衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术公开了衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，包括单晶Si衬底及设置在单晶Si衬底上的基区、发射区及集电区，单晶Si衬底上有两个凹槽，两个凹槽内填充有N型重掺杂的Si1‑yGey材料形成集电区引出端，y为自然数且0<y<1。通过在衬底上设置两个向上施加单轴应力的集电区引出端，提高了SiGe HBT器件的高速和高频特性。此外，根据实际需要，此种SiGe HBT器件结构可以灵活的选择衬底的晶面和晶向来施加单轴应力，为高频SiGe HBT的设计提供更大的自由度。

【技术实现步骤摘要】
衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管及其制造方法
本专利技术涉及半导体集成电路
，尤其涉及衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管及其制造方法。
技术介绍
SiGe(Silicon-Germanium，硅锗合金)HBT(HeterojunctionBipolarTransistor，异质结双极晶体管)是将SiBJT(BipolarJunctionTransistor，双极结型晶体管)的基区加入了少量的Ge组分。基区采用SiGe材料，显著的提高了器件性能，使得SiGeHBT目前成为微波、射频以及超高频应用中的通用半导体器件。超高频半导体器件的两个关键指标是截止频率fT和最高振荡频率fmax。在成熟的硅工艺基础上开发出来的基于SiGe工艺的异质结双极晶体管利用了能带工程的优势，从根本上解决了提高放大倍数与提高频率特性之间的矛盾，由于SiGeHBT与成熟的硅工艺完全兼容，使得SiGeHBT的fT和fmax可以与III-V族化合物HBT接近甚至可以相比拟。硅基应变技术可以有效的提高晶体管的迁移率，从而提高器件的性能，目前已成为高速/高性能半导体器件和集成电路重要的研究领域和发展方向。硅基小尺寸SiGeHBT在0.3-1THz频段内具有比较优异的性能，并且与硅基CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺完全兼容，因此，申请人从工艺技术的角度考虑，提出了一种引入单轴应力的SiGeHBT器件及其制造方法，通过在衬底上设置两个向上施加单轴应力的集电区引出端，提高了SiGeHBT器件的高速和高频特性。此外，根据实际需要，此种SiGeHBT器件结构可以灵活的选择衬底的晶面和晶向来施加单轴应力，为高频SiGeHBT的设计提供更大的自由度。
技术实现思路
本专利技术提出了一种衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，通过在衬底上设置两个向上施加单轴应力的集电区引出端，提高了SiGeHBT器件的高速和高频特性。此外，根据实际需要，此种SiGeHBT器件结构可以灵活的选择衬底的晶面和晶向来施加单轴应力，为高频SiGeHBT的设计提供更大的自由度。本专利技术采用了如下的技术方案：衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，包括单晶Si衬底及设置在所述单晶Si衬底上的基区、发射区及集电区，所述单晶Si衬底上有两个凹槽，所述两个凹槽内填充有N型重掺杂的Si1-yGey材料形成集电区引出端，y为自然数且0&lt;y&lt;1。上述方案中，集电区的Si1-yGey材料，由于和基区、发射区和集电区的材料的晶格存在差异，从而使集电区引出端相对于上方的基区、发射区和集电区各层产生了一个向上的单轴应力，从而在集电区、基区和发射区同时引入了应变，其中，在集电区及发射区引入了单轴应变。根据半导体器件物理理论，SiGeHBT的截止频率fT可写为：其中gm为跨导，τB为基区结渡越时间，τBC为BC结渡越时间，τE为发射极渡越时间，CEB为BE结电容，CBC为BC结电容。以发射区为例，对SiGeHBT来说，还可写为：K为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子电量，DpE为发射区的空穴扩散系数,SpE为发射区的空穴复合速度，这与工艺和其他外界因素有关；WE为发射区宽度，一般的HBT发射区宽度远远小于空穴的扩散长度；β是共发射极放大倍数，SiGeHBT的β一般都很大；而μpE为发射区的空穴扩散系数，这在一般的HBT中基本为一常数，但如果发射区采用应变的晶体Si层，在发射区内就会提高空穴的迁移率,增大了DpE，减小了发射极延迟时间τE，从而增大了截止频率fT。fT与fMAX的关系为RB为基区电阻。由此可见，应力作用于发射区和集电区，可同时提高fT和fmax，增强硅锗异质结双极晶体管的高频性能。且与未施加应力的现有技术相比，施加应力后，可选择合适衬底的晶面和晶向来施加单轴应力，可以为高频SiGeHBT的设计提供更大的自由度。优选地，所述单晶Si衬底上有一层浅沟槽隔离形成的氧化物，所述氧化物上有与所述集电区引出端相连通的集电极引线通孔，所述集电极引线通孔内及所述氧化物上方有作为集电极导线层的第一金属层，所述集电极导线层及未被所述集电极导线层覆盖的所述氧化物的上有一层绝缘的隔离层，所述隔离层上设置有与所述单晶Si衬底相连通的所述基区的有源区，所述基区为所述有源区内由下至上的第一本征Si1-xGex阻挡层、P型重掺杂Si1-xGex层及第二本征Si1-xGex阻挡层，x为自然数且0&lt;x&lt;1，x≠y。在现有的硅锗异质结双极晶体管中，基区具有双轴应变，因受到本专利技术中集电区引出端的单轴应力，从而在基区形成了复合应变，进一步增强了硅锗异质结双极晶体管的高频性能。优选地，所述第二本征Si1-xGex层表面有一层单晶Si层。晶体Si层采用单晶Si层，可作为盖帽层，与采用普通硅相比，其厚度大大减小，有利于硅锗异质结双极晶体管的小型化。优选地，所述单晶Si衬底为001晶面的N型轻掺杂单晶Si衬底。N型轻掺杂有利于提高集电结的击穿电压，001晶面为目前硅基集成电路制造工艺中的首选晶面。优选地，所述第一金属层为铝或钨。根据实际需要，第一金属层可采用铝或者钨。优选地，所述隔离层为SiO2。隔离层可采用SiO2或氮化硅，但通常优选SiO2。SiO2为目前硅基集成电路制造工艺中的首选隔离介质，其工艺成本低于氮化硅。衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管的制造方法，本方法用于制造上述的衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，包括如下步骤：在单晶Si衬底上刻蚀出两个凹槽，在所述两个凹槽内淀积填充N型重掺杂的Si1-yGey形成集电区引出端，y为自然数且0&lt;y&lt;1。上述方案中，集电区的Si1-yGey材料，由于和基区、发射区和集电区的材料的晶格存在差异，从而使集电区引出端相对于上方的基区、发射区和集电区各层产生了一个向上的单轴应力，从而在集电区、基区和发射区同时引入了应变，其中，在集电区及发射区引入了单轴应变。根据半导体器件物理理论，SiGeHBT的截止频率fT可写为：其中gm为跨导，τB为基区结渡越时间，τBC为BC结渡越时间，τE为发射极渡越时间，CEB为BE结电容，CBC为BC结电容。以发射区为例，对SiGeHBT来说，还可写为：K为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子电量，DpE为发射区的空穴扩散系数,SpE为发射区的空穴复合速度，这与工艺和其他外界因素有关；WE为发射区宽度，一般的HBT发射区宽度远远小于空穴的扩散长度；β是共发射极放大倍数，SiGeHBT的β一般都很大；而μpE为发射区的空穴扩散系数，这在一般的HBT中基本为一常数，但如果发射区采用应变的晶体Si层，在发射区内就会提高空穴的迁移率,增大了DpE，减小了发射极延迟时间τE，从而增大了截止频率fT。fT与fMAX的关系为RB为基区电阻。由此可见，应力作用于发射区和集电区，可同时提高fT和fmax，增强硅锗异质结双极晶体管的高频性能。且与未施加应力的现有技术相比，施加应力后，可选择合适衬底的晶面和晶向来施加单轴应力，可以为高频SiGeHBT的设计提供更大的自由度。优选地，在所述衬底施加单轴应力的硅锗异质结本文档来自技高网...

