sigesi异质结双极级海洋平台管的研制

sigesi异质结双极级海洋平台管的研制

0sige材料外延方法1957年，h.kromer提出，在宽范围内的勘探区，狭窄范围内的异质结晶管可能大大改善了晶体的特性。从这一理论的角度来看，sige技术成为si领域的研究热点。目前,SiGe材料的外延方法主要分为全片外延、差分外延和选择性外延。针对不同外延手段,SiGeHBT制造又分为台面结构制作方法和平面结构制作方法。与平面结构制作方法相比,台面结构制作方法简单,工艺步骤少,能快速检验材料质量,但制作的器件受发射区条宽限制,频率偏低。本文根据现有工艺条件,对台面结构SiGeHBT制作过程中的SiGe材料外延生长、发射区台面腐蚀、多晶硅n型杂质掺杂及退火、金属硅化物制作等关键工艺进行了探究,掌握了工艺控制方法。1器件结构参数对区端面制件的影响图1给出了多晶硅发射极SiGeHBT器件结构,主要工艺过程参考图2。在整个工艺流程中,发射区台面制作直接影响到发射区条宽与外基区表面状况,如果腐蚀不好会引起结漏电,多晶硅n型离子掺杂及退火工艺影响发射区杂质掺杂分布,进而影响器件直流特性,不同金属硅化物会导致接触电阻不同,影响器件射频特性,因此,掌握以上工艺控制方法对成功研制性能优良的SiGeHBT器件具有重要意义。2硅发射场的硅技术2.1外延工艺和工艺针对多晶硅发射极台面SiGeHBT器件结构,采用低压化学气相淀积全片外延SiGe基区。其反应源为SiH4和GeH4,掺杂源为B2H6,生长温度为660℃左右,工作压力为66.5～133Pa。外延工艺包括清洗和淀积两步。清洗包括入炉前清洗和入炉后原位清洁,入炉前清洗是为了去除沾污和自然氧化层,入炉后原位清洁是在H2中进行高温热处理,充分去除自然氧化层,之后完成淀积过程。将外延片进行XRD分析,分析图像如图3所示,从图3中可以看出Si峰谱线平滑,Si峰尖且半峰宽窄,表明Si外延材料晶格完整性很好,SiGe峰强度较大,半宽峰也相当窄,同时在Si峰与SiGe峰之间可以看到清晰的布拉格(Pendelossung)条纹,说明SiGe薄膜与Si接触面平直陡峭,外延薄膜质量高,处于完全应变状态。2.2带密封体系的koh/异丙醇同丙醇共聚反应sige的腐蚀在Si/SiGe/Si异质结结构中,为了减小基区渡越时间,基区非常薄,只有几十纳米。如果采用干法刻蚀极易损伤外基区表面,因此在SiGe发射区台面制作过程中选择KOH质量为6g、异丙醇体积为5mL、水体积为20mL的比例配制的腐蚀液,采用SiO2作掩蔽膜,在35℃,100W超声条件下进行湿法腐蚀,具体工艺细节参考文献。腐蚀结果如图4所示。从图中可以看到发射区台面侧壁陡直光亮,没有钻蚀,但截面出现一定角度,这是KOH对不同晶向Si腐蚀速率不同所致。2.3si层残余分子磷注入条件的确定在多晶硅发射极台面SiGeHBT结构中,在薄发射区与金属电极之间增加一层掺杂多晶硅来制作多晶硅发射极,根据界面类氧化层隧道理论模型,多晶硅与单晶硅界面间存在一层类氧化层,该层对空穴构成的势垒比对电子构成的势垒大得多,空穴在该类氧化层界面隧穿概率较小,基极电流减小,使得电流增益得以提高。多晶硅发射区掺杂磷与掺砷相比,其扩散速率与硼更接近。另外与相当数量的砷掺杂多晶硅相比,磷掺杂多晶硅方块电阻减小了35%,因此,选择多晶硅注入磷,退火后杂质迅速填满多晶硅,并以掺杂多晶硅为源向下面本征Si层扩散形成发射区。关于多晶硅注入条件的选择,由于SiGeHBT采用能带工程使得基区可以高掺杂,一般杂质浓度为1019～1020cm-3,为避免EB结两侧高掺杂引起结漏电,发射区杂质浓度确定为1018～1019cm-3,当杂质的注入能量、剂量过高时,注入产生的损伤较大,缺陷增多,复合电流变大,器件的直流增益减小,而杂质的注入能量、剂量太低,又将导致发射区不能提供足够的电子,使得EB结击穿电压低。