專利名稱：雙極型晶體管及半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的雙極型晶體管、二極管以及I2L等半導(dǎo)體器件。
到目前為止，雙極型晶體管以其優(yōu)良的高頻特性而被作為微波。毫米波頻帶的能動(dòng)器件日益得到廣泛應(yīng)用。特別是，正在投入大量精力研究開(kāi)發(fā)使用了砷化鎵等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(Heterojunction Bipolar Transistors，以下稱“HBT”)，但近年來(lái)，使用了可制在低價(jià)的硅襯底上的如SiGe等Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體而制成的HBT愈引人注目。
為實(shí)現(xiàn)SiGe系列HBT的高速化的結(jié)構(gòu)中，以下兩種是有代表性的。一種是文獻(xiàn)1(L.Harame et al.,“Optimization of SiGe HBT Tech-nology for High Speed Analog and Mixed-Signal Applications,”IEDMTech.Dig.1993,P.71.)中所記載的HBI，它具備Si集電極層、SiGe基極層和Si發(fā)射極層，其中，所述SiGe基極層是使該層中的Ge組成率沿與Si發(fā)射極層相接的區(qū)域向與Si集電極層相接的區(qū)域逐漸增大的傾斜組成基極層。另一種HBT描述在文獻(xiàn)2(A.Schuppen et al.，“EnhancedSiGe Hetero-j unction Bipolar Transistors With 160 GHz-fmax,”IEDMTech.Dig.1995,p.743.)中，它具備Si集電極層、SiGe基極層和Si發(fā)射極層，所述SiGe基極層則是使該層中的Ge組成率和摻雜濃度增高，并作成極薄的均勻組成基極層。
圖18是上述兩種HBT之中具有傾斜組成基極層的HBT的能帶圖。從該圖所示的能帶狀態(tài)得知，受傾斜組成所產(chǎn)生的電場(chǎng)作用，注入到SiGe基極層的載流子從SiGe基極層向集電極層漂移。由于靠漂移電場(chǎng)的載流子移動(dòng)速度比靠擴(kuò)散的移動(dòng)速度高，所以基極層內(nèi)載流子移動(dòng)的時(shí)間(以下簡(jiǎn)稱“基區(qū)渡躍時(shí)間”)縮短，從而得到良好的高頻特性。
圖19是上述兩種HBT之中具有均勻組成基極層的HBT的能帶圖。從該圖所示的能帶狀態(tài)得知，在此結(jié)構(gòu)中，通過(guò)把基極層作得極薄，謀求縮短基區(qū)渡躍時(shí)間并得到良好的高頻特性。此時(shí)，雖然隨著基極層變薄，會(huì)發(fā)生基極電阻增大之虞，但通過(guò)對(duì)基極層摻入高濃度雜質(zhì)，又可使電阻減小。并且，為了避免載流子從摻有高濃度雜質(zhì)的基極層反向注入發(fā)射極層一側(cè)，在基極層中采用了高Ge組成率的SiGe，從而使與Si發(fā)射極層之間的異質(zhì)勢(shì)壘大。在此結(jié)構(gòu)中，也能得到良好的高頻特性。尤其是，通過(guò)使基極層的摻雜濃度增高來(lái)降低基極電阻，從而謀求提高最大振蕩頻率。
另外，到目前為止，在使用雙極型晶體管的Si系列LSI中，時(shí)常應(yīng)用NPN雙極型晶體管的基極-集電極間的PN結(jié)來(lái)構(gòu)成二極管，把該二極管用作邏輯電路的元件。這是因?yàn)镹PN雙極型晶體管的基極-集電極間的PN結(jié)部的耐壓高(所述的“耐壓”指對(duì)反向偏置的擊穿電壓，以下相同)，而且N型集電極層被用作襯底內(nèi)的共同區(qū)，因此上述結(jié)構(gòu)適合于組裝多個(gè)二極管的緣故。
然而，這種PN結(jié)二極管不適合用在高速動(dòng)作器件上。其原因是在二板管的P型區(qū)和N型區(qū)雙方中發(fā)生少數(shù)載流子的累積。即，NPN雙極型晶體管的P型基極層中會(huì)有電子(該層中的少數(shù)載流子)的累積；在N型集電極層中會(huì)有空穴(該層中的少數(shù)載流子)的累積。在一般的高速雙極型晶體管中，為縮短基區(qū)渡躍時(shí)間，把P型基極層設(shè)計(jì)得極薄。因此，即使在利用了雙極型晶體管之一部分的PN結(jié)二極管中，向P型基極層的電子累積也不會(huì)成為什么問(wèn)題?？墒?，由于N型集電極層被設(shè)計(jì)得較厚(從0.5μm到1μm左右)以保持高耐壓，在該層中會(huì)積累起很多空穴。結(jié)果，從PN結(jié)二極管整體來(lái)看，其動(dòng)作速度下降。
在此，象文獻(xiàn)3(M.Ugajin et al.，“The base-collector hetero-junction effect in SiGe-base bipolartransistors,”Solid-State Electron.,vol.34,p.593,1991)所描述的那樣，通過(guò)抑制集電區(qū)中的少數(shù)載流子的累積而提高動(dòng)作速度的方法之中，有一種在集電結(jié)中采用SiGe/Si異質(zhì)結(jié)，以使集電極層的禁帶變寬的方法。就是說(shuō)，通過(guò)使集電極層寬禁帶化，在集電結(jié)中形成異質(zhì)勢(shì)壘，從而抑制空穴從基極層流向集電極層，這樣謀求減少集電極層中的空穴累積量，并提高二極管的動(dòng)作速度。
還有，象文獻(xiàn)4(M.Karlsteen et al.,“Improved switch time of I2Lat low power consumption by using a SiGe heterojunction bipolartransistor,”Solid-State Electron.,vol.38,p.1401,1995)所描述的那樣，在把多個(gè)雙極型晶體管集成起來(lái)的I2L(Integrated Injection Logic集成注入邏輯)電路中，也有通過(guò)在集電結(jié)中采用異質(zhì)結(jié)，抑制少數(shù)載流子的累積，從而謀求提高動(dòng)作速度的嘗試。
然而，在上述雙極型晶體管和采用了雙極型晶體管的二極管中，有下述問(wèn)題。
在圖18所示的采用傾斜組成基區(qū)的現(xiàn)有的HBT中，為了使由傾斜組成產(chǎn)生的漂移電場(chǎng)大，必須使Ge組成率的變化率大。就是說(shuō)，基極層與發(fā)射極層相接的區(qū)域中必須使Ge組成率盡可能小，另一方面，與集電極層相接的區(qū)域中必須使Ge組成率盡可能大。因此，在基極層與發(fā)射極層相接的區(qū)域中通常采用不含Ge的純Si組成。此時(shí)，基極-發(fā)射極間的PN結(jié)就成為硅-硅的同質(zhì)結(jié)。為了提高HBT的最大振蕩頻率fmax，降低基極電阻是有效的(如下式(1)所示)。但是，為降低基極電阻而提高基極層摻雜濃度時(shí)，當(dāng)然從基極層向發(fā)射極層所注入的空穴數(shù)量增加。
也就是說(shuō)，在發(fā)射結(jié)為同質(zhì)結(jié)，或者，即使是異質(zhì)結(jié)，基區(qū)端的組成近似于純Si的情況下，在基極層中沒(méi)有異質(zhì)勢(shì)壘，或即使有也是極小的。因此，載流子向發(fā)射區(qū)側(cè)的反向注入量增加，就不能獲得大電流放大率β了。fmax=fT8π·RB·CBC---(1)]]>fT電流增益截止頻率RB基極電阻CBC基極-集電板結(jié)電容這又是由下式(2)所示的電流放大率β、發(fā)射結(jié)中的價(jià)帶的能帶不連續(xù)值ΔEv和基板層的載流子濃度NB之間的關(guān)系可知的。β=JnJp=(NENB)·(VnVp)·exp(ΔEvkT)---(2)]]>NE發(fā)射極層的載流子濃度NB基極層的載流子濃度Vn基極層內(nèi)的電子擴(kuò)散速度Vp發(fā)射極層內(nèi)的空穴擴(kuò)散速度k玻耳茲曼常數(shù)T絕對(duì)溫度總的來(lái)說(shuō)，采用所述的傾斜組成基區(qū)時(shí)，可縮短載流子在基區(qū)內(nèi)的渡躍時(shí)間并提高電流增益截止頻率fT，但不能提高基極層的載流子濃度。其結(jié)果，難以提高最大振蕩頻率fmax。
另一方面，在圖19所示的采用均勻組成基區(qū)的以往的結(jié)構(gòu)中，由于高Ge組成率的SiGe基極層和Si發(fā)射極層間的異質(zhì)勢(shì)壘高，所以可抑制基極層中的載流子反向注入Si發(fā)射極層?？墒?，象上述那樣，為了提高最大振蕩頻率fmax而進(jìn)一步提高SiGe基極層的載流子濃度(基區(qū)摻雜濃度)時(shí)，反向注入的載流子量卻增加。因此，這次必須提高SiGe基極層中的Ge組成率來(lái)使異質(zhì)勢(shì)壘更大，但這又導(dǎo)致發(fā)射極層和基極層之間的晶格常數(shù)差擴(kuò)大，所以基極層中產(chǎn)生位錯(cuò)的臨界厚度便成為問(wèn)題了。
一般說(shuō)來(lái)，在Si襯底上結(jié)晶生長(zhǎng)的SiGe層中由于Si和Ge間的晶格常數(shù)之差會(huì)產(chǎn)生晶格應(yīng)變，并且Ge組成率高且膜厚厚時(shí)，該應(yīng)變被弛豫并在膜中發(fā)生位錯(cuò)，從而將對(duì)元件造成致命性的損傷。此產(chǎn)生位錯(cuò)的界限膜厚一般被稱為臨界厚度。SiGe層中的Ge組成率越高，此臨界厚度越小，當(dāng)SiGe層的Ge組成率為30％時(shí)，臨界厚度為50nm左右，這就相當(dāng)于基極層的厚度。
