气源分子束外延生长锗硅异质结双极晶体管材料掺杂方法技术

一种气源分子束外延生长锗硅异质结双极晶体管材料掺杂方法，其是用乙硼烷：磷烷为掺杂剂生长Ｎ－Ｐ－Ｎ双极晶体管材料时，将乙硼烷、磷烷加热使其裂解为低分子量的原子团束流，降低残余硼、磷杂质的本底浓度，并减少氢对硅生长速率的影响；掺硼结束时，速关断乙硼烷气流并降低乙硼烷裂解炉温度，可将硼严格限制在基区内；生长硅发射区时，将磷炉温度升高，可提高磷掺杂浓度并减少磷烷对硅生长速率的影响。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于半导体
，特别是指一种。硅/锗硅/硅异质结双极晶体管(Si/SiGe/Si HBT)由于采用锗硅(SiGe)应变窄带合金材料作基极，可大大提高基区的掺杂浓度，使器件高频、高速、低噪及低温特性优于硅双极晶体管(BJT)，并与传统硅工艺相容，是新型高速电路发展的一个重要方向。1995年德国Daimler-Benz研究中心HBT已达到截止频率fT～116吉赫兹(GHz)，最高振荡频率fmax～160GHz。近期IBM公司已将SiGe技术应用于全球定位系统(GPS)高频直接转换技术，预计2005年可达到18亿美圆的收益。Si/SiGe/Si HBT技术的关键是获得共格生长的异质结材料(即不发生应力驰豫)，并在发射区—基区及基区—收集区有一个与异质结相重合的理想的杂质分布。这就要求HBT材料必须在尽可能低的温度(～500℃)下生长，并有效地降低N、P型掺杂的相互干扰。IBM采用的超高真空化学气相淀积技术(UHV/CVD)虽可利用限制反应技术(LRP)使基区硼掺杂浓度比发射区高50倍以上，但它是以在850℃下生长发射区为代价的。IBM现在沿用的仍然是低温生长工艺，由此造成的发射区高浓度硼掺杂是利用更高浓度的砷或磷注入补偿，或采用多晶硅发射极解决(附图说明图1)。德国Daimler-Benz公司虽采用固相分子束外延(MBE)工艺及掺碳限制硼外扩技术可获得较好的硼杂质分布，但固态硼、碳熔点极高，而五(V)族杂质磷、砷极难控制，HBT器件工艺仍不得不采用离子注入或多晶硅工艺。综上所述，如何在低温下共格生长的异质结Si/SiGe/Si HBT材料，获得理想的杂质分布是获得高质量HBT器件的关键技术。本专利技术的目的在于，提供一种，其是通过掺杂剂裂解对Si/SiGe/Si HBT材料生长掺杂过程进行控制，有效地减少硼的背景对发射区掺杂的影响，提高磷的掺入量及硅低温生长速度，以获得理想的、符合HBT器件设计要求的结构材料。本专利技术的技术方案是一种，其特征在于，其方法的步骤是(1)用乙硼烷、磷烷为掺杂剂生长N-P-N硅/锗硅/硅异质结双极晶体管材料时，将乙硼烷、磷烷通过加热炉使其裂解为低分子量的分子束流，从而降低残余硼、磷杂质的本底浓度，并减少磷烷对硅生长速率的影响；(2)锗硅基区掺硼时，将硼炉温度升至850℃以上，掺硼结束时，迅速关断乙硼烷气流并降低乙硼烷裂解炉温度至450℃以下，可将硼严格限制在基区内，硼浓度可达1-2×1019cm-3；(3)生长硅发射区时，将磷炉温度升至800℃-900℃，磷掺杂浓度可达2×1019cm-3以上，并可减少磷烷对硅生长速率的影响。其步骤(1)所述以乙硼烷及磷烷等气体为掺杂源，可在它们通入生长室时加热使其分解，达到掺杂及控制的效果，它可适用于采用乙硼烷及磷烷等气体为掺杂源的其他工艺。其步骤(2)所述以乙硼烷杂源时，将乙硼烷加热炉温升高到850℃以上，使其分解，以保证未参与材料掺杂的掺杂剂均以硼原子沉积在器壁上；掺硼结束时，迅速关断乙硼烷气流，并降低乙硼烷裂解炉温度至450℃以下，以减少乙硼烷裂解炉吸附气体对本底的干扰，从而控制硼掺杂。其步骤(3)所述以磷烷为掺杂源，将磷烷加热炉温升高到800℃-900℃，使其分解为磷或低分子量的磷氢化合物分子，磷掺杂浓度可达2×1019cm-3以上，并可减少磷烷对硅生长速率的影响。为进一步说明本专利技术的技术特征，以下结合实施例及附图对本专利技术作一详细的描述，其中图1是IBM的SiGe HBT SIMS掺杂剖面图；图2是现有设备示意图3是GSMBE生长自掺杂Si/SiGe/Si外延材料的C-V测量载流子浓度分布图；图4是未采用本方法时Si/SiGe/Si材料硼杂质分布SIMS剖面图；显示了硼杂质对外延材料杂质分布的严重干扰；图5是采用本方法后，Si/SiGe/Si材料硼杂质分布SIMS剖面图；硼杂质分布很好地被限制在SiGe合金基区内；图6是磷烷裂解温度对Si/SiGe/Si结构的发射区掺杂效果的影响。本专利技术一种，其方法的步骤是(1)用乙硼烷、磷烷为掺杂剂生长N-P-N硅/锗硅/硅异质结双极晶体管材料时，将乙硼烷、磷烷通过加热炉使其裂解为低分子量的分子束流，从而降低残余硼、磷杂质的本底浓度，并减少磷烷对硅生长速率的影响；所述以乙硼烷及磷烷等气体为掺杂源，可在它们通入生长室时加热使其分解，达到掺杂及控制的效果，它可适用于采用乙硼烷及磷烷等气体为掺杂源的其他工艺。