（微电子学与固体电子学专业论文）soi+sige+hbt结构与集电区模型研究.pdf

摘要 摘要 应变s i g e 技术通过在s i 材料上生长s i g e 改变材料原来的晶格结构，从而改 变电子、空穴的迁移率和改进器件的能耗、频率。另一方面，s o i 技术具有高速、 无闩锁、低功耗、抗辐射和小型化等优点。因此，高性能应变s i g e 技术和s o i 技 术成为现代器件研究重点。本文主要研究的是集电区折叠结构的s o ls i g eh b t 和 其集电区模型。 首先，分析了应变s i g e 材料的基本物理属性，重点分析了晶格结构、能带分 裂和临界厚度等，研究了g e 组分对s i g e 材料性能的影响。并分析了s o i 作为器 件衬底的优势，为分析s o is i g eh b t 提供了理论支持。 其次，研究了s o is i g eh b t 的工作原理，从其能带结构上分析了其与体硅双 极性晶体管的不同，对其性能特别是交流特性进行了深入研究。在此基础上分析 集电区折叠结构s o is i g eh b t ，并运用i s e 软件对其结构参数特别是集电区参数 进行优化，并仿真分析了这个结构的性能。然后给出了集电区折叠结构s o is i g e h b t 的工艺流程。 最后，研究了集电区折叠结构s o is i g eh b t 的集电区模型，建立了集电结纵、 横空间电荷区和耗尽层电容的模型，分析了全耗尽和部分耗尽工作模式下器件的 性能。本文所建立的集电区空间电荷区和耗尽层电容的模型对研究s o is i g eh b t 有重要的意义。 关键词：应变s i g eh b ts 0 1 结构电学参数 a b s t r a c t s t r a i n e ds i g et e c h n o l o g yc h a n g e st h ee l e c t r o n i ca n dh o l em o b i l i t y , i m p r o v e st h e d e v i c e sp o w e rc o n s u m p t i o na n df r e q u e n c y , b yg r o w i n gs i g el a y e ro ns im a t e r i a l st o c h a n g et h em a t e r i a l 。s l a t t i c es t r u c t u r e o nt h eo t h e rh a n d ，s o it e c h n o l o g yh a st h e a d v a n t a g e so fh i g h s p e e d ，l a t c h u pf r e e ，l o w - p o w e r , r a d i a t i o n ，a n dm i n i a t u r i z a t i o n t h e r e f o r e ，t h eh i g h - p e r f o r m a n c es t r a i n e ds i g ea n ds o it e c h n o l o g yb e c o m et h ef o c u so f m o d e md e v i c e s i nt h i sp a p e r , w em a i n l yf o c u so nt h ef o l d e d - c o l l e c t o rs o is i g eh b t a n dt h em o d e lo fc o l l e c t o r - f i r s t l y , p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs t r a i n e ds i g em a t e r i a l sa n dt h ea d v a n t a g eo fs o i s u b s t r a t eh a v eb e e na n a l y z e d ，e s p e c i a l l yl a t t i c es t r u c t u r e ，t h eb a n ds p l i ta n dt h ec r i t i c a l t h i c k n e s s p r o v i d e st h et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ea n a l y s i so fs o is i g eh b t s e c o n d l y , t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c eo fs o is i g eh b th a v e b e e na n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h ea cp e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so ft h ea b o v e ，t h e f o l d e d - c o l l e c t o rs o is i g eh b ti sa n a l y z e d t h ec o l l e c t o ro ft h ef o l d e d c o l l e c t o r s t r u c t u r es i m u l a t i o nw a sd o n et od e c i d et h ec o l l e c t o rs t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h e p e r f o r m a n c eh a sa l s ob e e ns i m u l a t e d ，a n a l y z e dt h ep r o c e s so ft h ef o l d e d - c o l l e c t o r s t r u c t u r e f i n a l l y , t h em o d e lo fc o l l e c t o rh a sb e e na n a l y z e d t h em o d e lo fb cs c ra n d c o l l e c t o rd e p l e t e dc a p a c i t a n c eh a v eb e e ns e tu p i nf u l l y a n dp a r t l y d e p l e t e dw o r k i n g m o d e l ，t h es i m u l a t i o na n dt h ee f f e c to np e r f o r m a n c ea l s ob e e na n a l y z e d t h em o d e lo f b cs c ra n dd e p l e t e dc a p a c i t o rb u i l ti nt h ep a p e rp r o v i d e sb a s i sf o rt h er e s e a r c ho f s o is i g eh b t k e y w o r d s ：s t r a i n e ds i g eh b ts o is t r u c t u r ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 自第一块集成电路诞生以来，集成电路的发展一直遵循摩尔定律( m o o r e s l a w ) ，也就是每1 8 个月集成电路的集成度会增加一倍，性能也会提高一倍，价格 却降低半【l j 。晶体管特征尺寸等比例缩小一直都是集成电路性能提高、集成度增 加的主要方法。s i 材料具有来源丰富、成本低、制作简单、工艺比较成熟等优点， 但随着器件特征尺寸的减小和电路运行速度的加快，s i 器件内部的p n 结之间、同 一衬底上的器件与器件之间的相互作用会越来越严重，出现一系列涉及器件物理、 材料、工艺技术和器件结构等方面的问题，从而使0 1 9 m 以下得s i 基集成电路的 可靠性、性价比和集成度受到影响。尤其是随着芯片特征尺寸达到纳米尺度，m o s 管的尺寸也趋于工艺与物理极限，摩尔定律不再适用。另外，超高速电路和通信 对器件的频率特性要求也越来越高，集成电路和传统的s i 基器件也逐渐显示出了 缺陷和不足，因此需要采用新技术来提高器件的性能 为了继续遵循摩尔定律，人们开始转向新材料和新器件的研究。近年来应变 s i g e 技术出现在人们的研究日程中，其通过在s i 材料上生长s i g e 改变材料原来 的晶格结构，从而改变电子、空穴的迁移率和改进器件的能耗、频率。 另一方面，异质结构材料和器件的研究因而随之受到越来越高的重视，它为 提高器件和电路性能开辟了一条路。i 一v 族化合物半导体器件( ! t l l g a a s 等) 频 率特性优越，但其成本高、机械强度低、散热性能不好、大直径单晶制备困难等 因素限制了它的广泛应用和发展。因而在追求性价比的i c 市场，i i i v 族化合物 半导体的发展同样受到制约。而以s i g e 技术为基础的s i g e 集成电路具有高频率、 低噪声、低功耗、抗辐射等优良特性，因此备受关注。 s i g e 器件在工艺上与s i 相兼容、具有异质结结构，并引入应变工程和能带工程， 因此s i g e 器件具有异质结的“高性能”和s i 基器件的“低成本” 2 1 。s i g e 技术优异的性 能正符合无线和有线通信系统的飞速发展的需要，因此s i g e 器件在微电子市场上 得到了广泛的应用。 为了进一步提高器件性能，又引入了s o i 衬底。由于s o l 具有抑制寄生，降低 信号串扰，消除闩锁效应，提高软错误免疫，提高工作电压范围等优点，基于s o i 结构的s i g eh b t 成为研究热点之一。s i g e 与h b t 及s o i 相结合的s i g eh b t 和 s i g e s o i 技术，是实现高性能s o c 系统的强劲竞争技术。 