图可以不按照一般比例作局部放大法，且所述示意图也仅是示例性说明，其在此不应限制本技术所要求保护的范围。同时，所示的器件结构的剖面图中各层的厚度仅是一种示意，需要根据具体半导体工艺确定，而不构成对本技术实施例的限制。另外，在实际针对射频半导体器件的制备工艺中所制备的射频半导体器件应包含长度、宽度以及深度的三维空间尺寸。
26.本技术实施例中的“至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合，是指一个或多个，多个指的是两个或两个以上。例如，a、b或c中的至少一项(个)，可以表示如下七种情况：a，b，c，a和b，a和c，b和c，a、b和c。其中，a、b、c中的每一个可以是元素，也可以是包含一个或多个元素的集合。
27.在本技术实施例中，gaas hbt的外延结构可以采用如下的制备方式：
28.在gaas衬底上，依次外延生长n型掺杂的gaas(n-gaas)集电层(collector)、p型掺杂的gaas(p-gaas)作为基极层(base)、n型掺杂的algaas(n-algaas)作为发射层(emitter)，如图1所示。
29.其中，集电层材料可以为gaas，其禁带宽度可以为1.4ev，击穿电场强度可以为0.4mv/cm。
30.另外，不同上述的gaas hbt的外延结构，本技术实施例的一种新的hbt的外延结构
可以采用如下的制备方式：
31.在gaas衬底上，依次外延形成n型惨杂的砷化铝镓(n-algaas)发射层、p型惨杂的gaas(p-gaas)基极层和n型惨杂的氮化镓(n-gan)系材料的集电层，如图2所示。
32.具体的，gan系材料可以包括gan、氮化铝镓algan、氮化铟镓ingan等中的至少一项。
33.需要说明的是，本技术实施例采用gan系材料作为hbt的集电层可以具有如下优点：
34.1)gan系材料的禁带宽度可以为3.4ev；
35.因此，相比于gaas，gan系材料具有更大的禁带宽度。
36.2)gan系材料的击穿电场强度可以为3.3mv/cm
37.因此，相比于gaas，gan系材料具有更大的击穿电压。
38.综合上述优点，在具有本技术的新的hbt的外延结构的hbt器件的实际应用中，由于采用gan系材料作为集电层，可以使用较高的工作电压，从而有利于增加该hbt器件的输出功率，克服gaas hbt器件的功率限制，以及更好地满足5g通信高频与高功率的需求。
39.在一些可能的实现中，本技术实施例的hbt外延结构除了上述图2所示，还可能有多种变型结构，即外延生长的各个薄膜层(如发射层、基极层、集电层)采用与上述不同的材料，具体如下：
40.1)制备发射层时除了可以采用algaas单种材料外，还可以采用ingaas、ingap等单种材料。
41.例如，在gaas衬底上，依次外延生长n型惨杂的ingaas(或n型惨杂的ingap)发射层、p型惨杂的gaas基极层和n型惨杂的gan系材料的集电层。
42.2)制备发射层时可以采用两种或多种材料
43.例如，采用algaas、ingaas、ingap中的至少之二来制备发射层。
44.在一些可能的实现中，本技术实施例的新的hbt的外延结构除了上述图2所示，还可能有其他的用于增强器件性能、良率和可靠性的结构，如缓冲层、子集电层(sub-collector)、渐变层(grading layer)、隔离层(spacer)、盖帽层(cap layer)等。
45.为简便起见，在以下关于hbt的外延结构的制备以及hbt器件的制备方法的介绍中，将以图2所示的外延结构为例，而多种变型结构的其他多种变型结构可以同理可知，并都在本技术所要求保护的范围内，对此不再赘述。
46.一、hbt的外延结构制备方法
47.请参阅图3，图3是本技术实施例的一种异质结双极型晶体管的外延结构制备方法的流程示意图，具体步骤如下：
48.s310、在gaas衬底上外延形成n型惨杂的砷化铝镓algaas发射层。
49.需要说明的是，制备n型惨杂的algaas(n-algaas)发射层可以采用多种方式，如分子束外延(mbe)、金属有机化合物化学气相沉淀(mocvd)、金属有机物气相外延生长(movpe)、氢化物气相外延(hvpe)等。
50.其中，三甲基镓(trimethylgallium或tmg)可以是ga的来源，三甲基铝(trimethylaluminium，或tma)可以是al的来源，砷化氢(ash3)可以是as的来源。反应温度可以在600℃至800℃之间，以及生长速率可以在400a/min至1000a/min之间。
