一种hbt器件的分子束外延生长方法
技术领域
1.本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种hbt器件的分子束外延生长方法。
背景技术：
2.近年来，异质结双极晶体管（hbt）器件在微波和毫米波功率增益、超高速开关、数字集成电路以及光纤通信等领域都得到大量应用。hbt有许多优点：高频高速、功率密度大、功率增益高以及线性好。hbt是垂直输运器件，它的一些主要器件指标大多由器件外延层结构决定。由于分子束外延（mbe）技术的发展，已经能够以原子层量级的精度控制外延层的厚度，从而可以精准地调节hbt的器件特性。
3.由于inp基inp/ingaas材料系以及gaas基改性inp/ingaas材料系的hbt器件相对于传统si基hbt器件有着更加优异的特性，因此inp/ingaas材料系hbt器件得到广泛研究和应用。
4.hbt器件结构中的基区层通常非常薄，以此来降低基区渡越时间，从而增大器件电流增益。对于ingaas材料基区层，为了进一步提高hbt器件的性能，可以将基区层设计为组分连续渐变层，以此在基区层内形成内建电势，从而增强载流子的注入，并因此进一步增大了电流增益。
5.然而，由于基区层非常薄，分子束外延生长基区层的时间很短，生长获得满足预期的组分连续渐变的ingaas材料基区层存在挑战。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种hbt器件的分子束外延生长方法，以解决组分连续渐变的ingaas材料基区层的外延生长问题。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：本发明提供了一种hbt器件的分子束外延生长方法，该hbt器件的结构包括n型集电区层以及设置在集电区层上的p型基区层，集电区层为in
0.53
ga
0.47
as层，基区层的靠近集电区层的界面处的in组分为0.53，基区层的远离集电区层的界面处的in组分为y，其中，y为预设固定值，并且0.43≤y≤0.47，基区层为自下而上in组分从0.53连续渐变至y的组分渐变的inmga
1-m
as层，m表示in的组分，基区层的厚度h的范围为25nm≤h≤50nm，沉积生长基区层的总时间s的范围为100秒≤s≤300秒，所述方法包括：沉积生长集电区层，在沉积生长集电区层的过程中，分子束外延设备的镓源炉的温度恒定为用于生长in
0.53
ga
0.47
as层的第一温度；在镓源炉从第一温度开始升温的同时，在集电区层上沉积生长基区层，镓源炉采用如下分段线性升温方式升温：将沉积生长基区层的总时间s划分为n个时段，n为大于或等于2的整数，在n个时段中的任一个第i时段内，镓源炉从第i时段开始时的起始温度线性升高至第i时段结束时的第i目标温度ti，第i时段结束时对应的时刻为ti，i=1,2,...,n，tn=s，并且第n目标温度tn等于用于生长in组分为y的inyga
1-y
as层的第二温度，第二温度高于第一
温度，假定第1时段的起始时刻为t0，假定t0=0，并且第1时段的起始温度为第0目标温度t0，则第0目标温度t0等于第一温度，对于j=0,1,2,..., n中的任一者，时刻tj以及对应的目标温度tj均满足如下函数关系：，其中，系数a为大于0的常数，底数b为大于1的常数，x表示时刻，f(x)表示时刻x时对应的目标温度，系数a和底数b中的一者为预先设定，另一者通过计算获得。
8.可选地，函数关系中的底数b设定为无理数e，则函数关系表示为，此时，a通过下式计算获得：。
9.可选地，n=3。
10.可选地，t1和t2的值通过求解由如下等式（1）和等式（2）构成的方程组获得：
11.可选地，通过如下迭代计算来数值求解由等式（1）和等式（2）构成的方程组：其中，n表示迭代次数，t
1,n
表示经过n次迭代计算之后获得的t1的值，t
2,n
表示经过n次迭代计算之后获得的t2的值，t1的迭代初始值t
1,0
以及t2的迭代初始值t
2,0
满足如下关系：0《 t
1,0