综上所述，基于s o i 结构的s i g eh b t 具有以下优点：s i g e 合金在s i g eh b t 中 2 s o is i g eh b t 结构设计与研究 做基区，s i g e 合金的电子迁移率l i , s i 大一倍，提高了器件的工作频率；降低s i g e 基区电阻和利用s i g e s i 能带的不连续，可以实现s i g e 器件低噪声和高电流增益； s i g e 的温度范围宽，可实现比较稳定的工作特性；工艺与s i 器件相兼容；s o i 为衬 底，h b t 的电流流向会发生改变，出现全耗尽，进一步减少h b t 集电区电阻，同 时减少衬底电容进一步提高器件工作频率；s i g e 技术在低泄漏电流和热传导方面 有良好特性。 1 2 1 应变s i g e 技术 1 2 国内外研究现状 近年来，由于s o ls i g eb i c m o s 器件的优越特性，s o ls i g eb i c m o s 技术成 为当前世界研究的热点之一。s o ls i g eh b t 器件的研究也在飞速发展。其中应变 s i g e 技术是s o is i g eh b t 器件研究的关键。 应变s i g e 具有其他材料无法比拟的优点，即具有很高的频率特性和与s i 技术 工艺兼容。其研究是开始于上世纪5 0 年代，异质结的概念也是早在1 9 5 1 年就提 出，1 9 5 7 年，异质结器件的概念和特性被比较详细的介绍。但s i 和g e 的晶格失 配高达4 2 ，在衬底上外延生长s i g e 应变层，条件要求高，且应力容易释放产 生缺陷，所以研究工作一直进展缓慢。后来，随着工艺条件的提高和各种先进的 材料生长技术的出现，s i g e 技术出现了突破性的进展【3 j 。 1 9 7 5 年，k a s p e r 等人利用m b e 生长出全应变，低缺陷密度的s i g e s i 异质结 材料； 上世纪8 0 年代中期，b e l l 实验室j b e a m 等人对s i m b e 设备做了改进，并且 在低温生长技术、清洗、表面厚度的研究中取得突破，得到了无缺陷高质量的 s i g e s i 异质结材料； 8 0 年代后期，德国d a i m l e r - b e n z 和美国的i b m 公司对s i g e 材料和s i g e 技术 进行深入的研究，推动了s i g e 器件、技术和集成电路的发展； 19 8 6 年i b m 的m e y e r s o n 发明了u h v c v d 设备，并有这个设备生长s i g e s i 异质结材料，其成本也低于m b e ，也提高s i g e s i 异质结材料的生长速度，从而 实现了s i g e 器件能大规模生长： 1 9 8 8 年，第一个s i g e s ih b t 在i b m 诞生，s i g e 技术进入一个新的发展阶段。 此后s i g e 技术迅猛发展，s i g e 材料广泛应用于m o s f e t 、光电子、h b t 领 域。特别是近年来，集成电路尺寸的不断缩小，s i 材料进入瓶颈期，s i g e 是当前 研究的热点。 第一章绪论 1 2 2s o i 基s i g eh b t 自从s i g e s i 异质结生长实现后，异质结器件的优异性能一直引起了人们的广 泛关注。s i g eh b t 的研究也在飞速发展，为了与s o is i g eb i c m o s 技术相兼容， s o is i g eh b t 技术随着s i g eh b t 的发展也是在提上日程。 当今世界的s i g e 研究和应用领域中，以i b m 公司为代表的美国企业和t e m i c 为代表的欧洲公司是具有领导意义的两大主流。此外日本的n e c ，h i t a c h i 同样研 制出了高性能的s o is i g eh b t 器件。 s i g eh b t 研究是从上世纪8 0 年代开始的，在1 9 8 7 年，i b m 利用m b e 技术 制造出了第一个以s i g e 为基极的h b t ，其在t = 3 0 0 k 时电流增益为1 2 ，在t = 9 0 k 时电流增益为2 5 1 4 1 ；1 9 8 8 年i e g i b b o n 等人制造出在t = 3 0 0 k 时电流增益达到4 0 0 的s i g eh b t 5 j ；1 9 8 9 年，i b m 采用c h w c v d 技术制造出第一只g e 组分渐变的 s i g eh b t ，并在同年实现了室温下，电流增益1 0 0 0 ，特征频率4 5 g h z 的s i g e h b t 6 】；1 9 9 0 年，i b m 利用双多晶非自对准工艺制造出当时最快的s i g eh b t ，其 特征频率是7 5 g h z ，此后开始广泛使用自对准工艺制作s i g eh b t 7 】，1 9 9 2 年日本 n e c 公司在i e d m 上报道了 为5 1 g h z ，厂m 戤为5 0 g h z 能够应用于b i c m o s 技 术的s i g eh b t ，其结构为自对准的平面结构，并采用了超自对准选择性基区的生 长技术【8 】；同年，频率达到7 3 g h z 的s i g eh b t 研制出来【9 