51.具体的，algaas发射层的厚度可以为50-500nm。
52.另外，为了形成n型惨杂，其使用的惨杂元素可以是o、s、se、te等中的至少一项，也可以是c、si、ge、sn等中的至少一项，而惨杂浓度可以在1e17 cm-3至1e20 cm-3之间。
53.s320、在该发射层上外延形成p型掺杂的砷化镓gaas基极层。
54.需要说明的是，制备p型掺杂的gaas(p-gaas)基极层可以采用多种方式，如mbe或mocvd。
55.具体的，p型掺杂的gaas基极层的厚度可以为50-150nm。
56.另外，为了形成p型惨杂，其使用的惨杂元素可以是be、mg、zn、cd、hg等中的至少一项，也可以是c、si、ge、sn等中的至少一项，而惨杂浓度可以在1e18 cm-3至1e20 cm-3之间。
57.s330、在该基极层上外延形成n型惨杂的氮化镓gan系材料的集电层。
58.需要说明的是，在p-gaas基极层的上表面生长n型惨杂的gan系材料的集电层，可以采用气源分子束外延(gas-source molecular beam epitaxy，gsmbe)，并使用二甲基肼(dimethylhydrazine)作为氮(n)的来源。
59.例如，以gan系材料为gan为例，在压力可以为10torr至9torr之间的真空腔中，通过流量控制器引入二甲基肼，而固态的钾(ga)可以来自一个蒸发源。通过向反应腔中同时提供二甲基肼和钾，反映温度可以在600℃至800℃之间，生长速率可以为150nm/hr，从而生成gan。
60.另外，在还需要对p-gaas基极层的上表面进行热清洗。
61.例如，在上述引入二甲基肼和钾之前，通过在660℃的温度下注入二乙胂(diethylarsine，dea)或三乙胂(triethylarsine，tea)以实现热清洗。
62.二、本技术的hbt器件的制备方法
63.1、集电极(collector)的制备
64.a)光刻工艺
65.需要说明的是，光刻工艺可以包括涂胶、对准、显影。如图4的(a)所示，在gan系材料的集电层的上表面制备光刻胶。
66.b)集电极金属层制备
67.需要说明的是，集电极金属层的制备可以采用溅射(sputter)和蒸镀(evaporation)的方式。
68.例如，如图4的(b)所示，通过溅射和蒸镀的方式在光刻胶中制备集电极金属层。
69.具体的，集电极金属层可以由两种或多种金属组成，如ti/al/ti/au，而厚度可以为ti10-40nm、al 100-300nm、au 100-300nm。
70.c)去胶与清洗
71.例如，如图4的(c)所示，通过去胶与清洗，在gan系材料的集电层的上表面制备集电极。
72.d)可选的，制备第一钝化层
73.需要说明的是，为了保护集电极，还可以制备第一钝化层。其中，第一钝化层本质上是一种钝化层，其用于保护集电极，也可以采用其他术语描述，对此不作具体限制。
74.例如，如图4的(d)所示，在gan系材料的集电层的上表面和集电极上沉积第一钝化层。
75.具体的，第一钝化层可以为sin
x
、sio2、al2o3、aln、alon、sio
x
ny、hfo2和ga2o3中的至少一种材料构成的单层或多层结构。
76.具体的，第一钝化层的厚度可以为100-200nm。
77.2、基极(base)的制备
78.a)光刻工艺
79.需要说明的是，光刻工艺可以包括涂胶、对准、显影。如图5的(a)所示，在第一钝化层的上表面制备光刻胶。
80.b)刻蚀工艺
81.需要说明的是，刻蚀工艺可以是对第一钝化层和n型惨杂的gan系材料的集电层进行刻蚀。如图5的(b)所示，以光刻胶为掩膜，刻蚀第一钝化层和n型惨杂的gan系材料的集电层。
82.具体的，刻蚀可以是干法刻蚀。
83.具体的，刻蚀第一钝化层可以有多种气体，如cf4、chf3、sf6等。
84.具体的，刻蚀集电层的气体也可以有多种组合，如sf6/bcl3/he、cl2/o2/n2、cl2/bcl3等。
85.另外，为了降低对该集电层的损伤，在刻蚀该集电层时可以选用原子层刻蚀(ale)，也可以采用终点探测仪(epd)精确控制该集电层的刻蚀以减小或防止对该集电层的刻蚀。
86.在刻蚀完成之后，还可以进行去胶和晶圆清洗处理。
87.c)基极金属层制备
88.需要说明的是，基极金属层的制备可以采用溅射和蒸镀的方式。