《 t3并且0《 t
2,0
《 t3。
12.可选地，，并且。
13.可选地，迭代计算中的迭代次数n满足如下范围：16《n《40。
14.可选地，迭代次数n=20。
15.可选地，0.44≤y≤0.46，并且在集电区层上沉积生长基区层的过程中，分子束外延设备的铟源炉的温度恒定不变。
16.本发明的有益效果包括：本发明提供的hbt器件的分子束外延生长方法包括：沉积生长集电区层，在沉积生长集电区层的过程中，分子束外延设备的镓源炉的温度恒定为用于生长in
0.53
ga
0.47
as层的第一温度；在镓源炉从第一温度开始升温的同时，在集电区层上沉积生长基区层，镓源炉采用如下分段线性升温方式升温：将沉积生长基区层的总时间s划分为n个时段，n为大于或等于2的整数，在n个时段中的任一个第i时段内，镓源炉从第i时段开始时的起始温度线性升
高至第i时段结束时的第i目标温度ti，第i时段结束时对应的时刻为ti，i=1,2,...,n，tn=s，并且第n目标温度tn等于用于生长in组分为y的inyga
1-y
as层的第二温度，第二温度高于第一温度，假定第1时段的起始时刻为t0，假定t0=0，并且第1时段的起始温度为第0目标温度t0，则第0目标温度t0等于第一温度，对于j=0,1,2,..., n中的任一者，时刻tj以及对应的目标温度tj均满足如下函数关系：，其中，系数a为大于0的常数，底数b为大于1的常数，x表示时刻，f(x)表示时刻x时对应的目标温度，系数a和底数b中的一者为预先设定，另一者通过计算获得。在外延生长组分连续渐变的基区层的过程中，通过将镓源炉的升温方式设定为分段线性升温方式，并通过按照对数函数关系选择分段目标温度值，从而实现用分段线性升温方式来近似模拟温度随时间呈对数变化关系的对数式升温方式，与将镓源炉的温度从第一温度阶跃或直接线性升温至第二温度的方式相比，可以显著降低镓源炉在短时快速升温过程中出现的温度过冲，从而显著改善因温度过冲导致的基区层ingaas材料的组分变化异常，实现了in组分的连续渐变平滑过渡，有利于提高hbt器件的性能。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
18.图1示出了本发明实施例提供的hbt器件的分子束外延生长方法的流程示意图；图2示出了本发明实施例提供的hbt器件的结构示意图；图3示出了本发明实施例提供的镓源炉目标温度随时间变化的优化方式示意图；图4示出了本发明实施例提供的镓源炉目标温度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
20.由于inp基inp/ingaas材料系以及gaas基改性inp/ingaas材料系的hbt器件相对于传统si基hbt器件有着更加优异的特性，因此inp/ingaas材料系hbt器件得到广泛研究和应用。hbt器件结构中的基区层通常非常薄，以此来降低基区渡越时间，从而增大器件电流增益。对于ingaas材料基区层，为了进一步提高hbt器件的性能，可以将基区层设计为组分连续渐变层，以此在基区层内形成内建电势，从而增强载流子的注入，并因此进一步增大了电流增益。然而，由于基区层非常薄，分子束外延生长基区层的时间很短，生长获得满足预期的组分连续渐变的ingaas材料基区层存在挑战。因此，期望提出一种hbt器件的分子束外延生长方法，以实现组分连续渐变的ingaas材料基区层的高质量外延生长。
21.图1示出了本发明实施例提供的hbt器件的分子束外延生长方法的流程示意图；图2示出了本发明实施例提供的hbt器件的结构示意图。
22.本发明实施例提供了一种hbt器件的分子束外延生长方法，如图2所示，该hbt器件的结构包括n型集电区层以及设置在集电区层202上的p型基区层203。应当理解，hbt器件的结构还可以包括设置在衬底200与n型集电区层202之间的第一结构层201，根据器件结构需要，第一结构层201例如可以是单一材料层或者是多个材料层的堆叠层，第一结构层201例如可以为缓冲层，或者第一结构层201例如可以为缓冲层和次集电区层的堆叠层；类似地，hbt器件的结构还可以包括设置在基区层203上的第二结构层204，根据器件结构需要，第二结构层204例如可以是单一材料层或者是多个材料层的堆叠层，第二结构层204例如可以为发射区层，或者第二结构层204例如可以为隔离层和发射区层的堆叠层。本发明对于第一结构层201和第二结构层204不作具体限制。衬底200可以为inp衬底或者gaas衬底。
