sigesi異質結雙極級海洋平臺管的研制

sigesi異質結雙極級海洋平臺管的研制

0sige材料外延方法1957年，h.kromer提出，在寬范圍內的勘探區(qū)，狹窄范圍內的異質結晶管可能大大改善了晶體的特性。從這一理論的角度來看，sige技術成為si領域的研究熱點。目前,SiGe材料的外延方法主要分為全片外延、差分外延和選擇性外延。針對不同外延手段,SiGeHBT制造又分為臺面結構制作方法和平面結構制作方法。與平面結構制作方法相比,臺面結構制作方法簡單,工藝步驟少,能快速檢驗材料質量,但制作的器件受發(fā)射區(qū)條寬限制,頻率偏低。本文根據現有工藝條件,對臺面結構SiGeHBT制作過程中的SiGe材料外延生長、發(fā)射區(qū)臺面腐蝕、多晶硅n型雜質摻雜及退火、金屬硅化物制作等關鍵工藝進行了探究,掌握了工藝控制方法。1器件結構參數對區(qū)端面制件的影響圖1給出了多晶硅發(fā)射極SiGeHBT器件結構,主要工藝過程參考圖2。在整個工藝流程中,發(fā)射區(qū)臺面制作直接影響到發(fā)射區(qū)條寬與外基區(qū)表面狀況,如果腐蝕不好會引起結漏電,多晶硅n型離子摻雜及退火工藝影響發(fā)射區(qū)雜質摻雜分布,進而影響器件直流特性,不同金屬硅化物會導致接觸電阻不同,影響器件射頻特性,因此,掌握以上工藝控制方法對成功研制性能優(yōu)良的SiGeHBT器件具有重要意義。2硅發(fā)射場的硅技術2.1外延工藝和工藝針對多晶硅發(fā)射極臺面SiGeHBT器件結構,采用低壓化學氣相淀積全片外延SiGe基區(qū)。其反應源為SiH4和GeH4,摻雜源為B2H6,生長溫度為660℃左右,工作壓力為66.5～133Pa。外延工藝包括清洗和淀積兩步。清洗包括入爐前清洗和入爐后原位清潔,入爐前清洗是為了去除沾污和自然氧化層,入爐后原位清潔是在H2中進行高溫熱處理,充分去除自然氧化層,之后完成淀積過程。將外延片進行XRD分析,分析圖像如圖3所示,從圖3中可以看出Si峰譜線平滑,Si峰尖且半峰寬窄,表明Si外延材料晶格完整性很好,SiGe峰強度較大,半寬峰也相當窄,同時在Si峰與SiGe峰之間可以看到清晰的布拉格(Pendelossung)條紋,說明SiGe薄膜與Si接觸面平直陡峭,外延薄膜質量高,處于完全應變狀態(tài)。2.2帶密封體系的koh/異丙醇同丙醇共聚反應sige的腐蝕在Si/SiGe/Si異質結結構中,為了減小基區(qū)渡越時間,基區(qū)非常薄,只有幾十納米。如果采用干法刻蝕極易損傷外基區(qū)表面,因此在SiGe發(fā)射區(qū)臺面制作過程中選擇KOH質量為6g、異丙醇體積為5mL、水體積為20mL的比例配制的腐蝕液,采用SiO2作掩蔽膜,在35℃,100W超聲條件下進行濕法腐蝕,具體工藝細節(jié)參考文獻。腐蝕結果如圖4所示。從圖中可以看到發(fā)射區(qū)臺面?zhèn)缺诙钢惫饬?沒有鉆蝕,但截面出現一定角度,這是KOH對不同晶向Si腐蝕速率不同所致。2.3si層殘余分子磷注入條件的確定在多晶硅發(fā)射極臺面SiGeHBT結構中,在薄發(fā)射區(qū)與金屬電極之間增加一層摻雜多晶硅來制作多晶硅發(fā)射極,根據界面類氧化層隧道理論模型,多晶硅與單晶硅界面間存在一層類氧化層,該層對空穴構成的勢壘比對電子構成的勢壘大得多,空穴在該類氧化層界面隧穿概率較小,基極電流減小,使得電流增益得以提高。多晶硅發(fā)射區(qū)摻雜磷與摻砷相比,其擴散速率與硼更接近。另外與相當數量的砷摻雜多晶硅相比,磷摻雜多晶硅方塊電阻減小了35%,因此,選擇多晶硅注入磷,退火后雜質迅速填滿多晶硅,并以摻雜多晶硅為源向下面本征Si層擴散形成發(fā)射區(qū)。