双极型器件制造技术

一种增加双极型器件内的电荷载流子迁移率的方法，包括以下步骤：在该器件中产生压缩应变，以增加该器件的固有基极中的空穴迁移率；在该器件中产生拉伸应变，以增加该器件的固有基极中的电子迁移率。通过靠近该器件的固有基极形成应力层来产生该压缩应变和拉伸应变。该应力层临近该器件的发射极结构、至少部分地埋入在该器件的基极层中。该应力层具有与该固有基极不同的晶格常数。另外公开了方法与装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体器件制造，更具体地，是涉及用于提高双极型器件的性能的技术。
技术介绍
双极型器件是一种半导体器件，其工作是以同时使用多数载流子和少数载流子(也称作“电荷载流子”)为基础。多数载流子和少数载流子根据器件的极性或者是电子或者是空穴。一种双极型器件的例子是双极结晶体管(BJT)，其是具有称作发射极、基极和集电极的三个半导体区的晶体管。发射极是具有非常高的导电率的区域，用作被注入到临近的基极的自由载流子的源。集电极是收集来自基极的载流子的区域。基极区夹在发射区与集电区之间，通常控制发射极与集电极之间的自由载流子的流动。与从发射极流到集电极的载流子极性相反的较小的载流子流从基极流到发射极。传统的BJT是使用一种具有不同掺杂区的半导体材料(Si)来制造的。异质结双极型晶体管(HBT)使用多于一种的半导体材料(利用不同材料的不同特性如带隙)，例如与Si组合的SiGe。其它的材料(除了Si以外)通常使用MBE(分子束外延)、RTCVD(快速热化学气相淀积)或LPCVD(低温化学气相淀积)技术而作为外延层形成。双极型晶体管包括含有第一导电类型的杂质的发射极层(或区)、含有第二导电类型的杂质的基极层(或区)、以及含有第一导电类型的杂质的集电极层(或区)。双极型晶体管通常有两种不同的类型或极性——npn(具有n型发射极和集电极以及p型基极)或者pnp(具有p型发射极和集电极以及n型基极)。“类型”(p或n)由外延期间注入或淀积到半导体材料中的杂质而定。用于p型的杂质是硼(B)，用于n型的杂质是磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。对于npn型双极型晶体管，从发射极注入的自由载流子是电子，从基极流到发射极的载流子是空穴。对于pnp型双极型晶体管，载流子类型相反。通常，将电子而不是空穴称作多数电荷载流子，因为载流子迁移率(μ)μn＞μp，饱和速度(V)Vn＞Vp。因此，在可能的情况下n型双极型器件通常是优选的。图1一般性地示出了现有技术的npn型BJT，其包括中性的发射极、中性的集电极和设置在中性发射极与中性集电极之间的中性的基极，示出了电子经由基极从中性的发射极到中性的集电极的通路，并且示出了空穴从中性的基极到中性的发射极的通路。发射极基极空间电荷层(区)形成在中性的发射极与中性的基极之间。基极集电极空间电荷层(区)形成在中性的基极与中性的集电极之间。(对于pnp极性BJT，空穴在中性的发射极与中性的集电极之间移动，电子在中性的基极与中性的发射极之间移动。)已知晶格应力影响载流子迁移率和饱和速度。已经显示了各种在场效应晶体管(FET)中导致应力的方法。例如，在电流方向中(有时在垂直于电流方向的方向上)产生张应力的薄膜能够提高FET中的电子迁移率和饱和速度。应当理解，FET工作的基本原理不同于BJT。首先，只在一个方向上有电荷流，其平行于晶片表面。此外，FET具有单一的载流子(对于N型FET为电子，对于P型FET为空穴)，晶格应力的应用直向的，以便主要在单一载流子类型的一个方向上产生应力。能够在下面的论文中发现在FET中采用应力技术的一些例子T.Ghani等人的“A 90nm High Volume Manufacturing LogicTechnology Featuring Novel 45nm Gate Length Strained SiliconCMOS Transistors”，英特尔公司Portland Technology Development，希尔巴罗(Hillsboro)，俄勒冈州，在2003年3月3日的IEEE+(0-7803-7873)中公开了应变晶体管结构的细节，该晶体管结合了300mm晶片上的90nm逻辑技术。该应变PMOS晶体管结构的特征在于外延生长的埋入在源极区的应变SiGe薄膜。报道了其相对于未应变器件的显著的性能提升。其附图1显示了具有应变外延SiGe薄膜的PMOS晶体管，该外延SiGe薄膜埋入在源极区以在沟道区中产生压缩应变。K.Rim等人的“Enhanced Hole Mobilities in Surface-channelStrained-Si p-MOSFETs”，固体电子实验室(Solid State ElectricsLaboratory)，斯坦福大学(Stanford University)，斯坦福，加利福尼亚州94305，1995年(c)的IEEE(0-7803-2700-4)中公开了在采用伪晶应变硅层的应变表面沟道p-MOSFETs中空穴迁移率的应变依赖性。