23.集电区层202为in
0.53
ga
0.47
as层，也就是说，集电区层202为in组分为0.53的ingaas材料层。基区层203的靠近集电区层202的界面处的in组分为0.53，基区层203的远离集电区层202的界面处的in组分为y，其中，y为预设固定值，并且0.43≤y≤0.47，基区层203为自下而上in组分从0.53连续渐变至y的组分渐变的inmga
1-m
as层，m表示in的组分，也就是说，基区层203的下表面处的in组分m等于0.53，基区层203的上表面处的in组分m等于y，基区层203为自下而上in组分m从0.53连续渐变至y的组分渐变的ingaas材料层。y为预设固定值，例如，y可以为0.43、0.44、0.45、0.46或0.47。例如，当y为0.43时，基区层203的上表面处的材料为in
0.43
ga
0.57
as。显然，对于本文所限定范围内的y值，inyga
1-y
as材料中的in组分低于集电区层202的in
0.53
ga
0.47
as材料中的in组分。在基区层203内，由于基区层203的inmga
1-m
as材料的in组分m从0.53连续渐变至y，从而使得能带从集电区层202平滑过渡至基区层203的上表面。基区层203的厚度h的范围为25nm≤h≤50nm，例如，h可以为25nm、30nm、35nm、40nm、45nm或者50nm，h的取值还可以为上述范围内的其他值。分子束外延生长基区层203的总时间s与基区层203的厚度h以及生长速率相关，按照常规生长速率，本发明中将沉积生长基区层203的总时间s的范围限定为100秒≤s≤300秒，例如，s可以为100秒、150秒、200秒、250秒或300秒。应当理解，s的值也可以为上述范围内的其他值。基区层203的厚度h由器件结构本身确定，可以通过调整生长速率，来确保沉积生长基区层203的总时间s在上述范围内。
24.如图1所示，本发明实施例提供的hbt器件的分子束外延生长方法包括：步骤101、沉积生长集电区层。
25.在衬底200上沉积生长第一结构层201之后，在第一结构层201上沉积生长集电区层202。如上描述可知，集电区层202为in
0.53
ga
0.47
as层。在分子束外延设备中，通过控制对应元素源炉的温度来控制该元素的束流速率，源炉的温度越高，该元素的束流速率就越高。通过预先校准测试，可以获知实现in
0.53
ga
0.47
as中in与ga组分配比所需要的铟源炉温度和镓源炉温度。假定实现in
0.53
ga
0.47
as中in与ga组分配比所需要的镓源炉温度为第一温度，则在沉积生长集电区层202的过程中，分子束外延设备的镓源炉的温度恒定为用于生长in
0.53
ga
0.47
as层的第一温度。应当理解，在沉积生长集电区层202的过程中，铟源炉的温度也是恒定的。
26.步骤102、在镓源炉从第一温度开始升温的同时，在集电区层上沉积生长基区层。
27.由于基区层203为in组分连续渐变的inmga
1-m
as层，并且inmga
1-m
as材料的in组分从0.53连续渐变至y，0.43≤y≤0.47，也就是说，基区层203的in组分从0.53开始逐渐降低，最终降低至y。为了实现基区层203中in组分的逐渐降低，可以通过在沉积生长基区层203的过
程中，逐渐升高镓源炉的温度，随着镓源炉温度的逐渐升高，镓的束流速率逐渐增大，从而可以实现inmga
1-m
as材料的ga组分的逐渐增大以及in组分的相应降低。应当理解，在镓源炉的温度升高的同时，铟源炉的温度可以保持不变或者可以逐渐降低。为了实现inmga
1-m