此外，對(duì)膜厚為臨界厚度以下的SiGe層來(lái)說(shuō)，其中的Ge組成率高時(shí)，它不處于完全穩(wěn)定的狀態(tài)，而處于準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，并且若在隨后工程中經(jīng)過(guò)高溫處理，就容易招致位錯(cuò)等缺陷。又從器件的可靠性和器件制造過(guò)程中的熱預(yù)算的觀點(diǎn)來(lái)講，把高Ge組成率的SiGe層用作基極層不是上策。
因此，作發(fā)射結(jié)為異質(zhì)結(jié)，憑借此異質(zhì)勢(shì)壘來(lái)提高對(duì)載流子從基極層反向注入發(fā)射極層的抑制功能，這種改善雙極型晶體管的高頻特性的辦法已經(jīng)到了極限。
本發(fā)明的第1個(gè)目的是通過(guò)在發(fā)射極層中形成與發(fā)射結(jié)中的勢(shì)壘無(wú)關(guān)具有能抑制載流子從基極層反向注入發(fā)射極層之功能的區(qū)域，謀求提高電流放大率，與此同時(shí)，緩和對(duì)增大基區(qū)摻雜濃度的限制，這樣提供一種為提高最大振蕩頻率fmax即使增大基區(qū)摻雜濃度，也能夠提高電流放大率的雙極型晶體管。
另外，在上述現(xiàn)有文獻(xiàn)3、4里所描述的雙極型晶體管、二極管等的器件中，通過(guò)在集電結(jié)中采用異質(zhì)結(jié)，抑制少數(shù)載流子從基極層注入到集電極層，這樣減少載流子累積量，以提高器件的動(dòng)作速度。但此方案也達(dá)到了極限。
其理由如下如文獻(xiàn)3所述，在Si/SiGeHBT中，若要把累積在N型Si集電極層的空穴量減少到與累積在P型SiGe基極層的電子量幾乎相等，就需要相當(dāng)大的異質(zhì)勢(shì)壘。具體說(shuō)來(lái)，需要0.2eV左右的異質(zhì)勢(shì)壘。為了在由SiGe/Si構(gòu)成的基極-集電板結(jié)中實(shí)現(xiàn)這樣的異質(zhì)勢(shì)壘，基極層的Ge組成率至少必須為25％以上。
可是，如上所述，若考慮到必須把基極層的厚度抑制在臨界厚度以下，器件的可靠性和器件制造工程中所需的熱預(yù)算，則SiGe層中的Ge組成率為25％以上過(guò)高。
也就是說(shuō)，為增大基極-集電極間的異質(zhì)結(jié)中所產(chǎn)生的異質(zhì)勢(shì)壘而提高SiGe基極層的Ge組成率這種辦法有問(wèn)題。
本發(fā)明的第2個(gè)目的是在把SiGe基極層的Ge組成率提高到臨界厚度不致過(guò)小的情況下，即借助能充分地確?？煽啃缘慕Y(jié)構(gòu)，實(shí)效地增大集電結(jié)的異質(zhì)勢(shì)壘，從而抑制少數(shù)載流子從基極層注入到集電極層，減少集電極層中的少數(shù)載流子累積量，提供一種能起到高速雙極型晶體管、二極管、I2L等元件作用的元件。
為達(dá)到上述第1個(gè)目的，在本發(fā)明的第1個(gè)雙極型晶體管的發(fā)射結(jié)附近的發(fā)射極層一側(cè)形成由不同組成的超薄膜交互疊層而形成的超晶格結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的多重量子勢(shì)壘(Multi-Quantum Barrier:MQB)，并通過(guò)利用它對(duì)從基極層反向注入的載流子波的反射效應(yīng)，實(shí)效地增加異質(zhì)勢(shì)壘的高度(勢(shì)壘高度)，這樣抑制載流子從基極層反向注入發(fā)射極層。具體結(jié)構(gòu)如下本發(fā)明的第1個(gè)雙極型晶體管由發(fā)射極層、基極層以及集電極層構(gòu)成，它在上述發(fā)射極層內(nèi)形成有多重量子勢(shì)壘部，該勢(shì)壘部是把多層勢(shì)壘層和勢(shì)阱層交互重疊起來(lái)而構(gòu)成的，并具有為使從上述基極層注入的載流子(發(fā)射極層的少數(shù)載流子)的入射波和反射波成為互相增強(qiáng)的相位而使載流子反射的功能。
按此結(jié)構(gòu)，不僅可借助由發(fā)射結(jié)的價(jià)帶的能帶不連續(xù)所產(chǎn)生的勢(shì)壘，也可借助多重量子勢(shì)壘部的反射功能來(lái)阻止基極層中的載流子反向注入發(fā)射極層中。因此，即使提高基極層的載流子濃度也能抑制載流子的反向注入，這樣，既可謀求提高最大振蕩頻率fmax等高頻特性，也能增大電流放大率。
通過(guò)由帶隙各不相同的半導(dǎo)體材料分別構(gòu)成上述多重量子勢(shì)壘部的勢(shì)壘層和勢(shì)阱層，易實(shí)現(xiàn)具有抑制載流子反向注入功能的多重量子勢(shì)壘層。
通過(guò)使包括上述多重量子勢(shì)壘部的上述發(fā)射極層中有多數(shù)載流子渡躍的能帶的能帶不連續(xù)值實(shí)質(zhì)上可忽略不計(jì)，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射極層內(nèi)移動(dòng)的多數(shù)載流子沒(méi)有阻礙作用的能帶結(jié)構(gòu)，所以能大幅度提高電流放大率。
由于上述基極層受到應(yīng)變，當(dāng)發(fā)射極層和基極層間有大的晶格常數(shù)差時(shí)，能發(fā)揮特別大的效果。
通過(guò)由帶隙各不相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成上述發(fā)射極層和基極層，并在上述基極層的導(dǎo)帶和價(jià)帶間的帶隙中設(shè)置在從與上述發(fā)射極層相接的區(qū)域向與集電極層相接的區(qū)域帶隙減少的方向上傾斜的部分，載流子在基極層內(nèi)渡躍的速度不是由擴(kuò)散速度而是由漂移速度來(lái)決定。因此，可縮短基區(qū)渡躍時(shí)間，電流增益截止頻率fT得以提高。并且，盡管通過(guò)傾斜組成基區(qū)而引起能帶不連續(xù)值減少，但是借助多重量子勢(shì)壘部可抑制載流子從基極層反向注入發(fā)射極層。還有，通過(guò)增高基極層的摻雜濃度，能降低基極電阻，或者也可以增大基極層的厚度，從而能夠提高最大振蕩頻率fmax。
尤其是，通過(guò)在上述多重量子勢(shì)壘部中采用把Si1-x-yGexCy/Si層疊起來(lái)的超晶格結(jié)構(gòu)，多重量子勢(shì)壘部中的Si1-x-yGexCy層的臨界厚度增大，所以不造成位錯(cuò)的情況下，能實(shí)效地提高多重量子勢(shì)壘部的勢(shì)壘高度。
由于上述多重量子勢(shì)壘部被形成在上述發(fā)射極層內(nèi)，并位于比上述晶體管動(dòng)作時(shí)上述發(fā)射極層和基極層間的使用電壓所產(chǎn)生的耗盡區(qū)更往外的位置上，因此，不管在什么樣的動(dòng)作狀態(tài)下，都能最大限度地發(fā)揮出其抑制載流子從基極層反向注入發(fā)射極層的功能。
通過(guò)把上述多重量子勢(shì)壘部中的處于上述基極層側(cè)端部的勢(shì)壘層設(shè)在從上述發(fā)射極層和基極層間的耗盡區(qū)到與上述基極層側(cè)的端部勢(shì)壘層相鄰的勢(shì)阱層不產(chǎn)生載流子穿通的位置上，在不使多重量子勢(shì)壘部的抑制載流子反向注入的功能變差的情況下，可希望實(shí)現(xiàn)如上所述的高頻特性的提高。
另外，為達(dá)上述第1個(gè)目的，本發(fā)明的第2個(gè)雙極型晶體管在發(fā)射極層內(nèi)設(shè)有高濃度摻雜層，從而其實(shí)際效果為提高了抑制載流子從基極層反向注入的功能。具體說(shuō)來(lái)，具有以下的結(jié)構(gòu)本發(fā)明的第2個(gè)雙極型晶體管包括摻有第1種導(dǎo)電型雜質(zhì)的發(fā)射極層、摻有第2種導(dǎo)電型雜質(zhì)的基極層以及摻有第1種導(dǎo)電型雜質(zhì)的集電板層，并在上述發(fā)射極層內(nèi)具備摻有濃度比該發(fā)射極層內(nèi)高的第1種導(dǎo)電型雜質(zhì)的高濃度摻雜層。
按照此結(jié)構(gòu)，不僅產(chǎn)生由發(fā)射結(jié)的價(jià)帶不連續(xù)而引起的勢(shì)壘，在發(fā)射極層的價(jià)帶中也產(chǎn)生由高濃度摻雜層而引起的勢(shì)壘，因此能阻止基極層中的載流子反向注入發(fā)射極層。就是說(shuō)，即使提高基極層的載流子濃度，仍能抑制載流子的反向注入，所以能謀求提高最大振蕩頻率fmax等高頻特性，同時(shí)也能夠增大電流放大率。
最好是把所述高濃度摻雜層作成厚度為10nm以下的δ摻雜層。
所述高濃度摻雜層的第1種導(dǎo)電型的載流子濃度最好是1×1019cm-3以上。
所述高濃度摻雜層的第1種導(dǎo)電型的載流子濃度最好是比上述發(fā)射極層內(nèi)的第1種導(dǎo)電型載流子的濃度高10倍以上。
由于所述高濃度摻雜層與形成在發(fā)射結(jié)中的耗盡區(qū)鄰接，能最大限度地發(fā)揮對(duì)載流子從基極層反向注入發(fā)射極層的抑制功能。
上述基極層的第2種導(dǎo)電型載流子的濃度最好是比上述發(fā)射極層的第1種導(dǎo)電型載流子的濃度高。