89.例如，如图5的(c)所示，采用溅射和蒸镀的方式制备基极金属层。
90.具体的，基极金属层可以由两种或多种金属组成，如ti/au、ti/pt/ti/au，而厚度可以为ti 10-40nm、pt 50-200nm、au 100-300nm。
91.d)去胶与清洗。
92.e)可选地，制备第二钝化层
93.需要说明的是，为了保护基极，还可以制备第二钝化层。其中，第二钝化层本质上是一种钝化层，其用于保护基极，也可以采用其他术语描述，对此不作具体限制。
94.例如，如图5的(d)所示，在基极的上表面、第一钝化层的上表面、p型惨杂的砷化镓gaas基极层上表面沉积第二钝化层。
95.具体的，第二钝化层可以为sin
x
、sio2、al2o3、aln、alon、sio
x
ny、hfo2和ga2o3中的至少一种材料构成的单层或多层结构。
96.具体的，第二钝化层的厚度可以为100-200nm。
97.3、发射极(emitter)的制备：
98.a)光刻工艺
99.需要说明的是，光刻工艺可以包括涂胶、对准、显影。
100.例如，如图6的(a)所示，在第二钝化层的上表面制备光刻胶。
101.b)刻蚀工艺
102.需要说明的是，刻蚀工艺可以是对第二钝化层和p-gaas基极层进行刻蚀。
103.例如，如图6的(b)所示，以光刻胶为掩膜，刻蚀第二钝化层和p-gaas基极层。
104.具体的，刻蚀干法刻蚀。
105.具体的，刻蚀第二钝化层可以有多种气体，如cf4，chf3、sf6等。
106.具体的，刻蚀p-gaas基极层可以采用湿法或干法刻蚀工艺。其中，湿法工艺是在磷酸(h3po4)和酸氧水(h2o2)的水溶液中进行。干法刻蚀采用等离子刻蚀工艺，常用的气体有cl2、bcl3、sicl4、cf4、ccl2f2等，通过控制反应腔的微波功率、腔内压力、气体的种类和流量来达到所需的刻蚀结果。
107.另外，为了降低对该p-gaas基极层的损伤，在刻蚀该p-gaas基极层时可以选用原子层刻蚀(ale)方法，或者通过调节工艺参数，降低刻蚀速率。
108.在刻蚀完成后，还可以进行去胶和晶圆清洗处理。
109.c)发射极金属层制备
110.需要说明的是，发射极金属层的制备可以是溅射和蒸镀的方式。
111.具体的，发射极金属层可以由两种或多种金属组成，如ni/au、auge/ti/au、ti/pt/au，而厚度可以为ti 10-40nm，pt 50-200nm，au 100-300nm。
112.d)去胶与清洗。
113.e)可选地，制备第三钝化层
114.需要说明的是，为了保护发射极，还可以制作第三钝化层。其中，第三钝化层本质上是一种钝化层，其用于保护发射极，也可以采用其他术语描述，对此不作具体限制。
115.例如，如图6的(c)所示，在发射极的上表面、第二钝化层的上表面沉积第三钝化层。
116.具体的，第三钝化层可以为sin
x
、sio2、al2o3、aln、alon、sio
x
ny、hfo2和ga2o3中的至少一种材料构成的单层或多层结构。
117.具体的，第三钝化层的厚度可以为100-200nm。
118.4、其它正面工艺(frontside process)
119.对于制备gaas hbt器件的正面工艺，除了发射极、基极和集电极的制备之外，还可以包括其他工艺，如金属间介质层、通孔刻蚀、金属互联等，如图7所示。
120.具体的，金属间介质层可以是氧化硅、氮化硅和聚酰亚胺(polyimide)等。
121.具体的，金属互联可以是au,cu，al等。
122.最后，制作一层钝化层(final passivation)，即第四钝化层。其中，第四钝化层本质上是一种钝化层，也可以采用其他术语描述，对此不作具体限制。
123.具体的，第四钝化层可以是氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺(polyimide)和苯并环丁烯(bcb)等。
124.例如，正面工艺完成后的hbt器件示意图，如图7所示。
125.5、可选的，制备电容、电阻和电感
126.需要说明的是，本技术实施例在制备hbt器件的同时，还可以制作电容、电阻、电感以形成单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit，mmic)电路，可以作为内匹配电路、输入输出匹配电路，或者lc滤波器，如图8所示。