as材料的in组分从0.53连续渐变至y，镓源炉的起始温度为与in组分0.53对应的第一温度，镓源炉升温后在基区层生长结束时的最终目标温度为与in组分y对应的第二温度（如下文所述）。显然，第二温度高于第一温度。
28.可选地，0.44≤y≤0.46，例如可以将y预设为0.45，并且在集电区层202上沉积生长基区层203的过程中，分子束外延设备的铟源炉的温度恒定不变。
29.应当理解，本文所述镓源炉的第一温度和第二温度为预先获得的，具体的，例如，本文所述镓源炉的第一温度和第二温度均是在特定的铟源炉温度下通过预先实验测试获得的，因此，第二温度与第一温度的差值可以预先确定，通常来说，该差值在十摄氏度至数十摄氏度的量级。
30.如上文中所述，沉积生长基区层203的总时间s的范围限定为100秒≤s≤300秒，因此，需要在该时间范围内将镓源炉的温度升高约十摄氏度至数十摄氏度。在分子束外延设备中，镓源炉的温度由热电偶来感测，并通过pid控制器来控制，在升温过程中，设定镓源炉的目标温度，然后控制器控制加热组件以使镓源炉的实际温度达到当前的目标温度。分子束外延设备中，常规的升温方式有阶跃升温和线性升温两种方式，阶跃升温表示将当前目标温度直接设定为最终的期望温度，然后源炉在控制器控制下快速升温至最终的期望温度；线性升温表示在一定时间段内当前目标温度线性增大至最终的期望温度，与此同时，源炉在控制器控制下升温至当前目标温度，并随着当前目标温度线性增大，源炉的实际温度最终升温至最终的期望温度。在阶跃升温方式下，尽管镓源炉可以在短时间内快速升温，但是镓源炉温度在升至最终目标温度后会出现明显的过冲，镓源炉温度的过冲会导致镓元素束流速率短时间过大，进而导致基区层203中inmga
1-m
as材料的组分变化不平滑，给基区层203的内建电势带来负面影响，从而最终劣化hbt器件性能。采用线性升温方式可以改善上述温度过冲，但是对于某些hbt器件结构，在基区层203上的第二结构层204为组分为y的inyga
1-y
as层，在生长完基区层203之后，镓源炉的温度稳定为用于生长inyga
1-y
as层的第二温度，在这种情况下，由于线性升温过程所允许的最大时间段长度为基区层203的生长时间s，线性升温过程的结束点附近，目标温度的变化率会从线性升温段的固定斜率直接变为零，在镓源炉温度的pid控制中仍然会引起一定量的温度过冲，如果线性升温过程的升温时间小于整个基区层203的生长时间s，则会在基区层203内部引起in组分变化的不平滑，如果线性升温过程的升温时间对应整个基区层203的生长时间s，则会在基区层203与第二结构层204之间界面处引起in组分变化的不平滑。为了进一步改善该温度过冲，以进一步优化基区层203中ingaas材料组分的平滑过渡，以生长出组分连续渐变的ingaas材料基区层，需要优化升温方式，以进一步抑制上述的温度过冲。
31.在集电区层202上沉积生长基区层203的过程中，镓源炉采用如下分段线性升温方式升温：将沉积生长基区层的总时间s划分为n个时段，n为大于或等于2的整数，在n个时段中的任一个第i时段内，镓源炉从第i时段开始时的起始温度线性升高至第i时段结束时的第i目标温度ti，第i时段结束时对应的时刻为ti，i=1,2,...,n，tn=s，并且第n目标温度tn等于用于生长in组分为y的inyga
1-y
as层的第二温度，第二温度高于第一温度，假定第1时段的
起始时刻为t0，假定t0=0，并且第1时段的起始温度为第0目标温度t0，则第0目标温度t0等于第一温度。需要说明的是，对于j=0,1,2,..., n中的任一者，在j取不同值时，目标温度tj的值也不同，并且随着j的增大，tj的值也增大。
32.对于j=0,1,2,..., n中的任一者，时刻tj以及对应的目标温度tj均满足如下函数关系：。
33.其中，系数a为大于0的常数，底数b为大于1的常数，x表示时刻，f(x)表示时刻x时对应的目标温度，系数a和底数b中的一者为预先设定，另一者通过计算获得。