1 ，i b m 也推出了第一个 s i g eb i c m o s 工艺【l u j ；此后在i b m 和n e c 等公司的努力下，s i g eh b t 的频率在 不断提高，2 0 0 1 年，w a s h i o k 等在高阻抗衬底上采用自对准、选择性外延工艺制 备出了最大工作频率达1 8 0 g h z 的s i g eh b t 器件【l i 】；2 0 0 2 年，在i e d m 上b j a g a n n a t h a n 等人宣布采用非自对准结构制造出k 为2 0 7 g h z ，f r 为2 8 5 g h z 的s i g e h b t 1 2 j ：2 0 0 3 年制造出工作频率高达3 5 0 g h z 的s i g eh b t ，现在s i g eh b t 的特 征频率已经远高于3 7 5 g h z l l 3 】；2 0 0 4 年i b m 提出了具有新结构的s o is i g eh b t 。 s o l 技术可以实现器件的隔离，简化工艺步骤，与s i g e 技术相结合可以进一 步提高器件性能，实现更高速的器件。因此s o ls i g eh b t 也在s i g e 发展的同时 进行了研究。 s i g eh b t 器件和i c 在国际上实现了产业化，研究s i g e 器件的的单位越来越 多。国内s o is i g eh b t 技术起步较晚，是从8 0 年代中期才开始开始的。目前国 内还没有科研机构掌握s o is i g eb i c m o s 工艺技术，但有不少机构研究台面结构， 如重庆2 4 所，西安电子科技大学，清华大学，北京工业大学，北京大学等。西安 电子科技大学与重庆2 4 所合作研制出了 瞰达到1 5 7 g h z 的双台面结构的s i g e h b t 。虽然已经研制出 为1 3 5 g h z 的平面结构的s i g eh b t ，但由于工艺条件限 制并没有用于s i g eb i c m o s 电路中。清华大学微电子所研制出与c m o s 工艺兼容 的微波功率s i g eh b t ，厂t 达到1 0 g h z 以上。 4 s o s i g eh b t 结构设计与研究 近年来国内在s i g eh b t 器件的研究方面做了大量的工作，但主要集中于s i g e 应变层的生长技术以及模型等的理论研究方面，而对器件的研制则相对较少。北 京工业大学在器件研究方面做了大量的工作，但以量子器件为主，不太涉及较多 的集成电路工艺。无论是材料的研究还是器件的制作，国内与国外都仍有相当大 的差距，频率很难做高。 1 3 本论文研究内容和章节安排 本论文主要研究的是集电区折叠s o is i g eh b t 的结构参数和电学特性。同时， 使用模拟工具i s e 对器件性能进行仿真。 本论文的章节按如下顺序安排： 第一章：绪论；介绍了应变s i g e 、s o is i g eh b t 器件的应用领域，国内外当 前的发展状况，以及本论文工作和研究的意义。 第二章：s o i 技术和应变硅s i g e s i 的物理特性；分析了s 0 1 优点和应变硅的 晶格及能带结构等物理特性。 第三章：在s o is i g eh b t 基本结构的基础上，提出了能与小尺寸s o is i g e c m o s 相兼容的集电区折叠型s o is i g eh b t 结构，获得了这种结构最合理的结 构参数，并对这个结构的性能进行仿真分析，最后分析了这种结构的形成过程。 第四章：研究了集电极折叠型s o is i g eh b t 结构的电学参数，建立了集电区 空间电荷模型和集电区耗尽层电容模型，并分析了这些电学参数对器件性能的影 响。 第五章：总结和展望；总结本论文完成的工作，以及可以进一步完善和发展 的地方。 第二章s i g e 材料物理属性分析5 第二章s i g e 材料基本物理属性分析 应变s i g e 材料和s o i 技术是研究s o is i g e 器件特性的基础。s i l x g e x 材料具 有不同于s i 、g e 的物理属性，并且与组分x 相关；s o i 器件可以分为薄膜全耗尽 器件和厚膜部分耗尽器件，还具有体硅器件无法比拟的优势。本章就这两方面做 了理论分析。 2 1 s i l x g e x 材料基本属性 s i 和g e 是族元素，它们可以形成溶解度无限的替位固溶体s i l 嚷g e x 。s i 、 g e 价带顶位于k - - 0 处，是间接带隙半导体，但它们的晶格常数有差异，因而s i i x g e ) 【 材料具有特定的性质。s i l x g e x 材料的许多物理特性，如介电常数、晶格常数、禁 带宽度、折射率都是介于s i 和g e 之间，甚至大部分随着g e 组分的变化而变化。 正是由于s i g e 材料的这个特点，s i g e 材料满足各种器件的使用要求。 s i 和g e 的晶格常数分别为0 5 4 n m 和0 5 7 n m ，因此它们之间会存在晶格失配， 这些晶格失配引起的位错会使薄膜的厚度存在一个临界值。当生长的厚度小于临 界值时，这层薄膜中会发生四方畸变，产生应变；而当厚度大于临界厚度，这层 薄膜开始产生弛豫。