[发明专利]SiGe异质结双极晶体管中的迁移率增强

说明书

技术领域

本发明涉及SiGe基异质结双极晶体管，且更具体地，涉及由于迁移率增强而具有改善的性能的SiGe基异质结双极晶体管。本发明还涉及制作这种SiGe基双极晶体管的方法。

背景技术

在目前工艺水平的SiGe异质结双极晶体管(HBT)器件中，基极材料是通过化学气相沉积(CVD)或分子束外延(MBE)外延沉积的，作为制造工艺相对早的前端(front-end-of-line，FEOL)膜。这提供了在合金和掺杂剂的两方面调整特定基极分布的可能性，并允许具有锗和碳的硅合金的假晶生长，这可以用于改善HBT器件的性能。

具体地，将替代的锗结合到硅晶格中而在材料中产生压应变，因为Ge原子需要更大的原子间隔。这也降低了材料的能带。在一些SiGe基异质结双极晶体管(HBT)器件中，Ge含量在整个基极区域上而陡然增加到一个常量(单矩形分布)或其部分上陡然增加到一个常量(台阶分布)。在“渐变”SiGe HBT器件中，基极区域中的Ge含量不是常量，而是从发射极-基极结附近的低Ge含量增加到深入到基极区域中的高Ge含量，因此产生漂移电场，在电子流动的方向上具有降低的带隙。从HBT器件的发射极注入的电子由于在发射极-基极结的低Ge含量而面对降低的注入势垒，并然后由于深入基极区域的增加的Ge含量在基极区域上经历加速电场。在反射极-基极结的低Ge含量增加到基极中的电子注入，因此增加电流增益。在基极区域中的Ge渐变具有在器件上加速电子输运的效果，导致通过基极的降低的渡越时间，这在将器件调节到高速性能上特别重要。这样期望的Ge渐变可以在SiGe膜沉积中通过Ge前驱体流的随时间变化的设计而容易地产生。

然而，当在假晶生长的SiGe膜中的应变达到临界水平时，由于SiGe膜厚度的增加或者Ge含量的增加，该应变不再能通过储存在扭曲的SiGe晶体结构中的弹性能容纳。而是，部分的应变将通过在异质结界面中产生失配位 错而被弛豫。因此，对于特定Ge含量的SiGe膜，存在“临界厚度”，该临界厚度定义为SiGe膜的假晶生长的最大厚度，在该临界厚度之下，由Si和Ge之间的晶格失配引起的应变由储存在晶格扭曲中的弹性能容纳，而在该临界厚度之上，部分的应变通过异质结界面中产生失配位错而被弛豫。类似地，对于特定厚度的SiGe膜，存在“临界Ge含量”，其定义为能够结合到假晶SiGe膜中的最大锗含量，在该临界Ge含量之下，由Si和Ge之间的晶格失配引起的应变由储存在晶格扭曲中的弹性能容纳，而在该临界Ge含量之上，部分应变通过异质结界面中产生失配位错而被弛豫。

源自应变弛豫的位错缺陷是电活性的并能引起增加的载流子散射、载流子陷阱、以及载流子复合。因此，在过去，Ge含量和SiGe基极层的总厚度被仔细地设计以不超过临界值，从而避免器件结构中的位错缺陷的形成。

SiGe HBT器件在垂直和横向两个方向的最近迅猛的比例缩小已经导致器件尺寸的显著减小，包括基极层厚度的显著减小。此外，最近的高频测量显示通过高性能HBT(例如，具有不超过约100nm的厚度)的超薄基极层的载流子输运已经达到在当前迅猛的Ge渐变的饱和速率。换言之，在超薄基极层中的增加的Ge渐变没有产生载流子速率的进一步改善。

结果，目前技术SiGe基HBT器件(见Khater et al.，“SiGe HBT Technologywith fMax/fT＝350/300 GHz and Gate Delay Below 3.3 ps，”IEEE ElectronDevices Meeting，IEDM Technical Digest，13-15 December 2004，pp.247-250)具有远小于临界值的Ge含量和厚度的基极层。

发明内容

本发明意在通过增加HBT器件的基极区域中的双轴应变来进一步改善当前可获得的SiGe基HBT器件的性能，这又增加了基极区域的载流子迁移率。

本发明发现尽管当前可获得的HBT器件的超薄基极层的Ge含量进一步增加没有进一步增加载流子速率，但其可以引起基极区域附近的双轴应变的增加，即，沿平行于基板表面的方向(即，横向方向)增加的压应变，以及沿垂直于基板表面的方向(即，垂直方向)的增加的拉应变，其起到增加横向流动通过基极区域的空穴和垂直穿过基极区域的电子的迁移率的作用。

因为载流子的基极-渡越时间不仅依赖于载流子速率，还依赖于载流子 迁移率，当前可获得的SiGe基HBT器件的载流子基极-渡越时间能通过增加这种HBT的超薄基极层的Ge含量到接近临界值而进一步增加。