34.由于第n目标温度tn（也就是第二温度）是已知的，目标温度tn对应的时刻tn=s是已知的，目标温度t0等于第一温度也是已知的，并且下式成立：，上式中仅存在a和b两个未知数，因此，当系数a和底数b中的一者为被预先设定后，系数a和底数b中的另一者可以通过计算求解上式获得。
35.可选地，函数关系中的底数b设定为无理数e，则函数关系表示为，此时，a通过下式计算获得：。
36.同样地，可以预先设定a，例如，设定a=1，则b可以通过下式计算获得： 。
37.上式中仅有b一个未知数，例如，可以通过数值求解的方式计算获得b的值。
38.理论上，对数函数的变化率是时刻连续渐变的。如果镓源炉温度的目标温度采用对数式函数方式连续渐变升温（也就是镓源炉升温的目标温度随时间呈对数函数关系），则镓源炉温度的目标温度的变化率也是连续渐变的，不会出现目标温度的变化率的阶跃式跳变，从而抑制镓源炉温度pid控制中出现的温度过冲。然而，在分子束外延设备的实际操作中，难以实现镓源炉温度完全按照对数式函数的方式进行升温，但是可以采用本文上述的分段线性升温方式来近似模拟对数式函数的升温方式，从而可以实现对镓源炉温度升温过程中的过冲的显著抑制，改善基区层中inmga
1-m
as材料组分的平滑过渡。
39.应当理解，在沉积生长基区层203之后，可以根据结构需求，进一步生长第二结构层204，以最终完成hbt器件外延片的分子束外延生长。
40.综上所述，在外延生长组分连续渐变的基区层的过程中，通过将镓源炉的升温方式设定为分段线性升温方式，并通过按照对数函数关系选择分段目标温度值，从而实现用分段线性升温方式来近似模拟温度随时间呈对数变化关系的对数式升温方式，与将镓源炉的温度从第一温度阶跃或直接线性升温至第二温度的方式相比，可以显著降低镓源炉在短时快速升温过程中可能出现的温度过冲，从而显著改善因温度过冲导致的基区层ingaas材料的组分变化异常，实现了in组分的连续渐变平滑过渡，有利于提高hbt器件的性能。
41.对于以上描述中所述的镓源炉的分段线性升温方式，n的值越大，分段线性方式可
以越接近对数式方式，与此同时，对分子束外延设备的控制过程的复杂度越高，考虑到实际操作的便利性以及分段线性升温过程总时间段的长度，例如，可以设定n的范围3至5，在该情况下，相对于设备自身常规的阶跃升温和线性升温方式，仍然可以实现对温度过冲的进一步抑制。例如，可以设定n=3。
42.在n=3的情况下，也就是要采用三段线性升温来拟合对数式升温。图3示出了本发明实施例提供的镓源炉目标温度随时间变化的优化方式示意图。在图3中，曲线1表示对数式升温曲线，曲线2表示由三个线段组成的分段线性升温曲线。在曲线1上，点q0是起始点，点q3是结束点，点q1和点q2是两个中间点。分别在点q0、q1、q2和q3处，曲线1和曲线2重合。在实际应用中，点q0和点q3的位置是确定的，对于上述的镓源炉升温过程，点q0对应起始时刻0和第一温度，点q3对应结束时间s和第二温度，中间点q1和q2的位置则可以进行选择，选择不同的中间点q1和q2，曲线1和曲线2的拟合程度则不同。因此，在点q0和点q3的位置确定的情况下，需要选择合适的中间点q1和q2，以使得曲线1和曲线2达到最优拟合，由于对数函数是凸函数，因此，曲线2的三个线段都位于曲线1的下方，此时最优拟合的情况对应于区域a1、a2和a3的总面积最小。区域a1是在点q0与点q1之间，由曲线1和曲线2围成的区域；区域a2是在点q1与点q2之间，由曲线1和曲线2围成的区域；区域a3是在点q2与点q3之间，由曲线1和曲线2围成的区域。由于在点q0与点q3之间，由曲线1与下坐标轴和右坐标轴围成的区域面积固定，为了使得区域a1、a2和a3的总面积最小，则需要由曲线2与下坐标轴和右坐标轴围成的区域面积最大，曲线2与下坐标轴和右坐标轴围成的区域由一个三角形和两个梯形构成，将点q1与点q2的横坐标t1和t2作为自变量，曲线2与下坐标轴和右坐标轴围成的区域的面积作为因变量建立面积函数，通过求解面积函数的最大值，可以获知最优拟合对应的横坐标t1和t2，从而获知中间点q1和q2的位置。