如果由帶隙各不相同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成所述發(fā)射極層和基極層，并使構(gòu)成發(fā)射極層的半導(dǎo)體材料的帶隙寬一些，從而在所述發(fā)射極層和基極層之間形成異質(zhì)結(jié)，就可利用異質(zhì)結(jié)的高勢(shì)壘，能進(jìn)一步提高抑制載流子從基極層反向注入發(fā)射極層的功能。此時(shí)，由于所述基極層受到應(yīng)變，所以，當(dāng)發(fā)射極層和基極層間的晶格常數(shù)之差大時(shí)，能發(fā)揮特大的效果。
為達(dá)上述第2個(gè)目的，在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，在靠近集電結(jié)的集電極層內(nèi)形成由不同組成的超薄膜交互層疊而形成的超晶格結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的多重量子勢(shì)壘(Multi-Quantum Barrier:MQB)，通過(guò)利用對(duì)從基極層注入的載流子(集電極層的少數(shù)載流子)的波動(dòng)的反射效應(yīng)，實(shí)效地增大異質(zhì)勢(shì)壘高度(勢(shì)壘高度)。具體的結(jié)構(gòu)如下本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置具備由發(fā)射極層、基極層和集電極層構(gòu)成的雙極型晶體管，所述雙極型晶體管在所述集電極層內(nèi)具備多重量子勢(shì)壘部，它是把多層勢(shì)壘層和勢(shì)阱層交互重疊而形成的，并具有為使從上述基板層注入的載流子(集電極層的少數(shù)載流子)的入射波和反射波成為互相增強(qiáng)的相位而反射載流子的功能。
按照此結(jié)構(gòu)，不僅借助集電結(jié)的價(jià)帶不連續(xù)所產(chǎn)生的勢(shì)壘，借助多重量子勢(shì)壘部的反射功能也能阻止基極層中的載流子注入集電極層。因此，即使提高基極層的載流子濃度，也可抑制少數(shù)載流子的注入。這樣，可避免集電極層內(nèi)的少數(shù)載流子的累積，結(jié)果，可提高雙極型晶體管等的動(dòng)作速度。
在上述半導(dǎo)體裝置中也可以附加具備與上述第1個(gè)雙極型晶體管相同的結(jié)構(gòu)。
通過(guò)在上述半導(dǎo)體裝置中進(jìn)一步具備以與上述雙極型晶體管的集電結(jié)相同結(jié)構(gòu)的兩個(gè)區(qū)域?yàn)闃?gòu)成單元的元件，利用多重量子勢(shì)壘部的對(duì)少數(shù)載流子注入的抑制功能，能得到動(dòng)作速度高的元件。所述元件例如是二極管。
通過(guò)在上述半導(dǎo)體裝置中組裝具有設(shè)在與上述雙極型晶體管的基極層共同的區(qū)域的集電極層、設(shè)在與上述雙極型晶體管的集電極層共同的區(qū)域的基極層、以及發(fā)射極層的其他雙極型晶體管，并使其起I2L元件的作用，能獲得占有面積小且動(dòng)作速度高的I2L元件。
此時(shí)，也可以進(jìn)一步形成至少一個(gè)與上述雙極型晶體管的基極層連接的其他集電極層，并在所述至少一個(gè)的其他集電極層的每一個(gè)中形成其他的多重量子勢(shì)壘部，該多重量子勢(shì)壘部是通過(guò)把多層勢(shì)壘層和勢(shì)阱層交互重疊起來(lái)而構(gòu)成的，因此具有為使從上述基極層注入的載流子(集電極層的少數(shù)載流子)的入射波和反射波成為互相增強(qiáng)的相位而反射載流子的功能。
下面對(duì)附圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。
圖1是第1實(shí)施例所涉及的將由Si/SiGe構(gòu)成的為多重量子勢(shì)壘部的MQB層形成在發(fā)射極層中的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的剖面圖。
圖2是第1實(shí)施例所涉及的將由Si/SiGe構(gòu)成的為多重量子勢(shì)壘部的MQB層形成在發(fā)射極層中的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的能帶圖。
圖3是憑借晶體管中的MQB層可增加的勢(shì)壘高度ΔUe的計(jì)算模式能帶圖。
圖4示出憑借MQB層可增加的勢(shì)壘高度ΔUe的計(jì)算結(jié)果。
圖5示出在通過(guò)形成MQB層來(lái)提高勢(shì)壘高度，并采用傾斜組成基區(qū)的本發(fā)明的HBT中，對(duì)基區(qū)渡躍時(shí)間相對(duì)于現(xiàn)有的均勻基區(qū)HBT可縮短的程度進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。
圖6示出在通過(guò)形成MQB層來(lái)提高勢(shì)壘高度的同時(shí)，使基極層的組成傾斜化，并增大基極層厚度的第1實(shí)施例的HBT中，對(duì)最大振蕩頻率fmax相對(duì)于現(xiàn)有的均勻基區(qū)HBT可提高的程度進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。
圖7示出第1實(shí)施例中的溫度特性得以提高的雙極型晶體管的能帶圖和溫度-電流放大率關(guān)系圖。
圖8是第2實(shí)施例所涉及的在發(fā)射極層中形成δ摻雜Si層的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的剖面圖。
圖9是第2實(shí)施例所涉及的在發(fā)射極層中形成δ摻雜Si層的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的能帶圖。
圖10是在發(fā)射極層中沒(méi)設(shè)有δ摻雜Si層的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的能帶圖。
圖11是δ摻雜Si層的載流子濃度和實(shí)效上可增大的勢(shì)壘高度的關(guān)系圖。
圖12是在發(fā)射極層中設(shè)有δ摻雜Si層和沒(méi)設(shè)有δ摻雜Si層的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管中的集電極電流和電流放大率β的關(guān)系圖。
圖13是第3實(shí)施例所涉及的將由Si/SiGe構(gòu)成的為多重量子勢(shì)壘部的MQB層形成在集電極層中的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的剖面圖。
圖14是第3實(shí)施例所涉及的將MQB層形成在集電極層中的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的能帶圖。
圖15是第4實(shí)施例所涉及的將MQB層形成在兩個(gè)集電極層中的I2L元件的剖面結(jié)構(gòu)圖。
圖16是第4實(shí)施例中的I2L元件的等效電路圖。
圖17是具有在集電極層中設(shè)有MQB層的雙極型晶體管和只采用雙極型晶體管的基區(qū)、集電區(qū)的二極管的半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖18是以往的采用傾斜組成基區(qū)的SiGe系列NPN型異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的能帶圖。
圖19是以往的采用均勻組成基區(qū)的SiGe系列NPN型異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的能帶圖。
下面，參照


本發(fā)明的各實(shí)施例。
(第1實(shí)施例)本實(shí)施例涉及一種異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，它在發(fā)射結(jié)附近的發(fā)射極層一側(cè)形成有具有把組成各不相同的超薄膜交互層疊起來(lái)的超晶格結(jié)構(gòu)的多重量子勢(shì)壘層。
圖1示出本實(shí)施例所涉及的將由Si/SiGe超晶格構(gòu)成的多重量子勢(shì)壘形成在發(fā)射極層中的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)。如該圖所示，在Si襯底1上面依次層疊形成了摻有高濃度砷的n型Si子集電層2、摻有砷的n型Si集電極層3、摻有高濃度硼的p型SiGe基極層4、摻有砷的n型Si發(fā)射極層5以及摻有高濃度砷的n型Si發(fā)射極接觸層6。此外，在Si子集電層2、SiGe基極層4和Si發(fā)射極接觸層6的上面分別形成有集電極20、基極21和發(fā)射電極22。
在此，高濃度n型Si子集電層2的厚度約為500nm，此層中砷(n型雜質(zhì))的濃度約為2×1019cm-3。n型Si集電極層3的厚度約為650nm，此層中砷的濃度約為1×1017cm-3。高濃度p型SiGe基極層4的厚度約為50nm，此層中硼(p型雜質(zhì))的濃度約為1×1019cm-3。n型Si發(fā)射極層5的厚度約為100nm，該層中砷的濃度約為2×1018cm-3。高濃度n型Si發(fā)射極接觸層6的厚度約為50nm，此層中砷的濃度約為2×1019cm-3。這些層都是由分子束外延生長(zhǎng)法(MBE法)依次層疊而形成的。