【技术保护点】
衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，包括单晶Si衬底(100)及设置在所述单晶Si衬底(100)上的基区、发射区及集电区，其特征在于，所述单晶Si衬底(100)上有两个凹槽，所述两个凹槽内填充有N型重掺杂的Si1‑yGey材料形成集电区引出端(101)，y为自然数且0<y<1。

【技术特征摘要】
1.衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，包括单晶Si衬底(100)及设置在所述单晶Si衬底(100)上的基区、发射区及集电区，其特征在于，所述单晶Si衬底(100)上有两个凹槽，所述两个凹槽内填充有N型重掺杂的Si1-yGey材料形成集电区引出端(101)，y为自然数且0&lt;y&lt;1。2.如权利要求1所述的衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，所述单晶Si衬底(100)上有一层浅沟槽隔离形成的氧化物(102)，所述氧化物(102)上有与所述集电区引出端(101)相连通的集电极引线通孔，所述集电极引线通孔内及所述氧化物(102)上方有作为集电极导线层(104)的第一金属层，所述集电极导线层(104)及未被所述集电极导线层(104)覆盖的所述氧化物(102)的上有一层绝缘的隔离层(105)，所述隔离层(105)上设置有与所述单晶Si衬底(100)相连通的所述基区的有源区，所述基区为所述有源区内由下至上的第一本征Si1-xGex阻挡层(106)、P型重掺杂Si1-xGex层(107)及第二本征Si1-xGex阻挡层(108)，x为自然数且0&lt;x&lt;1，x≠y。3.如权利要求2所述的衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，所述第二本征Si1-xGex层(108)表面有一层单晶Si层。4.如权利要求1所述的衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，所述单晶Si衬底(100)为001晶面的N型轻掺杂单晶Si衬底(100)。5.如权利要求1所述的衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，所述第一金属层为铝或钨。6.如权利要求1所述的衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，其特征在于，所述隔离层(105)为SiO2。7.衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管的制造方法，其特征在于，本方法用于制造如权利要求1所述的衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，包括如下步骤：在单晶Si衬底(100)上刻蚀出两个凹槽，在所述两个凹槽内淀积填充N型重掺杂的Si1-yGey形成集电区引出端(101)，y为自然数且0&lt;y&lt;1。8.如权利要求7所述的衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管的制造方法，其特征在于，在所述衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管中，所述单晶Si衬底(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：王冠宇，于明道，苗乃丹，周春宇，宋琦，王巍，袁军，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50