關于多晶硅注入條件的選擇,由于SiGeHBT采用能帶工程使得基區(qū)可以高摻雜,一般雜質濃度為1019～1020cm-3,為避免EB結兩側高摻雜引起結漏電,發(fā)射區(qū)雜質濃度確定為1018～1019cm-3,當雜質的注入能量、劑量過高時,注入產生的損傷較大,缺陷增多,復合電流變大,器件的直流增益減小,而雜質的注入能量、劑量太低,又將導致發(fā)射區(qū)不能提供足夠的電子,使得EB結擊穿電壓低。為確定合適的注入條件,本文采用Tsuprem4工藝仿真軟件對三種注入條件進行仿真,仿真結果如圖5所示。由圖5得出,在發(fā)射區(qū)Si層厚度40nm、多晶硅厚度200nm條件下,注入能量為60keV,劑量為1×1016cm-2時,可達到設計要求。在注入能量60keV、劑量5×1015cm-2條件下,發(fā)射區(qū)摻雜濃度(N)僅為1×1017cm-3。而當注入能量為70keV、劑量為1×1016cm-2時,發(fā)射區(qū)摻雜濃度達1×1019cm-3,與基區(qū)摻雜濃度相當。除此之外,值得注意的是SiGe層對高溫過程敏感,易于發(fā)生弛豫,采用快速退火工藝縮短高溫熱處理過程,退火條件為850℃,20s。2.4sigehbt制作工藝在SiGeHBT制作過程中,由于SiGe層存在應力,限制了工藝過程的熱處理溫度,使得注入離子的激活受到影響,導致歐姆接觸電阻較大,影響器件頻率特性。為解決上述問題,金屬硅化物工藝成為必選方案。關于SiGeHBT制作過程中的金屬硅化物工藝目前已有較多報道,文獻報道了平面結構SiGeHBT研制過程中采用鈷硅化物制作工藝,使得電阻減小為原來的1/20左右,器件特性明顯改善,文獻對單臺面單多晶結構SiGeHBT研制過程中的鈦硅化物制作工藝進行了深入研究。研究結果表明,制作TiSi2的SiGeHBT多晶硅發(fā)射極電阻、外基區(qū)電阻、發(fā)射極與基極的歐姆接觸電阻均有很大程度的下降,有效改善了器件的噪聲特性與增益。在樣品制作過程中,由于外基區(qū)厚度非常薄,制作金屬硅化物需要選擇消耗硅較少的金屬,鈷硅化物消耗鈷硅比例為1∶3.59,鈦硅化物消耗鈦硅比例為1∶2.2,而鉑硅化物消耗鉑硅比例僅為1∶1.3,因此結合工藝條件確定采用磁控濺射Pt薄膜,高溫合金,選擇性腐蝕掉未與硅反應的鉑,形成鉑硅化物作為歐姆接觸層,采用以金為主體的多層難熔金屬結構作電極,金屬結構如圖6所示。3歐姆接觸、電壓和電流在線測試采用圖2給出的工藝流程完成了多晶硅發(fā)射極臺面8指SiGeHBT制作,室溫下器件特性測試結果見表1。從表1中看到25mA下發(fā)射結正向導通電壓VBEF只有0.85V,與文獻給出的1mA下發(fā)射結正向導通電壓0.92V相比更低,說明該器件歐姆接觸制作良好。圖7給出了I-V特性曲線圖,測量過程中電壓Vce設置為每格0.5V,電流Ic每格5mA,Ib每格0.1mA,從圖7中可以看出在Vce=3V,Ic=30mA時,β為70,且在Vce=3V時,β隨Ic變化不大。除此之外,從圖中還可以看出器件飽和壓降小,也說明該器件歐姆接觸制作良好,這得益于做PtSi的緣故。截止頻率fT采用HP8510網絡測試儀對器件進行S參數在線測試,得到fT隨Ic變化曲線如圖8所示,從圖中得到截止頻率最高為11.2GHz,電流較小時fT較小,這是由于發(fā)射極延遲時間較長造成的,而電流較大時由于基區(qū)擴展效應導致fT下降。以上制作的SiGeHBT頻率特性還有很大的提升空間,國際上已經研制出特征頻率達上百吉赫茲的SiGeHBT樣品,除了工藝水平提高外,結構及參數的優(yōu)化頻率特性的提高也非常重要。如采用選擇性外延平面結構、減小發(fā)射極條寬、降低發(fā)射極電容以及采用超薄基區(qū)與基區(qū)組分和摻雜漸變分布形成自建場加速電子基區(qū)渡越,都能在很大程度上提高fT。4內壓電極nhb的制作采用多晶硅發(fā)射極、LPCVDSiGe外延、發(fā)射區(qū)臺面自中止腐蝕、多晶硅磷摻雜及退火、鉑硅金屬硅化物制作工藝完成了多晶硅發(fā)射極臺面SiGeHBT的制作,常溫下測得β為70,25m