一种晶体管及其制造方法技术

晶体管具有倒置异质结结构，其中，在形成基极层和集电极层之前形成发射极层。通过为关键的基区形貌和掺杂分布控制提供更好的热预算，可以获得更高的截止频率(fT)；通过最小化集电区和基区的接触面积，可以显著减少寄生电容、提高最高振荡频率(fmax)。这样可以显著提高晶体管的频率特性。这种倒置的异质结结构，可以采用ALE工艺通过在预先形成的外延单晶金属硅化物上形成发射极层，在发射极层上形成基极层，在基极层上形成集电极层制备得到。

【技术实现步骤摘要】
一种晶体管及其制造方法
本专利技术涉及电子器件技术，特别涉及一种晶体管及其制造方法。
技术介绍
在0.5至6太赫兹(THz，即1012赫兹)频率体系，成像和光谱系统在安全、卫生、遥感和基础科学等领域具有重要的应用。太赫兹波在水中具有很强的衰减强度，但对生物组织具有较大的穿透深度，而不会对生物组织造成损害。因此，他们特别适合于涉及透过不透明的物体进行低风险成像的安全应用，比如透过衣服、牙齿、纸张、塑料和陶瓷材料的成像。太赫兹波在卫生应用中也非常理想，比如皮肤癌的早期诊断。因此，近来已经对许多涉及安全、医药、生物分析、用于环境监测的遥感和减轻自然灾害的社会基础应用进行了广泛地研究。凭借其高频率，太赫兹波也同样适用于极限宽带通信。然而，到目前为止，太赫兹频段区域在日常中的应用却非常少。这就导致了“太赫兹空隙”(THzgap)这一表述的出现，它不精确地描述了缺乏足够的技术，来有效地弥合低于1THz的微波频率和高于6THz的光频率之间的频段，特别是，在这个特定的频率范围内缺乏具有有用功率水平的实际源。现在，半导体电子和激光光学元件从各自相反的方向来缩小这个太赫兹空隙。先进的半导体技术，包括硅-互补金属氧化物半导体(Silicon-CMOS)、锗硅异质结双极型晶体管(SiGeHBT)和化合物半导体HEMT器件(高电子迁移率晶体管)，极大地促进了毫米波技术的发展。然而，通过最强大的和具有成本效益的SiGeHBT技术预计可达到的频率在目前约为0.5THz。在光学领域，依靠从良好定义的电子态转换的现代固态激光器，在打破6THz壁垒时，遇到了严重的挑战，因为这样的频率的光能量等于室温下热波动的能量，即kT＝26毫电子伏特(meV)。目前，可以通过无源器件，比如频率乘法器，进入THz频段。然而，这样的器件普遍具有显著的功率损耗，这导致在实际应用中使用这些器件时功率和系统体积比将不切实际的小。因此，小而高效的有源THz器件是唯一的解决办法。真空电子器件，包括速调管，已被视为一种用于弥合THz空隙的方式。这种器件或许可以应用到军事和航空航天领域，但可以预见，其大尺寸、显著的能量消耗和糟糕的可靠性，将阻碍它们向安全卫生等广阔的民用领域渗透。因此，基于先进半导体的固态电子器件是唯一能用于我们日常生活的，特别是使用电池供电的便携式太赫兹系统。在1THz运行的基于CMOS的解决方案需要具有10纳米(nm)沟道长度的晶体管。然而，在这个栅极长度，由于量子隧道效应，晶体管会输出非常低的功率。凭借优越的跨导和噪声特性，SiGeHBT技术被普遍认为给新兴的高频率市场提供了最强大的和具有成本效益的解决方案。目前，SiGeHBT的基础技术是通过化学气相沉积(CVD)的SiGe。目前最先进的SiGeHBT在室温下具有0.4THz的截止频率。正在进行的名为“DOTFIVE”的欧洲FP7计划，包括主要的欧洲半导体企业，试图在2013年推出0.5THz的SiGeHBT技术。值得注意是，在DOTFIVE计划中，用于0.325THz的完整的频率乘法器链的电路设计代表了目前的最高发展水平，但这不但是一个非常有损耗的方法，也还未能进入THz空隙。
技术实现思路
在一个实施例中，SiGeHBT可以在外延的金属硅化物上通过原子层外延(ALE)法形成超薄(例如，小于或者等于10nm)半导体的异质结。应力工程可以应用于HBT部分区域或全部区域上，用来提高横向空穴和纵向电子导电。SiGeHBT具有倒置异质结结构，并通过减少寄生效应、并为关键的基区形貌控制提供更好的热处理预算，从而得到最大化的频率性能。可以通过采用ALE技术，在预先外延形成的金属硅化物上外延形成发射区、在发射区上外延形成基区，然后在基区上外延形成集电区，来制备得到倒置异质结结构。采用新的接触方式，以在某些或所有的HBT引出端中提供极低的接触电阻。SiGeHBT可以采用适合于工业化生产的CMOS技术制备。在一个实施例中，一个HBT包括生长在半导体衬底上的超薄单晶外延金属硅化物层，其厚度为10nm或更薄，在该金属硅化物层上形成单晶硅发射极，在发射极上形成基极，基极具有约10nm或更小的宽度；并在基极上形成单晶硅集电极。该HBT具有集电极更靠近HBT表面的倒置结构。在进一步的实施例中，发射极是碳掺杂的。在进一步的实施例中，单晶外延金属硅化物是在Si(100)衬底上的超薄外延NiSi2膜。在进一步的实施例中，发射极和集电极分别具有约10nm或更薄的厚度。在进一步的实施例中，发射极、基极和集电极中的至少一个通过至少一个ALE过程形成。在进一步的实施例中，基极包括锗化硅(SiGe)。HBT进一步包括在发射极、基极和集电极上分别具有金属硅化物接触，并且金属硅化物接触具有非常低的约45毫欧·厘米的电阻率。在进一步的实施例中，集电极在传输方向上进行应力处理以提高电子迁移率。在进一步的实施例中，集电极为轻掺杂的硅且在表面有金属硅化物层。在进一步的实施例中，基极进行应力处理，以增强在基极的横向空穴和纵向电子传导，并在另外一个方向上进行进一步的形变处理。在一个实施例中，一种HBT的制造方法包含以下步骤：在半导体衬底上外延生长单晶金属硅化物层，且该金属硅化物层具有10nm或更薄的厚度；在所述金属硅化物层上外延生长单晶硅发射极；在发射极上外延生长SiGe基极；在SiGe基极上外延生长单晶硅集电极。在进一步的实施例中，金属硅化物层是通过固态反应(SSR)过程生长在Si(100)上的NiSi2，该方法包括溅射沉积一层约等于2纳米厚的Ni膜和快速热处理。在进一步的实施例中，发射极使用ALE过程生长，并在ALE过程中进行原位碳掺杂。在进一步的实施例中，在ALE过程中使用从激光源发出的光子，帮助从衬底表面释放氢原子。在进一步的实施例中，硅发射极层与SiGe基极层均进行了应变处理，并且SiGe基极层在多个方向上进行了应变处理。在进一步的实施例中，由于倒置结构，机械应力从HBT顶部表面施加到集电极层上。附图说明图1是根据一个实施例的SiGeHBT器件的横截面示意图；图2是根据一个实施例的SiGeHBT器件制备方法的流程图；图3a至3h是根据一个实施例的SiGeHBT器件制备方法各步骤对应的横截面示意图；图4A是根据一个实施例的使用SSR在Si(100)上生长6nm厚的外延NiSi2的透射型电子显微镜(TEM)图像。图4B是使用分子束外延在NiSi2上生长10nm厚的外延Si的RHEED图像。图5是根据一个实施例的为大注入工作优化的SiGeHBT的工作频率(fT)与集电极电流密度Jc之间关系的仿真结果示意图。具体实施方式根据本专利技术的一个实施例，提供了一种新型、能够从微波方向渗透到太赫兹空隙(THzgap)频段工作的“倒置”锗硅异质结双极型晶体管(SiGeHBT)器件。通过采用与材料、工艺技术和器件结构有关的革命性薄膜技术创新，比如，在Si上采用固态反应(SSR)外延生长NiSi2以及在NiSi2上采用原子层外延法生长Si等，进行制备SiGeHBT，该HBT器件能工作在太赫兹空隙频段中。图1是根据本专利技术一个实施例的倒置HBT100的横截面示意图。如图1所示，该倒置HBT100包含位于半导体(如，硅)衬底101上的外延层110、位于外延层110上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶体管，其特征在于，包含：位于半导体衬底上超薄单晶外延金属硅化物层；形成在所述金属硅化物层上的单晶硅发射极；形成在所述发射极上的基极；和形成在所述基极上的单晶硅集电极；其中，所述晶体管具有集电极更靠近晶体管表面的倒置结构。