并且，在所述Si發(fā)射極層5內(nèi)的發(fā)射結(jié)附近設(shè)有MQB層10，此層是交互層疊超薄膜的Si層和SiGe層而形成的超晶格結(jié)構(gòu)的多重量子勢(shì)壘部。設(shè)定此MQB層10的組成和厚度以使它能反射作為波要從SiGe基極層4反向注入Si發(fā)射極層5的空穴，且能使空穴的入射波和空穴的反射波成為互相加強(qiáng)的相位。就是說(shuō)，MQB層10是將厚度為L(zhǎng)1的SiGe勢(shì)阱層10a和厚度為L(zhǎng)2的Si勢(shì)壘層10b層疊而構(gòu)成的，設(shè)定所述各勢(shì)阱層10a和所述各勢(shì)壘層10b的厚度及組成，以滿足下式(3)的關(guān)系。
m1*:SiGe層(勢(shì)阱層)中的空穴的有效質(zhì)量m2*:Si層(勢(shì)壘層)中的空穴的有效質(zhì)量L1:SiGe層(勢(shì)阱層)的厚度L2:Si層(勢(shì)壘層)的厚度E :入射空穴的能量ΔEv :Si/SiGe異質(zhì)結(jié)的價(jià)帶不連續(xù)值h :普朗克常數(shù)m、n :整數(shù)具體說(shuō)來(lái)，本實(shí)施例的MQB層10是作厚為1.4nm的Si組成的勢(shì)壘層10b和厚為1.4nm的Si0.7Ge0.3組成的勢(shì)阱層10a為一組，從而將它們層疊5組而構(gòu)成的超晶格層。此時(shí)，憑MQB而實(shí)質(zhì)上被增大的勢(shì)壘高度約為150meV。
另外，SiGe基極層4采用傾斜組成基區(qū)結(jié)構(gòu)，其中Ge組成率基本上是在從與Si發(fā)射極層5接觸的區(qū)域到與Si集電極層3接觸的區(qū)域的方向上，從0％連續(xù)增加到20％。
圖2是本實(shí)施例所涉及的在Si發(fā)射極層5內(nèi)形成由Si/SiGe超晶格構(gòu)成的多重量子勢(shì)壘層的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的能帶圖。如該圖所示，在Si發(fā)射極層5內(nèi)的發(fā)射結(jié)附近的區(qū)域中形成有把5組Si勢(shì)壘層10b和Si0.7Ge0.3勢(shì)阱層10a層疊而成的多重量子勢(shì)壘層(MQB層)10。于是便由此MQB層10形成了如圖2中的虛線所示的勢(shì)壘。該勢(shì)壘具有對(duì)要從SiGe基極層4流向Si發(fā)射極層5的空穴進(jìn)行反射的作用。此作用所帶來(lái)的實(shí)際效果為要從SiGe基極層4注入的空穴所感受到的勢(shì)壘高度增加了150meV左右。由于實(shí)際效果是增加了勢(shì)壘高度，即使增加SiGe基極層4的空穴濃度，也仍能抑制空穴反向注入Si發(fā)射極層5，因此能確保足夠的電流增益。從而，能實(shí)現(xiàn)最大振蕩頻率fmax非常高的HBT。
圖3示出采用本發(fā)明的MQB層10可增加的勢(shì)壘高度ΔUe的計(jì)算模式。在此，計(jì)算Si/Si0.8Ge0.2、Si/Si0.7Ge0.3和Si/Si0.6Ge0.4這三種情況下的構(gòu)成MQB層10的5組Si/SiGe超晶格結(jié)構(gòu)的ΔUe。此時(shí)，勢(shì)阱層10a和勢(shì)壘層10b之間的各異質(zhì)結(jié)的價(jià)帶中的能帶不連續(xù)值ΔEv分別為150meV、225meV和300meV。如圖3所示，憑借MQB層10而形成的勢(shì)壘(參照?qǐng)D3中的虛線)的下端和價(jià)帶能級(jí)之差就是由MQB層10而被增加的勢(shì)壘高度ΔUe。
還有，在圖2中所示的整個(gè)MQB層10和Si發(fā)射極層5的導(dǎo)帶能級(jí)Ec幾乎平坦，但正確情況是如圖3所示，MQB層10中的SiGe層的導(dǎo)帶能級(jí)比Si層的導(dǎo)帶能級(jí)稍低。但是，由于此能級(jí)差極小，所以實(shí)質(zhì)上也可以把整個(gè)MQB層10和Si發(fā)射極層5的能帶偏置量視為幾乎等于0。
圖4示出通過(guò)MQB層10而增加的勢(shì)壘高度ΔUe隨勢(shì)阱層10a和勢(shì)壘層10b的疊層組數(shù)的變化而變化的結(jié)果。在此，用Si1-xGex的化學(xué)式來(lái)表示構(gòu)成勢(shì)阱層10a的SiGe，并對(duì)把其中的x值依次變?yōu)?.2、0.3、0.4時(shí)，即就Si/Si0.8Ge0.2、Si/Si0.7Ge0.3和Si/Si0.6Ge0.4這三種情況進(jìn)行計(jì)算。橫軸是被換算為原子層數(shù)(1個(gè)原子層為(5.43/4))的勢(shì)阱層/勢(shì)壘層的厚度。如該圖所示，在把x改變?yōu)?.2、0.3、0.4時(shí)，哪一個(gè)MQB層10都呈一個(gè)傾向即層數(shù)愈多，勢(shì)壘高度ΔUe值反而減少。另外，層數(shù)過(guò)少時(shí)會(huì)出現(xiàn)空穴穿通概率不再是0的情形(圖中未示)。
此外，Ge組成率愈高，勢(shì)壘高度ΔUe的最大值愈大，由8/8原子層構(gòu)成Si/Si0.6Ge0.4時(shí)，ΔUe大約為240meV。也就是說(shuō)，特別是所帶來(lái)的實(shí)際效果為MQB層10的勢(shì)壘高度增加240meV左右時(shí)，能顯著地發(fā)揮抑制空穴從SiGe基極層4反向注入Si發(fā)射極層5的功能。
但，只要是在MQB層10的實(shí)效勢(shì)壘高度ΔUe大約為100meV以上的情況下，即使MQB層10的厚度和組成有點(diǎn)偏差也易于得到所述的對(duì)空穴反向注入的抑制功能。
另外，當(dāng)用SiGe作MQB層10內(nèi)的勢(shì)阱層10a時(shí)，為提高勢(shì)壘高度ΔUe，必須進(jìn)一步提高勢(shì)阱層10a中的Ge組成率?？墒?，隨著Ge組成率的提高，卻會(huì)發(fā)生因SiGe的臨界厚度的關(guān)系而產(chǎn)生位錯(cuò)之擔(dān)憂。
順便說(shuō)一下，采用由Si構(gòu)成下層的Si0.8Ge0.2、Si0.7Ge0.3和Si0.6Ge0.4時(shí)的臨界厚度分別是180nm、56nm、25nm左右。
在此，為提高臨界厚度的有效方法是把MQB層10內(nèi)的勢(shì)阱層10a和勢(shì)壘層10b分別由Si1-x-yGexCy和Si構(gòu)成。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使Ge組成率為40％以上，并在其中加入少量(幾％左右)的碳，就可以在不使發(fā)射結(jié)的能帶不連續(xù)值ΔEv發(fā)生大變化的情況下減少晶格應(yīng)變，結(jié)果可提高勢(shì)阱層10a的臨界厚度的緣故。就是說(shuō)，通過(guò)由Si1-x-yGexCy/Si構(gòu)成MQB層10，便可以在不超過(guò)臨界厚度的條件之下獲得更大的能帶不連續(xù)值ΔEv其結(jié)果，能有效地抑制空穴從SiGe基極層4反向注入Si發(fā)射極層5。
接下來(lái)，將對(duì)在Si發(fā)射極層5中形成MQB層10來(lái)實(shí)際提高勢(shì)壘高度ΔUe的HBT中的高頻特性的改善效果進(jìn)行說(shuō)明。
圖5示出采用MQB層10來(lái)提高勢(shì)壘高度ΔUe，并使SiGe基極層4中的Ge組成率傾斜化(如圖2所示)時(shí)，對(duì)載流子的基區(qū)渡躍時(shí)間τB相對(duì)于現(xiàn)有的均勻基區(qū)HBT被縮短的程度(基區(qū)渡躍時(shí)間的縮短系數(shù))進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。在此，如下式(4)、(5)所示，基區(qū)渡躍時(shí)間τB是可直接影響到電流增益截止頻率fT的系數(shù)，基區(qū)渡躍時(shí)間τB越短，電流增益截止頻率fT越大。
fT=1/(2π·τEC)…(4)τEc=τE+τEB+τB+τBC+τC…(5)在此，τEC是載流子在發(fā)射區(qū)-集電區(qū)間渡躍的時(shí)間，τE是反向注入發(fā)射區(qū)的少數(shù)載流子的累積時(shí)間，τEB是CEB的充放電時(shí)間，τB是基區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子的渡躍時(shí)間，τBc是CBC的充放電時(shí)間，τC是集電區(qū)內(nèi)的電子渡躍時(shí)間。
但是，在采用均勻組成基極層的情況下，τB就由下式(6)所示的擴(kuò)散速度來(lái)決定。
τB=WB2/(2k·T·μe/q)…(6)在此，WB是基極層的厚度，μe是電子的速度，T是溫度。
另外，在采用傾斜組成基極層的情況下，τB幾乎由下式(7)、(8)所示的漂移速度決定。
τB=WB/(μe·E) …(7)E=ΔEgr/q·WB…(8)從圖5得知，若以現(xiàn)有均勻組成基極層的厚度來(lái)構(gòu)成傾斜組成的基板層，基區(qū)渡躍時(shí)間對(duì)應(yīng)于傾斜程度而被縮短。由傾斜組成而產(chǎn)生的帶隙的傾斜為300meV時(shí)，基區(qū)渡躍時(shí)間可縮短到均勻組成基極層的2成左右。
