用于HBT的鍺硅外延工藝優(yōu)化.pdf

1、以SiGe作為BiCMOS基區(qū)的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)技術(shù)現(xiàn)在逐漸變成了很多新產(chǎn)品應(yīng)用的重要技術(shù)，而且SiGeHBT已經(jīng)融入了很多針對(duì)通訊產(chǎn)品的半導(dǎo)體公司的技術(shù)發(fā)展方向。但由于器件的需要，作為基區(qū)的SiGe外延生長(zhǎng)必須在較低溫度下進(jìn)行，這導(dǎo)致其相對(duì)于常規(guī)的高溫外延工藝較難控制，因此深入的研究和優(yōu)化用于HBT的鍺硅外延工藝就顯得非常重要。 本工作首先對(duì)表征SiGe外延材料特性的多種儀器進(jìn)行了比較，通過(guò)比較得出，利用橢偏儀表征

2、SiGe膜厚較準(zhǔn)確，用XRD表征鍺組分較準(zhǔn)確，同時(shí)利用四探針表征方塊電阻以及利用表面顆粒測(cè)試儀和目檢表征SiGe缺陷較為方便和經(jīng)濟(jì)。 隨后通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合，在不同的工藝參數(shù)的條件下(包括不同的壓力、溫度、氫氣流量、硅烷和鍺烷流量)生長(zhǎng)鍺硅。通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，對(duì)所得到的單一組分的鍺硅工藝的各種性質(zhì)(包括膜厚、組分、結(jié)晶質(zhì)量、顆粒以及方塊電阻)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，并從實(shí)驗(yàn)中得出： (1)硅覆蓋層和鍺硅的厚

3、度與壓力變化幾乎無(wú)關(guān)，與下層反應(yīng)的Gert4流量無(wú)關(guān)，受Sill4流量影響較小。但當(dāng)氫氣的流量上升，膜厚顯著下降，而當(dāng)溫度上升，膜厚則顯著上升。鍺硅層也有相同的響應(yīng)。這是因?yàn)樵诘蜏仡I(lǐng)域淀積速率不受氣體傳輸所影響。鍺硅的反應(yīng)活化能比硅的略高，說(shuō)明在生長(zhǎng)SiGe時(shí)還需要更多的能量來(lái)分解Gert4。 (2)而鍺硅中的鍺組分隨壓力和氫氣增加只有輕微的上升，而當(dāng)Sill4上升時(shí)下降，當(dāng)GeH4上升時(shí)上升。同時(shí)Ge％與Gert4／(SiH4

4、+GeH4)為線性關(guān)系，而且當(dāng)溫度上升時(shí)，Ge％下降，這可能是因?yàn)镾iH4生成的活性基團(tuán)與硅片表面的結(jié)合力比起GeH4生成的活性基團(tuán)與硅片表面的結(jié)合力強(qiáng)，當(dāng)溫度上升時(shí)這種差異明顯加大，更多的SiH4生成的活性基團(tuán)與硅片表面的結(jié)合，而GeH4生成的活性基團(tuán)與硅片表面的結(jié)合比低溫時(shí)更少了，從而使得Ge的組分隨溫度上升而減少。同時(shí)，Ge％與GeH4／(SiH4+GeH4)的關(guān)系曲線的斜率隨著溫度上升而變緩，這也可能是因?yàn)镾iH4生成的活性基團(tuán)

5、與硅片表面的結(jié)合力比GeH4生成的活性基團(tuán)與硅片表面的結(jié)合力強(qiáng)，隨著溫度的上升GeH4生成的活性基團(tuán)與硅片表面的結(jié)合變得更弱，從而使得當(dāng)增加溫度時(shí)，鍺組分隨著Gert4增加的速度變慢。Ge％／(1．Ge％)與GeH4／Sill4也為線性關(guān)系。 (3)當(dāng)溫度升高時(shí)淀積速率上升，當(dāng)Ge／I-12比率上升時(shí)，淀積速率也隨之線性上升，但當(dāng)Ge／H2增加至一定程度的時(shí)候，鍺硅的淀積速率上升也趨于緩和。這是因?yàn)椋S著Ge／H2比率上升，更多

6、的鍺被表面吸附使得淀積速率上升，但當(dāng)繼續(xù)增加的時(shí)候，因?yàn)镾iH4生成的活性基團(tuán)與硅片表面的結(jié)合力比起GeH4生成的活性基團(tuán)與硅片表面的結(jié)合力強(qiáng)，并不是所有的GeH4生成的活性基團(tuán)能被表面吸附，從而使得淀積速率上升速度趨于緩和。 (4)對(duì)于鍺硅的半高寬來(lái)說(shuō)一般要求越窄愈好，而半高寬受氫氣流量影響最大。 (5)方塊電阻與壓力、SiH4、GeH4流量幾乎無(wú)關(guān)，當(dāng)氫氣流量上升時(shí)方塊電阻劇烈上升，而當(dāng)溫度下降時(shí)，方塊電阻緩慢下降。

7、硅覆蓋層中的硼摻雜量隨著溫度上升而下降，可能是因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)表面會(huì)有更多的通過(guò)SiH4、GeH4、H2分解出的H吸附，增強(qiáng)了2BH3'-->B'+3H'的逆反應(yīng)，使得生成摻雜的硼變少，從而影響了硅覆蓋層中的硼摻雜量。另外，當(dāng)B2H6／I-12上升時(shí)電阻率下降，也就是說(shuō)B2H6／H2上升時(shí)，更多的B2H6被分解成硼摻入硅中。 (6)表面顆粒受氫氣流量的影響最大。當(dāng)氫氣增加時(shí)有利于減少表面的顆粒。因?yàn)楫?dāng)氫氣的流量增加時(shí)，硅烷和鍺烷的

8、分壓下降，分壓下降有利于更完美的結(jié)晶生長(zhǎng)。 基于單一組分鍺硅工藝的優(yōu)化工藝參數(shù)(溫度、壓力、流量)，在制品上采用了漸變Ge組分同時(shí)硼濃度變化的鍺硅工藝。表面到硼峰值濃度的距離為200A，在靠近EB處的硼的濃度為3E18atom／cm3，而硼峰值濃度為3E19atom／cm3，鍺的組分分布為梯形分布，在CB端組分從0％逐漸變化為12％，這段區(qū)域大約為300A，然后在500A的范圍內(nèi)保持Ge％的組分為12％，然后逐漸變化為3％，最終

9、迅速變化為0％。各鍺組分變化片斷之間沒(méi)有明顯的突變性的差別，都是連續(xù)性變化。 在0．35um的BiCMOS工藝中使用SiGe作為基區(qū)，形成異質(zhì)結(jié)。同時(shí)將SiGe中的硼濃度做了±10％的分組實(shí)驗(yàn)，并選取了電流增益β、VSE和擊穿電壓BVcEo、BVcso、BVEBo進(jìn)行了分析，從中可以得出： (1)通過(guò)SiGe的工藝在各測(cè)試圖形中都達(dá)到60左右的電流增益，且各腔的工藝都較穩(wěn)定。 (2)VBE在120uA下可以穩(wěn)定在