43.为了求解简便，对于函数关系中的底数b为无理数e的情况，函数关系表示为，此时对于n=3的情况，参照图3和以上描述求解最优拟合，可以获知横坐标t1和t2在同时满足如下两式时对应的解为最优拟合： ，。
44.应当理解，上述式中t3为已知数（也就是s）。
45.因此，对于底数b为无理数e并且n=3的情况，分段线性升温的两个中间点的时刻t1和t2的值通过求解由如下等式（1）和等式（2）构成的方程组获得：
46.可选地，通过如下迭代计算来数值求解由等式（1）和等式（2）构成的方程组：
其中，n表示迭代次数，t
1,n
表示经过n次迭代计算之后获得的t1的值，t
2,n
表示经过n次迭代计算之后获得的t2的值，应当理解，t
1,(n+1)
表示经过n+1次迭代计算之后获得的t1的值，t
2,(n+1)
表示经过n+1次迭代计算之后获得的t2的值。
47.t1的迭代初始值t
1,0
以及t2的迭代初始值t
2,0
满足如下关系：0《 t
1,0
《 t3并且0《 t
2,0
《 t3。
48.在t3（也就是s）为129秒，t
1,0
为9，t
2,0
为29的情况下，进行上述的数值迭代求解计算，如下的表1给出了不同迭代次数时对应计算获得的时刻t1和t2的值，可以看出，在经历30次迭代计算之后，t1的值稳定为11.57825，t2的值稳定为49.2755；同时可以看出，在经历16至20次迭代计算之后，t1和t2的值已经达到不错的精度。在实际应用中，为了减小计算量，可选地，，并且。可选地，迭代计算中的迭代次数n满足如下范围：16《n《40。可选地，迭代次数n=20。
[0049] 表1
ꢀꢀ
数值迭代计算值迭代次数t3t2t10129299112945.784557.526409212943.5878410.90584312948.4013410.47815412947.8329211.41067512949.0597911.30143612948.918411.53694712949.2224711.50985812949.1876311.56809912949.2624811.561421012949.2539211.575751112949.2723111.574111212949.2702111.577631312949.2747311.577231412949.2742111.57811512949.2753211.5781612949.2751911.578211712949.2754611.578191812949.2754311.578241912949.275511.578232012949.2754911.57825
2112949.2755111.578242212949.2755111.578252312949.2755111.578252412949.2755111.578252512949.2755111.578252612949.2755111.578252712949.2755111.578252812949.2755111.578252912949.2755111.578253012949.2755111.57825图4示出了本发明实施例提供的镓源炉目标温度随时间变化的曲线图。如图4所示，数据1表示对数式升温条件下镓源炉温度随时间变化曲线图；数据2表示直接指定两个中间点的位置：t1等于9，t2等于29，采用分段线性升温，镓源炉温度随时间变化曲线图；数据3表示分别将9和29作为上述迭代计算的初始值，根据表1计算获得t1的值为11.57825，t2的值为49.27551，分段线性升温，镓源炉温度随时间变化曲线图。从图4可以看出，相对于数据2，数据3与数据1拟合的更好。也就是说，在n=3的情况下，采用通过如上迭代计算获得的t1和t2的值，可以获得分段线性升温与对数式升温的更优的拟合，从而有利于改善因温度过冲导致的基区层ingaas材料的组分异常，实现了in组分的连续渐变平滑过渡，有利于提高hbt器件的性能。
[0050]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。