圖6示出在通過(guò)形成MQB層10來(lái)提高勢(shì)壘高度ΔUe的同時(shí)，使基極層的組成傾斜化，并為降低基極電阻RB而增大基極層厚度的HBT中，對(duì)最大振蕩頻率fmax比上述具有高濃度摻雜的均勻組成基極層的現(xiàn)有的HBT被提高的程度(fmax增大系數(shù))進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。但在此，設(shè)SiGe基極層的厚度為本發(fā)明的基區(qū)渡躍時(shí)間和現(xiàn)有的HBT中的高濃度摻雜的均勻組成基極層相等時(shí)的那一厚度。由于通過(guò)使基極層傾斜組成化可縮短基區(qū)渡躍時(shí)間，所以如該圖所示，由傾斜組成所產(chǎn)生的帶隙的傾斜程度越大，基極層的厚度就可以做得越厚。結(jié)果，基極電阻RB降低，上式(1)所示的最大振蕩頻率fmax提高了。如該圖所示，借助傾斜組成的帶隙的傾斜為300meV時(shí)，最大振蕩頻率fmax可提高到均勻組成基極層的1.5倍以上。
總的來(lái)說(shuō)，在本發(fā)明的HBT中，憑借上述圖5和圖6中所示的高頻特性能獲得以下的效果。
第1，通過(guò)在Si發(fā)射極層5內(nèi)形成勢(shì)壘高度為ΔUe的MQB層10，能實(shí)效地增大了發(fā)射結(jié)的價(jià)帶中的能帶不連續(xù)值ΔEv(參照式(2))，能謀求提高電流放大率β。也就是說(shuō)，由于形成有用來(lái)抑制空穴從SiGe基極層4反向注入Si發(fā)射極層5的MQB層10，式(2)中所示的從基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電流Jp減少，從而電流放大率β提高。不管發(fā)射結(jié)是否是異質(zhì)結(jié)，均能獲得所述效果。因此，不僅是HBT，一般的雙極型晶體管也能發(fā)揮同樣的效果。
第2，由于在Si發(fā)射極層5內(nèi)形成MQB層10，并使SiGe基極層4的組成傾斜化，即為使SiGe基極層4的帶隙從與Si發(fā)射極層5相接的區(qū)域向與Si集電極層3相接的區(qū)域逐漸減少而變化SiGe基極層4中的Ge組成率，所以能謀求提高電流增益截止頻率fT。如上所述，在現(xiàn)有的均勻基區(qū)HBT中，如果為降低基極電阻而增加基區(qū)摻雜濃度，就會(huì)導(dǎo)致空穴反向注入量的增加，故不能確保足夠的電流增益。與此相對(duì)，在本發(fā)明的HBT中，借助MQB層10實(shí)際效果是提高了勢(shì)壘高度。因此，即便采用傾斜組成的基區(qū)來(lái)減少發(fā)射結(jié)的異質(zhì)結(jié)所產(chǎn)生的能帶不連續(xù)值，并提高基區(qū)摻雜濃度，仍能確保夠高的勢(shì)壘，故能抑制空穴的反向注入。就是說(shuō)，能把摻有高濃度雜質(zhì)的基板層傾斜組成化。這是以往的技術(shù)中所未能做到的。結(jié)果，可縮短電子的基區(qū)渡躍時(shí)間，從而提高高頻特性。
第3，若把基極層傾斜地組成，可縮短基區(qū)渡躍時(shí)間，因此，由傾斜組成而產(chǎn)生的帶隙的傾斜越大，基極層的厚度就可以做得越厚。結(jié)果，基極電阻下降，可希望提高最大振蕩頻率fmax。
第4，即使Ge組成率低，也能確保足夠的電流增益。所以，可抑制采用高Ge組成率時(shí)因在隨后工程中的熱處理履歷所引起的位錯(cuò)問(wèn)題的產(chǎn)生，換句話說(shuō)，能得到可提高熱預(yù)算的效果。即，對(duì)器件的制程容限的提高和器件的可靠性的提高也有效果。
第5，雙極型晶體管的溫度特性也得以提高。即，如圖7(a)所示，高溫時(shí)，SiGe基極層4的價(jià)帶中的空穴的濃度分布向下移動(dòng)，因此，如圖7(b)中的特性線Line1和Line2所示，雙極型晶體管的電流放大率β一般呈隨溫度T的升高而降低的特性。能帶不連續(xù)值ΔEv小的時(shí)候，此傾向特別顯著。與此相對(duì)，按照本發(fā)明的雙極型晶體管，借助MQB層10對(duì)空穴反向注入的抑制功能，如圖7(b)中的特性線Line3所示，在高溫的情況下也能得到高電流放大率β。
綜上所述，通過(guò)在異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的發(fā)射極層5內(nèi)的發(fā)射結(jié)附近形成MQB層10，可謀求實(shí)現(xiàn)電流增益和高頻特性的提高。
還有，為了確保所述MQB層10的阻擋功能，最好把整個(gè)MQB層10形成在比發(fā)射極-基極間的使用電壓下的耗盡區(qū)(使用電壓施加到發(fā)射極-基極間時(shí)產(chǎn)生損耗的區(qū)域)更往外的區(qū)域中。其理由是如果MQB層10的一部分處于耗盡區(qū)內(nèi)，就發(fā)生在該部分中不能充分地發(fā)揮對(duì)空穴反向注入的抑制功能之虞。并且，MQB層10中的靠近SiGe基極層4的勢(shì)壘層10b最好是形成在從上述耗盡區(qū)到與該勢(shì)壘層10b鄰接的勢(shì)阱層10a不發(fā)生空穴穿通的位置上。這是因?yàn)榇┩ǖ陌l(fā)生會(huì)降低對(duì)空穴反向注入的抑制功能的緣故。但是，MQB層10最好形成在Si發(fā)射極層5內(nèi)且離SiGe基極層4的距離不超過(guò)空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度的位置上。
在本實(shí)施例中，對(duì)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管單體的特性之提高進(jìn)行了說(shuō)明，但當(dāng)然也可以把本發(fā)明的HBT應(yīng)用在把雙極型晶體管和MOS晶體管集成在一起的BiCMOS器件中的雙極型晶體管上。
又在本實(shí)施例中，把NPN型SiGeHBT為例進(jìn)行了說(shuō)明，但不用說(shuō)也可以適用于PNP雙極型晶體管。此外，如已說(shuō)明過(guò)的那樣，本發(fā)明也可適用于不是HBT的普通的同質(zhì)結(jié)雙極型晶體管或者把GaAs、AlGaAs等III-V族化合物半導(dǎo)體層重疊起來(lái)的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
(第2實(shí)施例)本實(shí)施例涉及一種在發(fā)射結(jié)附近的發(fā)射極層一側(cè)形成載流子濃度極高的δ摻雜層，通過(guò)提高實(shí)效上的異質(zhì)勢(shì)壘高度(勢(shì)壘高度)來(lái)抑制載流子從基極層反向注入，從而謀求提高電流增益和高頻特性的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
圖8示出本實(shí)施例所涉及的在發(fā)射極層中形成δ摻雜層的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)。如該圖所示，在Si襯底1上面由MBE法依次層疊形成了摻有高濃度銻的n型Si子集電層2、摻有銻的n型Si集電極層3、摻有高濃度硼的p型SiGe基極層4、摻有銻的n型Si發(fā)射極層5以及摻有高濃度銻的n型Si發(fā)射極接觸層6。此外，在Si子集電層2、SiGe基極層4和Si發(fā)射極接觸層6上面分別形成有集電極20、基極21和發(fā)射電極22。
在此，高濃度n型Si子集電層2的厚度約為500nm，此層中銻(n型雜質(zhì))的濃度約為2×1019cm-3。n型Si集電極層3的厚度約為650nm，此層中銻的濃度約為1×1017cm-3。高濃度p型SiGe基極層4的厚度約為50nm，此層中硼(p型雜質(zhì))的濃度約為1×1019cm-3。n型Si發(fā)射極層5的厚度約為100nm，該層中銻的濃度約為2×1018cm-3。高濃度n型Si發(fā)射極接觸層6的厚度約為50nm，此層中銻的濃度約為2×1019cm-3。
并且，在n型Si發(fā)射極層5中的發(fā)射結(jié)附近形成有摻有高濃度n型雜質(zhì)的δ摻雜Si層11。該δ摻雜Si層11的厚度大約是5nm，雜質(zhì)濃度大約是1×1020cm-3，且形成在從發(fā)射結(jié)部向發(fā)射極層一側(cè)只進(jìn)入約40nm的位置上。在此實(shí)施例中，用銻作n型摻雜劑。另外，SiGe基極層4采用傾斜組成基區(qū)結(jié)構(gòu)，其中Ge組成率基本上是在從與Si發(fā)射極層5相接的區(qū)域到與Si集電極層3相接的區(qū)域的方向上，從0％連續(xù)增加到30％。
圖9是本實(shí)施例所涉及的在發(fā)射極層中形成δ摻雜Si層的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的能帶圖。圖10是在Si發(fā)射極層中沒(méi)形成δ摻雜Si層的以往的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的能帶圖。
從圖9和圖10可知，在發(fā)射結(jié)附近的發(fā)射極層一側(cè)形成摻有高濃度n型雜質(zhì)的δ摻雜Si層11時(shí)，由于此δ摻雜Si層11能帶被調(diào)制，對(duì)空穴的勢(shì)壘形成了。就是說(shuō)，從SiGe基極層4的空穴來(lái)看，通過(guò)形成δ摻雜Si層11可在實(shí)效上提高勢(shì)壘高度。其結(jié)果，即使提高SiGe基極層4的空穴濃度也能抑制空穴向發(fā)射極層的反向注入，可確保足夠的電流增益。因此，能實(shí)現(xiàn)基極電阻小、最大振蕩頻率fmax非常高的HBT。
但是，由δ摻雜Si層11可增大的勢(shì)壘高度，根據(jù)δ摻雜Si層11中的載流子濃度、δ摻雜Si層11周邊的Si發(fā)射極層5中的載流子濃度、δ摻雜Si層11中的雜質(zhì)分布等的不同而發(fā)生變化。