外延生长技术高速发展，使应变s i i x g e x 合金的组分x 成为至 关重要的参数。并且s i g e 材料的许多特性参数，如带偏移、带隙、晶格常数等与 组分密切相关。在与硅工艺相兼容的基础上引入的s i l x g e x 层所得到的优势，使其 成为器件炙手可热的制作材料。 图2 1 利用弛豫s i g e 虚拟衬底引入应变硅的示意图 另一方面，在衬底s i 上生长s i l x g e x 层可以为器件引入应力，即衬底引入应 力。由于s i l x g e x 的晶格常数处于g e 原子和s i 原子之间，s i g e 的晶格常数比s i 大。在s i 衬底上生长s i g e 层，在平行于s i 衬底上s i g e 层受到压应力，从而使 s i g e 的晶格结构发生改变，存在压应变。同样，当生长材料的晶格常数小于衬底 6 s o is i g eh b t 结构设计与研究 的晶格常数时，在生长层存在张应变。s i 衬底上生长s i g e 的整个过程如图2 1 所 示【1 4 】。 了解材料的特性对器件设计具有非常重要的指导意义，下面将主要对s i l x g e x 合金薄膜材料的某些重要特性加以讨论。 2 1 1s i g e 晶格结构与应力分析 晶格常数是半导体晶体的主要参数之一。s i 和g e 的单晶都是金刚石型立方晶 体结构，它们的晶格常数分别为0 5 4 n m 和0 5 7 r i m ，g e 的晶格常数比s i 大4 2 。 s i 和g e 能以任何的摩尔比率x 形成s i l x g e x 固溶体，称为驰豫s i l x g e ) 【或体s i l x g e x 。 s i g e 合金的晶格常数与其中g e 组分x 有关，其晶格常数理论上遵从v e g a r d 定则， 可用式( 2 1 ) 计算。 口( 岛。伪，) = 口( ) + 口( 函) 一q 厨) 】略) + o 2 0 0 3 2 6 ( x x 2 ) ：0 5 4 3l + 0 2 0 0 3 2 6 x + 0 0 2 3 2 x 2( 2 1 ) 其实际公式为： a ( l _ x g g x 、= 0 5 4 3 1 + 0 0 1 9 9 2 x + 0 0 0 0 2 7 3 3 x 2 ( 2 - 2 ) 前面所讲的，s i 衬底上s i l 嘱o e x 合金，在临界厚度内在s i i 囔g e x 层中存在压应 变，s i l x g e x 应变层受到生长平面内的双轴应力，其生长平面内的晶格常数a o ( x ) 可以用式( 2 1 ) 得出。而垂直于生长平面的晶格常数a 上( x ) 可用弹性理论得出： 小b 。g 卜鼎毪萨 协3 ， 式中a o ( x ) 为体s i l x g e ) 【的晶格常数，c l l 、e 1 2 为该材料的弹性常数。 材料的晶格常数的差别可用“晶格失配”来描述，g e s i 的失配率为4 1 7 ，则 s i l g e x s i 的失配率为： 厶胁础：a s _ i g e - - a g z ：4 1 7 x ( 2 - 4 ) 材料的热膨胀系数不同，因此温度是影响失配率主要因素。温度不同，失配 率不同。有些材料的晶格常温时失配小而高温失配大，当高温到低温冷却过快时， 许多错位就会冻结下来；对于相反的情况，出现相反的结果，即位错数目会再快 速冷却条件下减小，但在室温下材料中会产生很大的应力。但上述问题在工艺中 的影响并不大，因为s i g e s i 的失配率受温度影响不大。 在应变s i g e 材料中，应力也是非常重要的。外延层中应力。可以通过下列公式 得n - 第二章s i g e 材料物理属性分析7 仃= _ 2 矾删岩 ( 2 5 ) u l 其中1 ) 、e 是材料的泊松比和弹性模量。在应变s i s i l - x g e x 结构，失配应变要大，g e 的组分x 就得越大，这样应变硅锗层中的应力也就越大。 2 1 2 s i g e 能带结构 s i l 嚷g e x 是间接带隙半导体，其能带结构与g e 组分有关系，当0 x 0 8 5 时，s i l 。g e x 合金体的导带结构与 g e 相似。其禁带宽度e g 、价带结构也与g e 组分x 有关。 s i g e 能带结构的分析可以分为s i g e 的禁带宽度、价带结构和导带结构三个部 分。 1 禁带结构的分析 s i l 。g e x 合金的禁带宽度e g 处于s i 和g e 之间，也与应力的大小和组分x 有关。 s i l x g e x 合金的禁带宽度与g e 组分x 的关系如下【1 5 1 ： e g ( z ) = 1 1 2 - 0 7 4 x ( e v ) ( 2 6 ) 并且由于x 增加所引起的禁带宽度变窄的大小为： 没有应力时：丝，( 曲- 0 4 6 x ； 施加应力时：缸。( x ) = 0 9 2 x ； 在s i 衬底上生长薄s i l x g e x 层，在s i l x g e x 层中存在压应变，压应变引起的能 带结构改变如下： 一曙磊夏一句 u n s t r a i n e d 图2 2s i 衬底上生长s i l x g e x 能带改变的示意图 由图可知应变的存在将使禁带宽度减小。