127.另外，在图8所示的器件中，本技术实施例并不限定电容的数量、电阻的数量、电感的数量。
128.具体的，电感可以由金属线圈绕制而成，可以是方型绕组、圆形绕组或其他形状。电感的金属电极材料可以是au、al、cu、fe、ni等中的至少一项或者合金制作而成。
129.具体的，电容可以采用mim(金属-电介质-金属)结构。该电容的形状也是多种多样，如正方形和长方形。电容介质可以为氮化硅、氧化硅，也可以是其它电介质材料。电容的金属电极材料可以是au、al、cu中的至少一项，也可以是其他金属或合金。电容介质和金属的厚度，以及电容的大小和形状可以由具体的应用和设计决定。
130.具体的，电阻可以为薄膜电阻(thin film resistor，tfr)。其制备方式有多种，如刻蚀、金属剥离等。现以刻蚀方法加以说明如下：
131.1)制备薄膜电阻层
132.需要说明的是，本技术实施例可以由真空蒸镀、溅射或化学沉积等方式进行制备。
133.2)进行涂胶、对准、曝光、显影
134.3)薄膜电阻刻蚀
135.需要说明的是，薄膜电阻的材料有ni-co系、ta系、si系、金属陶瓷系电阻膜以及au-cr、ni-p等电阻薄膜。例如，可以有nicr、tan等。
136.4)去胶、清洗
137.6、背面工艺(backside process)：
138.需要说明的是，在gaas hbt器件的正面工艺完成后，本技术实施例可以进行背面工艺。
139.其中，背面工艺可以包括以下步骤：
140.1)将晶圆键合在一个载片(carrier)上，如蓝宝石或硅片。
141.需要说明的是，晶圆键合技术是指通过物理作用将器件晶圆键合到一个载片上，以进行晶圆背面工艺的实施。
142.2)减薄与抛光
143.需要说明的是，减薄后的晶圆厚度可以为50-150um。
144.3)背孔(backside via)光刻
145.需要说明的是，背孔光刻可以包括涂胶、对准、曝光、显影等。
146.4)背孔刻蚀
147.需要说明的是，背孔刻蚀可以采用等离子体刻蚀工艺，常用的气体有cl2、bcl3、sicl4、cf4、ccl2f2等。
148.为了获得形貌好的通孔，刻蚀方法可以是博世(bosch)刻蚀法，整个刻蚀过程是刻蚀步骤与沉积步骤的交替循环。其中，刻蚀步骤所采用的刻蚀气体为sf6，沉积步骤所采用的沉积气体为c4f8，其可以在硅孔侧壁沉积一层聚合物保护膜来保护硅孔侧壁不被刻蚀。
149.5)背孔金属化
150.需要说明的是，金属化制程可以包括种子层的溅射，一般为ti、tiw，厚度为5-50nm。
151.在制作金属导体时，可以使用al、cu、au等金属，以及采用蒸镀或电镀工艺制作，厚度可以为2-10um。
152.6)晶圆解键合、清洗、检测等。
153.例如，背面工艺完成后的hbt器件，如图9所示。其中，gaas衬底需要进行减薄厚度，
并在减薄后的gaas衬底和发射层上进行背孔处理，以及沉积一层背面金属层。
154.需要说明的是，本技术实施例的hbt器件，可以用于设计与制作射频功率放大器(pa)，该射频功率放大器，除了具有优良的频率性能之外，更可适用于更高的工作电压，满足更高的功率要求。
155.例如，如图10所示，射频功率放大器可以包括用于输入信号的输入匹配模块、hbt晶体管模块、偏置与稳定电路模块和用于输出信号的输出匹配模块。其中，输入匹配模块、hbt晶体管模块和输出匹配模块依次相连，稳定电路模块连接hbt晶体管模块。
156.另外，需要说明的是，对于上述的各方法实施例，为了简单描述，将其都表述为一系列的动作组合。本领域技术人员应该知悉，本技术不受所描述的动作顺序的限制，因为本技术实施例中的某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。此外，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本技术实施例所必须的。
157.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
158.以上对本技术实施例进行了详细介绍，本技术实施例中的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。本领域技术人员应该知悉，本技术实施例在具体实施方式和应用范围上均会有改变之处，至此，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。