圖11是相對(duì)于δ摻雜Si層中的載流子濃度(在本實(shí)施例中為n型雜質(zhì)的濃度，但在PNP型異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管中為p型雜質(zhì)的濃度)的勢(shì)壘高度的變化特性圖。但，圖11是在Si發(fā)射極層的載流子濃度為1×1018cm-3時(shí)的特性圖。在本實(shí)施例中，Si發(fā)射極層5的載流子濃度是2×1018cm-3，δ摻雜Si層11中的載流子濃度是1×1020cm-3，兩者間的載流子濃度比為1∶50。就是說(shuō)，憑借本實(shí)施例的δ摻雜Si層11能把勢(shì)壘高度提高100meV左右，該值就相當(dāng)于在圖11中δ摻雜Si層11的載流子濃度為5×1019cm-3時(shí)(即，兩者的濃度比為1∶50時(shí))的勢(shì)壘高度。
為了更有效地發(fā)揮本發(fā)明的效果，上述δ摻雜Si層11的載流子濃度最好是1×1019cm-3以上。還有，憑δ摻雜Si層11的勢(shì)壘增大量最好是大于10倍左右。從該圖能看到，在δ摻雜Si層11的載流子濃度為Si發(fā)射極層5的載流子濃度的10倍時(shí)，所提高的勢(shì)壘高度為50meV。因此，δ摻雜Si層11的載流子濃度最好是Si發(fā)射極層5的載流子濃度的10倍以上。
并且，通過(guò)設(shè)SiGe基極層4的載流子濃度高于Si發(fā)射極層5的載流子濃度，可抑制PN結(jié)處的電容增大，同時(shí)可降低基板電阻，這可說(shuō)是理想的。
圖12示出在發(fā)射極層中設(shè)有δ摻雜Si層11的本實(shí)施例的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管中的集電極電流和電流放大率β的關(guān)系(該圖中的實(shí)線所示)、和在發(fā)射極層中沒(méi)設(shè)有δ摻雜Si層的以往的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管中的集電極電流和電流放大率β的關(guān)系(該圖中的虛線所示)。從該圖可知，在本實(shí)施例中，由于在Si發(fā)射極層5中形成了δ摻雜Si層11，電流放大率β得以提高。特別是在集電極電流大的區(qū)域中，兩者間的電流放大率β之差顯著。象這樣，若采用本實(shí)施例所涉及的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，盡管在集電極電流大的情況下也能得到高電流放大率β，因此電流增益截止頻率的最大值fTmax也提高，與沒(méi)有δ摻雜Si層的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管相比，可提高25％左右。
另外，若提高SiGe基極層4中的Ge組成率，由于SiGe的臨界厚度的關(guān)系，就會(huì)發(fā)生產(chǎn)生位錯(cuò)之擔(dān)憂。順便說(shuō)一下，采用下層為Si的Si0.8Ge0.2、Si0.7Ge0.3和Si0.6Ge0.4時(shí)，臨界厚度分別為180nm、56nm、25nm左右。
在此，為提高臨界厚度的有效方法是由Si1-x-yGexCy構(gòu)成基極層。其理由是通過(guò)使Ge組成率為40％以上，并在其中加入少量(幾％左右)的碳，就可以在不使發(fā)射結(jié)的能帶不連續(xù)值ΔEv發(fā)生大變化的情況下減少晶格應(yīng)變，結(jié)果可提高基極層的臨界厚度。就是說(shuō)，通過(guò)由Si1-x-yGexCy構(gòu)成基極層，便可以在不超過(guò)臨界厚度的條件之下獲得更大的能帶不連續(xù)值ΔEv。
另外，通過(guò)在Si發(fā)射極層5中形成δ摻雜Si層11來(lái)實(shí)效地提高勢(shì)壘高度，并具有傾斜組成的SiGe基極層4(參照?qǐng)D9)的HBT中的高頻特性的改善效果如在第1實(shí)施例中說(shuō)明過(guò)的圖5和圖6所示。
總的來(lái)說(shuō)，按照本實(shí)施例所涉及的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)，能獲得以下的效果。
第1，通過(guò)在Si發(fā)射極層5內(nèi)形成可在實(shí)效上增大勢(shì)壘高度的δ摻雜Si層11，能發(fā)揮與發(fā)射結(jié)的價(jià)帶中的能帶不連續(xù)值ΔEv得以實(shí)質(zhì)上的增大(參照式(2))一樣的效果，并能希望提高電流放大率β。也就是說(shuō)，由于形成有用來(lái)抑制空穴從SiGe基極層4反向注入Si發(fā)射極層5的δ摻雜Si層11，式(2)中所示的從基極層流向發(fā)射極層的電流JP減少，從而電流放大率β提高。不管發(fā)射結(jié)是否是異質(zhì)結(jié)，均能獲得所述效果。因此，不僅是HBT，普通的雙極型晶體管也能發(fā)揮同樣的效果。
第2，由于在Si發(fā)射極層5內(nèi)形成δ摻雜Si層11，并使SiGe基極層4的組成傾斜化，即為使SiGe基極層4的帶隙從與Si發(fā)射極層5相接的區(qū)域向與Si集電極層3相接的區(qū)域減少而變化SiGe基極層4中的Ge組成率，所以能謀求提高電流增益截止頻率fT。如上所述，在現(xiàn)有的均勻基區(qū)HBT中，如果為降低基極電阻而增加基區(qū)摻雜濃度，就導(dǎo)致空穴反向注入量的增加，故不能確保足夠的電流增益了。與此相對(duì)，在本發(fā)明的HBT中，借助了δ摻雜Si層11可在實(shí)效上提高異質(zhì)結(jié)處的勢(shì)壘高度。因此，即便在SiGe基極層4中采用傾斜組成結(jié)構(gòu)來(lái)減少發(fā)射結(jié)的異質(zhì)結(jié)所產(chǎn)生的能帶不連續(xù)值，并提高基區(qū)摻雜濃度，仍能確保足夠高的勢(shì)壘，故能抑制空穴的反向注入。就是說(shuō)，能把摻有高濃度雜質(zhì)的基極層傾斜組成化。這是以往的技術(shù)中不能做到的。結(jié)果，可縮短電子的基區(qū)渡躍時(shí)間，從而提高高頻特性。
第3，通過(guò)把基極層傾斜地組成，可縮短基區(qū)渡躍時(shí)間，因此基極層的厚度就可以做得越厚。結(jié)果，基極電阻下降，可希望提高最大振蕩頻率fmax。
第4，即使Ge組成率低，也能確保足夠的電流增益。所以，可抑制采用高Ge組成率時(shí)因在隨后工程中的熱處理履歷所引起的位錯(cuò)問(wèn)題的產(chǎn)生。就是說(shuō)，在采用均勻組成基極層的以往的HBT中，要在SiGe基極層中摻入高濃度雜質(zhì)時(shí)，必須設(shè)SiGe基極層的Ge組成率高，結(jié)果，由于和Si集電極層之間的晶格常數(shù)之差變大，導(dǎo)致因晶格常數(shù)之差而產(chǎn)生位錯(cuò)的臨界厚度變小的問(wèn)題發(fā)生?？墒?，在本實(shí)施例中，通過(guò)形成δ摻雜Si層11可實(shí)效地提高勢(shì)壘高度，因此，SiGe基極層4的Ge組成率設(shè)得不高，也能得到足夠的高頻特性。另外，低Ge組成率也能確保足夠的電流增益，所以可抑制采用高Ge組成率時(shí)因在隨后工程中的熱處理履歷所引起的位錯(cuò)問(wèn)題的產(chǎn)生。換句話說(shuō)，也能得到可提高熱預(yù)算的效果。即，對(duì)器件的制程容限的提高和器件的可靠性的提高也有效果。
第5，雙極型晶體管的溫度特性也得以提高。即，高溫時(shí)，SiGe基極層4的價(jià)帶中的空穴的濃度分布向下移動(dòng)，因此，雙極型晶體管的電流放大率β呈隨著溫度T的升高而降低的特性。能帶不連續(xù)值ΔEv小的時(shí)候，此傾向特別顯著。與此相對(duì)，按照本發(fā)明的雙極型晶體管，借助δ摻雜Si層11對(duì)空穴反向注入的抑制功能，在高溫的情況下也能得到高電流放大率β。
綜上所述，通過(guò)在異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的發(fā)射極層5內(nèi)的發(fā)射結(jié)附近形成δ摻雜Si層11，可謀求實(shí)現(xiàn)電流增益和高頻特性的提高。
還有，為了確保所述δ摻雜Si層11的阻擋功能，最好把整個(gè)δ摻雜Si層11形成在比發(fā)射極-基極間的使用電壓下的耗盡區(qū)(使用電壓施加到發(fā)射極-基極間時(shí)產(chǎn)生損耗的區(qū)域)更往外且與耗盡區(qū)鄰接的區(qū)域中。其理由是如果δ摻雜Si層11的一部分處于耗盡區(qū)內(nèi)，勢(shì)壘高度降低，從而發(fā)生對(duì)空穴反向注入的抑制功能減少之虞。但是，δ摻雜Si層11最好形成在Si發(fā)射極層5內(nèi)且離SiGe基極層4的距離不超過(guò)空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度的位置上。
在本實(shí)施例中，對(duì)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管單體的特性之提高進(jìn)行了說(shuō)明，但當(dāng)然也可以把本發(fā)明的HBT應(yīng)用在把雙極型晶體管和CMOS集成在一起的BiCMOS器件中的雙極型晶體管上。
又在本實(shí)施例中，把NPN型SiGeHBT為例進(jìn)行了說(shuō)明，但不用說(shuō)也可以適用于PNP雙極型晶體管。此外，如已說(shuō)明過(guò)的那樣，本發(fā)明也可適用于不是HBT的普通的同質(zhì)結(jié)雙極型晶體管或者把GaAs、AlGaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層重疊起來(lái)的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