应变s i g e 材料的禁带宽度的表达式 为1 6 1 ： 乓( x ) = 1 1 2 0 9 6 x + 0 4 3 x 2 一o 1 7 x 3 ( 2 7 ) 由上可知，外延生长的s i g e 合金膜的& 不仅与应变的强度有关，还主要与 g e 的组分x 有关，这个可以在图2 3 中得到充分体现。因此可以通过改变g e 组分 或者应变的强度来自由调节s i g e 合金的e g ，这在能带工程中具有重要的意义。 8 s o is i g e 咖t 结构设计与研究 ) t - - 量圣 二云q 鲁心 罟i 重蚕 季警 c i j j g ep e r c e n t a g e ( ) 图2 3 s i g e 与s i 能带差e f - e 8 ( s i g e ) 一e g ( s i ) - 与g e 组分关系 在图2 3 中最上面的曲线为无应变s i g e 情况下测试结果【1 7 l ，其它都为弛豫s i 上应变s i g e 实验结果：l a n g t l 8 】，k i n g 1 9 1 。 由上面的分析可知，如果用s i g e 合金材料做基区，基区禁带宽度就可以减小， 并且g e 含量越大，禁带宽度越小。若将基区的g e 组分设置成缓变分布，则在基 区存在漂移电场。对于n p n 晶体管来说，此漂移电场会提高电子从发射区注入到 基区的效率，同时也增加电子在基区的运动速度，使减小电子在基区的渡越时间， 从而提高晶体管的性能即晶体管的工作频率、电流增益都得到大大提高。 2 价带与导带结构的分析 图2 4 应变引起的应变s i s i l 。g c 】【中的价带结构的变化 受压应力作用，s i g e 的价带结构发生变化。当施加应变时，损伤了晶体的对 称性，则使导带边和价带边的简并消失即导带底或价带顶的简并能带分裂。图2 4 是应变引起的s i g e 材料价带的变化。由图看出能带发生变化，空穴有效质量的各 第二章s i g e 材料物理属性分析9 向异性更加明显，重、轻空穴带也发生混合，重、轻空穴带也没有了原来的意义。 由于施加应变时，重、轻空穴带会发生分裂，并且应变越大，空穴越容易占据能 带的最顶部。一般情况下可以认为，双轴应变使得重空穴带上升，轻空穴带下降【2 0 l 。 另外能带分裂使自旋一轨道带能量降低，其带内和带间散射会减小，从而提高空穴 在面i 勾( i n p l a n e ) 的迁移率。 应变s i l x g e ) 【的导带也发生了改变。其导带底的能量，可以采用差值法得到， 下图为导带和价带随g e 组分的变化的情况【2 0 】。 图2 5 应变s i l - x g e x 的能带排列随g e 组分x 的变化的情况 在本文中是在s i 衬底上生长的应变s i l 。g e x 层，能量的突变出现在异质结界 面处。对于价带而言，s i 的价带顶总是低于应变s i l x g e 。的价带项，压应变时，轻 空穴态的能量比重空穴态的能量低，而二者能量都与g e 组分的变化时一致的，因 而价带顶能量的突变量丝矿也与g e 组分的变化一致。 a e v = 8 4 0 x ( m e v ) ( 2 8 ) 而对于导带，任意g e 组分，导带底四度简并态的能量变化不太大。因此在异 质结界面处产生的价带顶能量的突变量远大于导带底能量突变量，导带底能量图 变量可以忽略不计。 。 2 1 3 应变层临界厚度 在s i 衬底上生长s i l x g e x 层引入压应变，是通过s i 和s i g e 材料的晶格失配实 现的。应变层的应变能量随其厚度增大而增加，因此随着赝晶s i l 略g e x 应变层生长 厚度的增加，应变化学键的原子总数会增加，应变弹性能量的不断积累，当晶格 1 0s o is i g eh b t 结构设计与研究 形变不足以补偿这一能量时，会通过在某些点上的位错结核来释放应变能量恢复 它原有的立方晶格常数。因此s i g e 合金薄膜存在一个生长的极限厚度，即临界厚 度玩，当应变层厚度超过该临界厚度时，应变产生驰豫，产生失配位错。临界厚 度的表达式为【2 1 】： h c 审 志) 1 n 夸“】 ( 2 - 9 ) 式中b 为滑移距离，厂为失配系数，d 为泊松比。在实际s i g e 器件的制备中， s i g e 材料层的厚度不应超过该临界厚度。 同样，临界厚度与g e 组分x 也有关系，在应变s i l x g e x 中，g e 组分x 越大， 应变层的临界厚度也就越小。图2 6 即为临界厚度随g e 组分变化的示意图【捌： 图2 6s i t x o e x s i 外延层的临界厚度与组分x 的关系 在图2 6 中，当s i g e 层厚度小于临界厚度时，应变层的单晶质量很好，且具 有好的稳定性；当应变s i g e 层厚度增加但仍小于上面的曲线时，应变层是通过非 平衡生长过程实现的，此时它具有良好的单晶质量但稳定性不太好，即处于亚稳 态；当s i g e 厚度大于最上面的曲线时，s i g e 将不能实现好的单晶结构，在生长时 会发生弛豫，在薄膜中存在很大缺陷及失配位错。总之，应变s i l 喂g e x 层的临界厚 度随着g e 组分的增加而减小，并且与生长条件有关。 