观察到了当Ge含量在弛豫Si1-xGex缓冲层中增加时，空穴迁移率的增加随着应变而线性增加。K.Rim等人的“Fabrication and Mobility Characteristics ofUltra-thin Strained Si Directly on Insulator(SSDOI)MOSFETs”，T·J·沃森研究中心(T.J.Watson Research Center)，YorktownHeights，纽约10598，IEEE(0-7803-78733/03)中公开了转移拉伸应变硅层，以直接在绝缘体(SSDOI)结构上形成超薄(小于20nm)应变硅。制造MOSFET，根据直接在绝缘体结构上的应变硅证明了电子和空穴迁移率的增加，该绝缘结构在应变硅沟道下没有SiGe层。
技术实现思路
电路可从增加晶体管的性能而获益。如上所述，应变的硅晶格可增强MOSFET器件的性能，由此提高这些器件中低场载流子迁移率以及驱动电流。然而，根据专利技术人的了解，外部应变没有被引入到双极型器件用于增强性能。其中，迄今为止许多方法说明了将应变引入MOSFET器件，但是用于双极型器件的领域仍然未被开发。双极型器件(BJT)性能部分地受到载流子通过空间电荷区和通过中性基极的穿越时间的限制。低的场迁移率和饱和速度将有益于此穿越时间。性能也受到基极区、发射区和集电区中非固有电阻的限制。这些电阻值由低的场电子和空穴迁移率来控制，并且受到器件中应变的影响。压缩应变将有益于空穴迁移率，拉伸应变将有益于电子迁移率。施加在器件中适当位置的应变将明显提高性能。参照图1，npn型晶体管的性能可从提高空穴在横向中的迁移率以及提高电子在垂直方向中的迁移率而获益。在相反极性的情况下，pnp型晶体管的性能可从提高电子在横向中的迁移率以及提高空穴在垂直方向中的迁移率而获益。按照本专利技术，对于npn型双极型器件，通常通过产生垂直拉伸应变来提高垂直向中的电子迁移率，通过产生横向压缩应变来提高横向中的空穴迁移率。对于pnp型双极型器件，通常通过产生垂直压缩应变来提高垂直向中的空穴迁移率，通过产生横向拉伸应变来提高横向中的电子迁移率。按照本专利技术，对于npn型双极型器件，拉伸应变在电子流的方向(图中垂直向)上施加在器件的固有部分(包括发射极、基极和集电极)，压缩应变施加在空穴流的方向(图中横向)，因为空穴流主要在基极层中的该方向上，所以通过压缩应变提高空穴迁移率能明显影响基极端的电阻。按照本专利技术，对于npn和pnp型BJT，通常形成一种结构，其中通过形成在基极层上、临近固有基极(在发射极的任一侧上)的应力层在该器件的固有基极(发射极底下)中产生拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极型器件，包括：　　　　集电区；　　　　设置在所述集电区顶上的基极层；　　　　形成在所述基极层顶上的发射极结构；以及　　　　临近所述发射极结构设置的且至少部分地埋入在所述基极层中的应力层。

【技术特征摘要】
US 2004-9-1 10/931,6601.一种双极型器件，包括集电区；设置在所述集电区顶上的基极层；形成在所述基极层顶上的发射极结构；以及临近所述发射极结构设置的且至少部分地埋入在所述基极层中的应力层。2.如权利要求1所述的双极型器件，其中以靠近形成在该器件的基极层中的固有基极的方式设置所述应力层。3.如权利要求2所述的双极型器件，其中对于npn型双极型器件，所述应力层的晶格常数大于固有基极的晶格常数；对于pnp型双极型器件，所述应力层的晶格常数小于固有基极的晶格常数。4.如权利要求2所述的双极型器件，其中对于npn型双极型器件，所述应力层在所述固有基极中产生垂直拉伸应变，以增加所述固有基极中的电子迁移率，并在所述固有基极中产生水平压缩应变，以增加所述固有基极中的空穴迁移率；以及对于pnp型双极型器件，所述应力层在所述固有基极中产生垂直压缩应变，以增加所述固有基极中的空穴迁移率，并在所述固有基极中产生水平拉伸应变，以增加所述固有基极中的电子迁移率。5.如权利要求2所述的双极型器件，其中所述固有基极包括硅，所述应力层包括选自于硅锗或碳化硅的材料。6.如权利要求2所述的双极型器件，其中所述固有基极包括硅锗(SiGe)，所述应力层包括选自于具有不同Ge含量的SiGe、硅或碳化硅的材料。7.一种双极型器件，包括用于在该器件中产生压缩应变以增加该器件固有基极中的空穴迁移率的装置；以及用于在该器件中产生拉伸应变以增加该器件固有基极中的电子迁移率的装置。8.如权利要求7所述的双极型器件，其中用于产生压缩和拉伸应变的装置是靠近所述固有基极设置的应力层。9.如权利要求7所述的双极型器件，其中所述固有基极包括硅，所述应力层包括选自于硅锗和碳化硅的材料，对于npn型双...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜雷塞蒂齐达姆巴劳，格里高里G弗里曼，马尔汉H克哈特尔，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]