(第3實(shí)施例)圖13示出本實(shí)施例所涉及的將由Si/SiGe超晶格構(gòu)成的多重量子勢(shì)壘形成在集電極層中的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)。如該圖所示，在Si襯底1上面依次層疊形成了摻有高濃度砷的n型Si子集電層2、摻有砷的n型Si集電極層3、摻有高濃度硼的p型SiGe基極層4、摻有砷的n型Si發(fā)射極層5以及摻有高濃度砷的n型Si發(fā)射極接觸層6。此外，在Si子集電層2、SiGe基極層4和Si發(fā)射極接觸層6上面分別形成有集電極20、基極21和發(fā)射電極22。
在此，高濃度n型Si子集電層2的厚度約為500nm，此層中砷(n型雜質(zhì))的濃度約為2×1019cm-3。n型Si集電極層3的厚度約為650nm，此層中砷的濃度約為1×1017cm-3。高濃度p型SiGe基極層4的厚度約為50nm，此層中硼(p型雜質(zhì))的濃度約為1×1019cm-3。n型Si發(fā)射極層5的厚度約為100nm，該層中砷的濃度約為2×1018cm-3。高濃度n型Si發(fā)射極接觸層6的厚度約為50nm，此層中砷的濃度約為2×1019cm-3。這些層都是由MBE法依次層疊而形成的。
并且，在所述Si集電極層3內(nèi)的集電結(jié)附近設(shè)有MQB層12，此層是交互層疊超薄膜的Si層和SiGe層而形成的超晶格結(jié)構(gòu)的多重量子勢(shì)壘部。設(shè)定此MQB層12的組成和厚度以使它能反射作為波要從SiGe基極層4射入Si集電極層3的空穴，且能使入射波和反射波成為互相加強(qiáng)的相位。就是說(shuō)，MQB層12是將厚度為L(zhǎng)1的SiGe勢(shì)阱層12a和厚度為L(zhǎng)2的Si勢(shì)壘層12b層疊而構(gòu)成的，而且和第1實(shí)施例一樣，設(shè)定所述各勢(shì)阱層12a和所述各勢(shì)壘層12b的厚度及組成以滿足下式(3)的關(guān)系。
m1*:SiGe層(勢(shì)阱層)中的空穴的有效質(zhì)量m2*:Si層(勢(shì)壘層)中的空穴的有效質(zhì)量L1:SiGe層(勢(shì)阱層)的厚度L2:Si層(勢(shì)壘層)的厚度E :入射空穴的能量ΔEv :Si/SiGe異質(zhì)結(jié)的價(jià)帶不連續(xù)值h :普朗克常數(shù)m、n :整數(shù)具體說(shuō)來(lái)，本實(shí)施例的MQB層12是作厚為1.5nm的Si組成的勢(shì)壘層12b和厚為1.5nm的Si0.8Ge0.2組成的勢(shì)阱層12a為一組，從而將它們層疊5組而構(gòu)成的超晶格層。此時(shí)，憑MQB層12而實(shí)質(zhì)上被增大的勢(shì)壘高度約為130meV。
另外，SiGe基極層4采用傾斜組成基區(qū)結(jié)構(gòu)，其中Ge組成率基本上是在從與Si發(fā)射極層5接觸的區(qū)域到與Si集電極層3接觸的區(qū)域的方向上，從0％連續(xù)增加到20％。因此，SiGe基極層4中的空穴所感受到的勢(shì)壘高度為由Si/Si0.8Ge0.2組成的基極-集電極間的異質(zhì)結(jié)所產(chǎn)生的價(jià)帶偏移量150meV加上由MQB層12實(shí)質(zhì)上被提高的勢(shì)壘高度130meV的合計(jì)280meV從而能充分地抑制從SiGe基極層4注入的少數(shù)載流子積累在Si集電極層3中。
圖14是本實(shí)施例所涉及的在Si集電極層3內(nèi)形成由Si/SiGe超晶格構(gòu)成的多重量子勢(shì)壘層的NPN異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的能帶圖。如該圖所示，在Si集電極層3內(nèi)的集電結(jié)附近形成有把5組Si勢(shì)壘層12b和Si0.8Ge0.2勢(shì)阱層12a層疊而成的多重量子勢(shì)壘。于是便由此MQB層12形成了如圖14中的虛線所示的勢(shì)壘。該勢(shì)壘具有對(duì)要從SiGe基極層4注入Si集電極層3的空穴進(jìn)行反射的作用。借助于此作用，要從SiGe基極層4注入的空穴所感受到的勢(shì)壘高度實(shí)效上增加了130meV左右。由于實(shí)際效果是增加了勢(shì)壘高度，即使增加SiGe基極層4的空穴濃度，也仍能抑制空穴注入Si集電極層3，結(jié)果Si集電極層3中的少數(shù)載流子的累積量減少，從而提高動(dòng)作速度。
另外，借助本實(shí)施例的形成在集電極層中的MQB層12可增加的勢(shì)壘高度ΔUe的計(jì)算模式和在發(fā)射極層中形成MQB層的第1實(shí)施例一樣(如圖3所示)。就是說(shuō)，就構(gòu)成MQB層12的5組Si/SiGe超晶格結(jié)構(gòu)的ΔUe，以Si/Si0.8Ge0.2、Si/Si0.7Ge0.3和Si/Si0.6Ge0.4這三種情況為例進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)，勢(shì)阱層12a和勢(shì)壘層12b之間的各異質(zhì)結(jié)的價(jià)帶中的能帶不連續(xù)值ΔEv分別為150meV、225meV和300meV。但在本實(shí)施例中，均設(shè)勢(shì)阱層12a和勢(shì)壘層12b的厚度為1.5nm，因此實(shí)際數(shù)值和圖3中所示的不一樣。
此外，相對(duì)于勢(shì)阱層12a和勢(shì)壘層12b的疊層組數(shù)的變化而對(duì)靠MQB層12增加的勢(shì)壘高度ΔUe進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果也是如圖4所示。
又在本實(shí)施例中，與第1實(shí)施例一樣，當(dāng)用SiGe作MQB層12內(nèi)的勢(shì)阱層12a時(shí)，為提高勢(shì)壘高度ΔUe，必須進(jìn)一步提高勢(shì)阱層12a中的Ge組成率?？墒牵S著Ge組成率的提高，卻會(huì)發(fā)生因SiGe的臨界厚度的關(guān)系而產(chǎn)生位錯(cuò)之擔(dān)憂。順便說(shuō)一下，在由Si構(gòu)成下層的情況下，采用Si0.8Ge0.2、Si0.7Ge0.3和Si0.6Ge0.4的各組成時(shí)的臨界厚度分別是180nm、56nm和25nm左右。
在此，為提高臨界厚度的有效方法是把MQB層12內(nèi)的勢(shì)阱層12a和勢(shì)壘層12b分別由Si1-x-yGexCy和Si構(gòu)成。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使Ge組成率為40％以上，并在其中加入少量(幾％左右)的碳，就可以在不使集電結(jié)的能帶不連續(xù)值ΔEv發(fā)生大變化的情況下減少晶格應(yīng)變，結(jié)果可提高勢(shì)阱層12a的臨界厚度的緣故。就是說(shuō)，通過(guò)由Si1-x-yGexCy/Si構(gòu)成MQB層12，便可以在不超過(guò)臨界厚度的條件之下獲得更大的能帶不連續(xù)值ΔEv，其結(jié)果，能有效地抑制空穴從SiGe基極層4注入到Si集電極層3。
如上所述，通過(guò)在異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的集電結(jié)附近的Si集電極層3一側(cè)形成MQB層12，能實(shí)效地提高基極-集電極間的異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘高度，從而可抑制從SiGe基極層4向Si集電極層3的少數(shù)載流子注入。結(jié)果，Si集電極層3中的少數(shù)載流子的累積量減少，能希望雙極型晶體管的動(dòng)作速度提高。
在本實(shí)施例中，對(duì)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管單體的特性之提高進(jìn)行了說(shuō)明，但當(dāng)然也可以把本實(shí)施例的HBT應(yīng)用在把雙極型晶體管和CMOS集成在一起的BiCMOS中的雙極型晶體管上。
另外，以本實(shí)施例中所示的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(該異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管在其集電極層中形成有對(duì)少數(shù)載流子的多重量子勢(shì)壘)的基極-集電極PN結(jié)為組成單元而構(gòu)成集成電路時(shí)，該電路的動(dòng)作速度當(dāng)然也得以提高。
(第4實(shí)施例)圖15是具有如上述第3實(shí)施例所示的在集電極層內(nèi)形成MQB層的Si/SiGe異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的I2L元件的剖面圖。圖16是此I2L元件的等效電路圖。