2 1 4 应变s i g e 其它特性参数 1 介电常数 s i l - x g c x 合金的介电常数通常认为是s i g e 的介电常数1 2 l 】，通过对硅和锗的介 电常数进行插值得到，它也随g e 组分x 线性变化，有： 第二章s i g e 材料物理属性分析 s ( x ) = 1 1 9 + 4 2 x ( 2 一l o ) 2 应变s i g e 中载流子复合 s i l x g e x 合金中的载流子复合对器件的直流特性具有非常重要的影响，这里主 要考虑s h o c k l c y r e a d h a l i ( s r h ) 复合，复合率可表示为f 2 l 】： g 一5 币鬲n 万i - 丽p n ( 2 - 1 1 ) 3 应变s i g e 中载流子的迁移率 载流子的迁移率主要与晶体的能带结构和载流子所受的散射有关。应变 s i l 嘱g e x 材料中，载流子的主要散射机构有电离杂质散射，晶格振动散射，中性杂 质散射，还有合金散射。因此应变s i l x g e x 材料中载流子的迁移率与温度、g e 组 分x 以及掺杂浓度有关。载流子的迁移率在g e 材料中比在s i 中的要高，但在 s i i x g e x 材料中，由于合金散射，载流子的迁移率将随g e 组分x 的增大而降低。 当g e 组分0 x 0 8 5 时，有效质量的主要作用，由于有效质量降低，电子的迁移率随x 的增大而增大。 4 s i g e 材料线膨胀系数 s i g e 材料的线膨胀系数和其介电常数一样可以通过线性内插法得到： = 2 4 4 ( 1 一z ) + 5 5 x x 1 0 曲k ( 2 1 2 ) 由式子看看出线膨胀系数随g e 组分的增大而增加，需要注意的是，曲线的斜 率会发生突变，而且次突变点刚好是s i g e 能带结构从类s i 到类g e 的过渡。 2 2s o i 技术 s o i 是s i l i c o n - o n i n s u l a t o r 的缩写，也就是绝缘衬底上的硅，是在顶层硅和衬 底之间引入绝缘层( 通常是s i 0 2 ) ，从而实现顶层器件与衬底的完全隔离。s o i 技术 是在蓝宝石上硅技术( s o s ) 的基础上发展而来的，早在1 9 5 3 年，s i m p s o n 和 m a n a s e v i t 就提出s o i 结构的设想，s o i 在器件上的实现是在1 9 7 0 年。用s o i 作 为衬底的器件与传统体硅器件，特别是c m o s 相比，具有高速、无闩锁、低功耗、 抗辐射和小型化等优点，因而无论在低功耗电路、低压、微机械传感器、耐高温 电路、光电集成方面，以及在卫星电子、航天电子和便携式电子产品方面得到广 泛应用 2 3 】。 通常根据绝缘体上s i 层的厚度以及外加电压可以将s o i 器件分为薄膜全耗尽 f d ( f u l l yd e p l e t e d ) 结构和厚膜部分耗尽( p a r t i a l l yd e p l e t e d ) 结构。下面以f e t 为例，图2 7 所示为两种结构的示意图。部分耗尽s o i 器件的顶层硅膜的厚度大于 1 2s o is i g eh b t 结构设计与研究 2 倍的硅膜表面达到强反型时的最大耗尽宽度。因此p ds o i 器件的靠近顶层硅和 靠近绝缘层的耗尽层没有重叠，中间存在着中性区，所以p d 工作特性和体硅相似 的。p ds o i 器件具有阈值电压大、制造工艺简单、驱动电流大、短沟道效应小等 优点，但其也存在一些缺点，即寄生效应和浮体效应，应用在功率m o s 方面：全 耗尽s o i 器件的顶层硅膜厚度要小于最大耗尽宽度，具有高跨导、低电场、开关 速度快、亚阈值斜率理想等优点，适合应用在大规模集成电路2 3 1 。 g a t e s o u f c e d r a i n s u b s t r a t c ( a ) p d( b ) f d 图2 7p ds o ln m o s f e t 和f ds 0 1n m o s f e t 剖面图 同样在s o is i g eh b t 中，也存在全耗尽和部分耗尽工作模式的区别。在顶层 硅厚度比较薄和集电区掺杂浓度低时，器件在任何集电结偏压下都处于全耗尽工 作模式；在顶层硅厚度和集电区掺杂浓度一般时，随着集电结偏压的增加，器件 会从部分耗尽工作模式向全耗尽工作模式转变；在顶层硅厚度和集电区掺杂浓度 一很大时，器件在任何偏压下都是处于部分耗尽工作模式。在全耗尽工作模式下， 器件有更好的电学性能。 在s o i 技术中，器件制作在项层的s i 层中，可以实现器件与衬底的隔离。因 此器件相对于体硅来说具有低功耗等众多优点。 s o i 器件与体硅相比器件优点如下： 1 减小寄生效应。在寄生效应在器件中会严重影响器件的性能。在传统的s i 器件中，由于器件和衬底的隔离，通常是通过p n 结反偏实现的，由于p n 结而存 在的电容会严重影响器件的性能，如工作速度低，功耗大。引入s o i 衬底后，衬 底和顶层器件之间实现了全隔离，寄生的p n 可以减小甚至消除。 2 速度快，功耗小。如上面所讲的，s o i 器件减小甚至消除衬底的p n 结效应， 并且破坏了纵向寄生的p n p 管，因此s 0 1 衬底的引入提高了器件的频率即工作速 度快。