【技术特征摘要】
1.一种晶体管，其特征在于，包含：位于半导体衬底上单晶外延金属硅化物层；形成在所述金属硅化物层上的单晶硅发射极；形成在所述发射极上的基极；和形成在所述基极上的单晶硅集电极；淀积在所述发射极、基极和集电极之上的绝缘介电层，形成在绝缘介电层内的接触孔；形成在发射极、基极和集电极上对应所述接触孔所在位置的接触区；其中，所述晶体管具有集电极更靠近晶体管表面的倒置结构。2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述单晶外延金属硅化物是位于Si衬底上的外延NiSi2膜。3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述单晶外延金属硅化物层厚度小于或者等于10纳米，所述基极具有小于或者等于10纳米的宽度。4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述发射极是碳掺杂的。5.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述发射极和所述集电极的厚度均小于或者等于10纳米。6.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述发射极、所述基极和所述集电极中至少一个通过至少一个ALE工艺形成。7.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述基极包含锗化硅SiGe。8.根据权利要求1所述的晶体管，进一步在所述发射极、所述基极和所述集电极上分别包含金属硅化物接触区；所述金属硅化物接触区具有非常低的45微欧姆·厘米的电阻率。9.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述集电极在载流子输运方向进行应变处理。10.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述集电极为轻掺杂的硅且在上表面有金属硅化物层。11.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，所述基极进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴东平，付超超，张世理，张卫，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：