为确定合适的注入条件,本文采用Tsuprem4工艺仿真软件对三种注入条件进行仿真,仿真结果如图5所示。由图5得出,在发射区Si层厚度40nm、多晶硅厚度200nm条件下,注入能量为60keV,剂量为1×1016cm-2时,可达到设计要求。在注入能量60keV、剂量5×1015cm-2条件下,发射区掺杂浓度(N)仅为1×1017cm-3。而当注入能量为70keV、剂量为1×1016cm-2时,发射区掺杂浓度达1×1019cm-3,与基区掺杂浓度相当。除此之外,值得注意的是SiGe层对高温过程敏感,易于发生弛豫,采用快速退火工艺缩短高温热处理过程,退火条件为850℃,20s。2.4sigehbt制作工艺在SiGeHBT制作过程中,由于SiGe层存在应力,限制了工艺过程的热处理温度,使得注入离子的激活受到影响,导致欧姆接触电阻较大,影响器件频率特性。为解决上述问题,金属硅化物工艺成为必选方案。关于SiGeHBT制作过程中的金属硅化物工艺目前已有较多报道,文献报道了平面结构SiGeHBT研制过程中采用钴硅化物制作工艺,使得电阻减小为原来的1/20左右,器件特性明显改善,文献对单台面单多晶结构SiGeHBT研制过程中的钛硅化物制作工艺进行了深入研究。研究结果表明,制作TiSi2的SiGeHBT多晶硅发射极电阻、外基区电阻、发射极与基极的欧姆接触电阻均有很大程度的下降,有效改善了器件的噪声特性与增益。在样品制作过程中,由于外基区厚度非常薄,制作金属硅化物需要选择消耗硅较少的金属,钴硅化物消耗钴硅比例为1∶3.59,钛硅化物消耗钛硅比例为1∶2.2,而铂硅化物消耗铂硅比例仅为1∶1.3,因此结合工艺条件确定采用磁控溅射Pt薄膜,高温合金,选择性腐蚀掉未与硅反应的铂,形成铂硅化物作为欧姆接触层,采用以金为主体的多层难熔金属结构作电极,金属结构如图6所示。3欧姆接触、电压和电流在线测试采用图2给出的工艺流程完成了多晶硅发射极台面8指SiGeHBT制作,室温下器件特性测试结果见表1。从表1中看到25mA下发射结正向导通电压VBEF只有0.85V,与文献给出的1mA下发射结正向导通电压0.92V相比更低,说明该器件欧姆接触制作良好。图7给出了I-V特性曲线图,测量过程中电压Vce设置为每格0.5V,电流Ic每格5mA,Ib每格0.1mA,从图7中可以看出在Vce=3V,Ic=30mA时,β为70,且在Vce=3V时,β随Ic变化不大。除此之外,从图中还可以看出器件饱和压降小,也说明该器件欧姆接触制作良好,这得益于做PtSi的缘故。截止频率fT采用HP8510网络测试仪对器件进行S参数在线测试,得到fT随Ic变化曲线如图8所示,从图中得到截止频率最高为11.2GHz,电流较小时fT较小,这是由于发射极延迟时间较长造成的,而电流较大时由于基区扩展效应导致fT下降。以上制作的SiGeHBT频率特性还有很大的提升空间,国际上已经研制出特征频率达上百吉赫兹的SiGeHBT样品,除了工艺水平提高外,结构及参数的优化频率特性的提高也非常重要。如采用选择性外延平面结构、减小发射极条宽、降低发射极电容以及采用超薄基区与基区组分和掺杂渐变分布形成自建场加速电子基区渡越,都能在很大程度上提高fT。4内压电极nhb的制作采用多晶硅发射极、LPCVDSiGe外延、发射区台面自中止腐蚀、多晶硅磷掺杂及退火、铂硅金属硅化物制作工艺完成了多晶硅发射极台面SiGeHBT的制作,常温下测得β为70,25m