器件的功耗分为动态功耗和静态功耗，在s o i 器件中，动态功耗表达式为： 巴= c x f x 嘧，其中c 为电容，厂为工作频率，v d d 是电源电压，由于s o i 减小 了寄生电容效应，其动态功耗比较小；另一方面s o i 衬底引入了良好的隔离，从 而使漏电流变小，器件的静态功耗减小，因此s o i 器件的功耗小。 3 抗辐射能力强，可以减少软件误差。由于s o i 器件面积比较小，在一样的 第二章s i g e 材料物理属性分析 辐射剂量下，s o i 器件会产生比体硅器件少三个数量级的少数载流子。 4 集成度高。在s o i 器件中，埋氧层可以直接实现隔离，从而减少了s o i 所 占的面积，大大的提高了器件的集成度。在s o i 器件中为了提高芯片集成度还可 以将高、低压电路集成在一个芯片上。因此s o i 器件的集成度高，性价比高。 5 避免闩锁效应。闩锁效应是使体硅c m o s 电路失效的原因之一，其是由寄 生p n 结形成的p n p n ，即晶闸管效应。而在s o lc m o s 电路中，由于埋氧层的存 在破坏了p n p n 结构，因此可以消除闩锁效应。 6 制各工艺相对简单。s o i 的制各工艺与体硅是相兼容的，其可以在体硅工 艺线上实现，也不需要单独做隔离，虽然s o i 衬底的制作比较麻烦，但相对于体 硅来说，s o i 器件的制备工艺是比较简单。 7 s 0 1 提供很好的介质隔离。在体硅器件中常采用反偏p n 结隔离即j l o u n c t i o n i s o l a t i o n ) 技术，这容易在衬底中引入载流子，如果有器件吸收这些载流子，会引起 很严重的后果。s o i 衬底为电路提供了隔离，使器件可以单独进行设计从而方便了 电路和器件的设计；另一方面，s o i 也很大程度消除了体硅器件中j i 技术带来的 坏处。 特别是在s o is i g eh b t 结构中，埋氧层b o x 将项层制作器件的s i 薄层与衬 底材料实现了介质隔离，克服了体硅器件固有的寄生效应。同时，s o is i g eh b t 能使b i c m o s 工艺更好地在高速、高集成和高功率电路应用中发挥作用。在s o i 结构中，集电极衬底电容c c s 由c o x ( b o x 电容) 和c c s - s o j ( b o x 衬底电容) 串联而 成。因此，有效的电容c c s 将比同等条件下体s i g eh b t 中的c c s j x 。串联电容c o x 的存在也将导致电容c c b 降低。由于各个串联电容的改变，s o i 结构中衬底基极 电容c s b 较体s i g eh b t 有很大的降低。再者，s o i 结构中b o x 层的存在，消除 了集电极衬底形成的p n 结，集电极和衬底的电荷积累效应远小于体h b t 。因此， 通过加入b o x 层，即采用s o i 结构的s i g eh b t ，改变器件各部分的电容值，可 有效改善h b t 的频率特性。 2 3 本章小结 本章首先分析了s i s i g e 材料的基本特性，阐述了应力产生的原因。指出了s i g e 晶格的畸变必然会产生晶格失配，进而会影响外延层中应力。的大小；而由应变引 起的能带结构的变化会改变其有效质量，从而改变其载流子的迁移率并改变器件 的速度。对应变层临界厚度、介电常数和载流子复合率的介绍为后面器件结构的 设计提供了有效支持。然后分析了s o i 技术，并给出了s o i 在使用中的优点。最后 指出s o i 上s i 层是否全耗尽会对s o is i g eh b t 的工作性能产生重要影响，为详细分 析s o is i g eh b t 集电区奠定了基础。s i g e 技术和s o i 技术的分析为s o is i g e 器件的 1 4s o is i g eh b t 结构设计与研究 研究提供了有力的理论支持。 第三章s o is i g eh b t 性能分析与结构设计 1 5 第三章 s o is i g eh b t 性能分析与结构设计 以s o i 为衬底、以s i g e 为基区的异质结h b t ，具有体硅双极性晶体管无法比 拟的优点。而分析这些优点也必须了解其工作原理。并且s o is i g eh b t 结构设计 必须首先了解其工作原理，性能特点。本章首先分析s o is i g eh b t 的性能，并对 其结构参数进行了优化，重点分析了集电区折叠型s 0 1s i g eh b t ，为下一章对器 件电学参数的研究提供了理论依据。 3 1s o is i g eh b t 性能分析 常规的的s o is i g eh b t 的结构如下【2 4 】： n + p n + r e a c h n ( d e p l e t e d ) t h r o u g h s i n 十( s u b c o i l c 删 s u b s t r a t eo f s o i 图3 1s o l 垂直双极性晶体管结构 在图3 1 中，矿亚集电极相当于b j t 中的埋层用于降低集电极的电阻，盯穿 通区即集电极接触区，重掺杂是为了降低集电极接触电阻，n 耗尽