(2)锗硅基区掺硼时，将硼炉温度升至850℃以上，掺硼结束时，迅速关断乙硼烷气流并降低乙硼烷裂解炉温度至450℃以下，可将硼严格限制在基区内，硼浓度可达1-2×1019cm-3；所述以乙硼烷杂源时，将乙硼烷加热炉温升高到850℃以上，使其分解，以保证未参与材料掺杂的掺杂剂均以硼原子沉积在器壁上；掺硼结束时，迅速关断乙硼烷气流，并降低乙硼烷裂解炉温度至450℃以下，以减少乙硼烷裂解炉吸附气体对本底的干扰，从而控制硼掺杂。(3)生长硅发射区时，将磷炉温度升至800℃-900℃，磷掺杂浓度可达2×1019cm-3以上；所述以磷烷为掺杂源，将磷烷加热炉温升高到800℃-900℃，使其分解为磷或低分子量的磷氢化合物分子，磷掺杂浓度可达2×1019cm-3以上，并可减少磷烷对硅生长速率的影响。其步骤(3)所述以磷烷为掺杂源，将磷烷加热炉温升高到800℃-900℃，使其分解为磷或低分子量的磷氢化合物分子，磷掺杂浓度可达2×1019cm-3以上，并可减少磷烷对硅生长速率的影响。以一些气态物质与固体元素为源进行的分子束外延工艺为气源MBE(GSMBE)。为生长Si/SiGe/Si材料所使用的分子束源是乙硅烷(Si2H6)、磷烷(PH3)、乙硼烷(B2H6)和固态锗(Ge)或锗烷(GeH4)。它避免了MBE中因固体硼、硅汽化温度过高及磷、砷等V族元素气压难以控制所造成的困难，也因其薄膜生长气压低、易于控制而比UHV/CVD工艺简单。在美，英，日，荷，韩等国及台湾省的实验室都有采用此工艺的，但至今未见控制掺杂及高质量器件结果的报导。本工艺需要解决的问题是掺杂气体PH3、B2H6在生长室内残留时间过长，会造成杂质的相互干扰，以及低温生长发射区硅盖层过程中，如何提高生长速率及磷掺杂浓度，以获得高质量HBT材料。本技术是在现有的设备上实行的，其配置如图2所示。它是由进样室、分析室、生长室三部分组成。生长室内装置有可放置一片Φ3英寸硅片的样品架一个，一支锗固体喷射炉及三支供Si2H6、PH3和B2H6通入的气体炉，它们都有独立的加热器及测温控温系统，各有活动挡板可迅速切断分子束到达衬底的束流。三支气体炉各自连有独立的气路控制系统。通过分析室连接的离子泵、生长室连接的分子泵及室周围的液氮冷套，使生长室的本底真空度在1×10-7Pa以上，样品生长时真空在4×10-3Pa以上。GSMBE生长Si/SiGe/Si HBT材料的工艺过程已有文章作过介绍，在此就不详细描述了。衬底为直径(Φ)2～3英寸N型重掺锑的硅(100)单晶片，电阻率ρ～0.01欧姆-厘米(Ω·cm)。当衬底温度为700℃，Si2H6流量6毫升/分钟(sccm)，裂解温度470℃时，60分钟可生长杂质浓度为～1017每立方厘米(cm-3)的N型收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气源分子束外延生长锗硅异质结双极晶体管材料掺杂方法，其特征在于，其方法的步骤是：（１）用乙硼烷、磷烷为掺杂剂生长Ｎ－Ｐ－Ｎ硅／锗硅／硅异质结双极晶体管材料时，将乙硼烷、磷烷通过加热炉使其裂解为低分子量的分子束流，从而降低残余硼、磷杂 质的本底浓度，并减少磷烷对硅生长速率的影响；（２）锗硅基区掺硼时，将硼炉温度升至８５０℃以上，掺硼结束时，迅速关断乙硼烷气流并降低乙硼烷裂解炉温度至４５０℃以下，可将硼严格限制在基区内，硼浓度可达１－２×１０↑［１９］ｃｍ↑［－３］； （３）生长硅发射区时，将磷炉温度升至８００℃－９００℃，磷掺杂浓度可达２×１０↑［１９］ｃｍ↑［－３］以上，并可减少磷烷对硅生长速率的影响。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种气源分子束外延生长锗硅异质结双极晶体管材料掺杂方法，其特征在于，其方法的步骤是(1)用乙硼烷、磷烷为掺杂剂生长N-P-N硅/锗硅/硅异质结双极晶体管材料时，将乙硼烷、磷烷通过加热炉使其裂解为低分子量的分子束流，从而降低残余硼、磷杂质的本底浓度，并减少磷烷对硅生长速率的影响；(2)锗硅基区掺硼时，将硼炉温度升至850℃以上，掺硼结束时，迅速关断乙硼烷气流并降低乙硼烷裂解炉温度至450℃以下，可将硼严格限制在基区内，硼浓度可达1-2×1019cm-3；(3)生长硅发射区时，将磷炉温度升至800℃-900℃，磷掺杂浓度可达2×1019cm-3以上，并可减少磷烷对硅生长速率的影响。2.根据权利要求1所述的气源分子束外延生长锗硅异质结双极晶体管材料掺杂方法，其特征在于，其步骤(1)所述以乙硼烷及磷烷等气体为掺杂源，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄大定，李建平，高斐，林燕霞，孙殿照，刘金平，朱世荣，孔梅影，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]