下面，參照?qǐng)D16對(duì)圖15所示的I2L元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施例的I2L元件包括n+型半導(dǎo)體區(qū)域51；設(shè)在該半導(dǎo)體區(qū)域51上面，作為PNP雙極型晶體管的基極層或者作為NPN雙極型晶體管的發(fā)射極層均能起作用的n型Si共同擴(kuò)散層52；在所述Si共同擴(kuò)散層52中摻入p型雜質(zhì)而形成的PNP雙極型晶體管的Si發(fā)射極層53和Si集電極層54；形成在所述Si共同擴(kuò)散層52之上的I2L元件的p型SiGe基極層55；形成在該SiGe基極層55之上的NPN雙極型晶體管的兩個(gè)n型Si集電極層56a、56b；覆蓋整個(gè)襯底的絕緣層57；穿過(guò)絕緣層57與Si集電極層56a、56b接觸的NPN雙極型晶體管的兩個(gè)集電極70a、70b；穿過(guò)絕緣層57與SiGe基極層55接觸的I2L元件的基極71；穿過(guò)絕緣層57與PNP雙極型晶體管的Si發(fā)射極層53接觸的I2L元件的注入電極72；以及穿過(guò)絕緣層57與Si共同擴(kuò)散層52接觸的接地電極73。在此，所述I2L元件的SiGe基極層55作為NPN雙極型晶體管的基極層或者PNP雙極型晶體管的集電極接觸層都能起作用。本實(shí)施例的I2L元件被設(shè)計(jì)為在注入電極72中注入用來(lái)驅(qū)動(dòng)PNP型晶體管的電流，往基極71中輸入I2L元件的輸入信號(hào)，從經(jīng)過(guò)電路(圖中未示)與電源電壓連接的各集電極70a、70b取出來(lái)自I2L元件的輸出信號(hào)。在圖15中的箭號(hào)分別示出電流的方向。
在此，Si集電極層56a、56b中砷(n型雜質(zhì))的濃度約是1×1017cm-3。另外，靠近Si集電極層56a、56b表面的區(qū)域中形成有摻有高濃度砷(1×1020cm-3左右)的接觸層(圖中未示)。SiGe基極層55中硼(p型雜質(zhì))的濃度約是2×1018cm-3。Si發(fā)射極層53中硼的濃度約是1×1019cm-3。Si集電極層54中硼的濃度約是1×1019cm-3。Si共同擴(kuò)散層52中磷的濃度約是1×1018cm-3。
此I2L元件按如下所述進(jìn)行動(dòng)作。往基極71中輸入低電壓信號(hào)“L”時(shí)，電流就在PNP雙極型晶體管中按圖中的實(shí)線方向流過(guò)，NPN雙極型晶體管的基極電壓降低，從而NPN雙極型晶體管斷開(kāi)。此時(shí)，與電源電壓連接的集電極70a、70b的電壓升高，從而輸出“H”信號(hào)。另一方面，在基極71中輸入高電壓信號(hào)“H”時(shí)，電流就在PNP雙極型晶體管中按圖中的虛線方向流過(guò)，NPN雙極型晶體管的基極電壓升高，從而NPN雙極型晶體管接通。結(jié)果，集電極70a、70b的電壓下降從而輸出“L”信號(hào)。也就是說(shuō)，此I2L元件能起NOT電路(反相器)的作用。
本實(shí)施例所涉及的I2L元件的特征為在所述兩層Si集電極層56a、56b內(nèi)分別形成有與上述第1實(shí)施例同樣的MQB層60a、60b。
這種I2L元件能起與由CMOS器件的PFET和NFET構(gòu)成的反相器同樣的作用。并且，由于I2L元件不象CMOS器件那樣需要元件隔離膜，因此有利于高集成化。然而，以往的I2L元件由于其中的NPN雙極型晶體管的集電極層中會(huì)有少數(shù)載流子積累，所以有了切換開(kāi)關(guān)所需的時(shí)間更長(zhǎng)的缺點(diǎn)。因此，不經(jīng)常在半導(dǎo)體集成電路中采用I2L元件。
與此相對(duì)，按本實(shí)施例的I2L元件那樣的結(jié)構(gòu)，由于在Si集電極層56a、56b中設(shè)有用來(lái)阻止空穴從基極層注入的MQB層60a、60b，所以，不招致Si集電極層56a、56b中的空穴(少數(shù)載流子)的累積所引起的切換開(kāi)關(guān)所需時(shí)間的增大，能夠發(fā)揮雙極型晶體管原來(lái)的高速動(dòng)作性能。因此，在本實(shí)施例的I2L元件的結(jié)構(gòu)中，能一并發(fā)揮其對(duì)高集成化有利之處和高速動(dòng)作特性，從而能把它用作Si系列異質(zhì)結(jié)器件中的反相器。此外，其功耗之少與MOS器件相比也毫不遜色。
并且，本實(shí)施例的I2L元件也有下述的結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)。與CMOS器件相比，由于在I2L元件的輸出側(cè)的NPN雙極型晶體管中一般采用在SiGe基極層55之上面形成Si集電極層56a、56b即所謂的集電層在上(collector-top)的結(jié)構(gòu)，因此該I2L元件的結(jié)構(gòu)適合于通過(guò)外延生長(zhǎng)法形成MQB層60a、60b。也就是說(shuō)，在通常的Si/SiGe HBT中一般采用在外延生成的SiGe基極層之上面形成發(fā)射極層的發(fā)射層在上(emitter-top)的結(jié)構(gòu)，與此相對(duì)，由于I2L元件中有多個(gè)集電極輸出，所以它采用在上方形成集電極層的結(jié)構(gòu)。其理由是由于在I2L元件中NPN雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)和基區(qū)分別與為恒流源的PNP雙極型晶體管的基區(qū)和集電區(qū)成為共同區(qū)，因此NPN型晶體管的基極層和集電極層必然在發(fā)射極層上面進(jìn)行外延生長(zhǎng)。
因此，在HBT的集電結(jié)的集電極側(cè)形成MQB層的I2L元件也可以說(shuō)是易于制作的結(jié)構(gòu)。
另外，在本實(shí)施例中對(duì)使用了NPN型SiGe HBT的I2L元件進(jìn)行了說(shuō)明，但也可以使用PNP型SiGe HBT構(gòu)成I2L元件。
還有，在本實(shí)施例的I2L元件中也可以采用把GaAs、AlGaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層疊層起來(lái)的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
另外，在本實(shí)施例中形成了兩個(gè)集電極層，但也可以形成只有一個(gè)或者三個(gè)以上的集電極層。
(第5實(shí)施例)下面，將對(duì)使雙極型晶體管的集電結(jié)可用作二極管的第5實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體裝置進(jìn)行說(shuō)明。
如圖17所示，本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置具有雙極型晶體管形成區(qū)和二極管形成區(qū)。該雙極型晶體管形成區(qū)和二極管形成區(qū)中具備除了電極之外在共同工序中形成的共同構(gòu)件。即在由Si襯底101的LOCOS膜102包圍的第1、第2露出區(qū)Rexp1、Rexp2和在各第1和第2露出區(qū)Rexp1、Rexp2間的襯底內(nèi)區(qū)域所形成的有源區(qū)中具備Si集電極層103；形成在Si集電極層103之上的p型SiGe基極層104；形成在SiGe基極層104上面的n+型Si發(fā)射極層105；與Si發(fā)射極層105接觸的由多晶硅構(gòu)成的發(fā)射極引出電極106；以及在Si集電極層103內(nèi)位于第1露出區(qū)Rexp1下方的區(qū)域中所形成的MQB層110。在此，在第1露出區(qū)Rexp1和其周?chē)腖OCOS膜上通過(guò)外延生長(zhǎng)法形成有包括Si集電極層103的第1單晶硅膜，在其整個(gè)部分中形成有與MQB層110相同的超晶格的層疊結(jié)構(gòu)。還有，通過(guò)把發(fā)射極引出電極106用作掩模來(lái)進(jìn)行離子注入，在第1單晶硅膜中除發(fā)射極引出電極106正下方的區(qū)域中注入有p型雜質(zhì)。在第1單晶硅膜上形成有SiGe基極層104，并在SiGe基極層104之上外延生長(zhǎng)了第2單晶硅膜。在該第2單晶硅膜中除發(fā)射極引出電極106正下方的區(qū)域就是硅化物層108；位于發(fā)射極引出電極106正下方的區(qū)域則是Si覆蓋層109。通過(guò)從發(fā)射極引出電極106用擴(kuò)散法把高濃度n型雜質(zhì)注入到Si覆蓋層109中，形成了上述Si發(fā)射極層105。還有，在第2露出區(qū)Rexp2和其周?chē)腖OCOS膜102上形成有與Si集電極層103接觸的由多晶硅構(gòu)成的集電極引出電極111。還有，在襯底上形成了由硅氧化膜構(gòu)成的絕緣層112。
在此，Si集電極層103中砷(n型雜質(zhì))的濃度約是1×1017cm-3。SiGe基極層104的厚度約是50nm，該層中硼(p型雜質(zhì))的濃度約是1×1019cm-3。Si覆蓋層109的厚度約是100nm，該層內(nèi)的Si發(fā)射極層105中砷的濃度約是2×1018cm-3。
本實(shí)施例的特征為在NPN雙極型晶體管中，在絕緣層112之上形成有與發(fā)射極引出電極106連接的Al發(fā)射極115、與Si基極層104上面的硅化物層連接的Al基極116和Al集電極117，與此相對(duì)，在二極管中沒(méi)設(shè)有相當(dāng)于發(fā)射極的電極。也就是說(shuō)，僅設(shè)有相當(dāng)于NPN雙極型晶體管的基極116的Al陽(yáng)極118和相當(dāng)于NPN雙極型晶體管的集電極117的Al陰極119。換句話說(shuō)，本實(shí)施例中的二極管雖具有和NPN雙極型晶體管相同的發(fā)射極層、基極層和集電極層結(jié)構(gòu)，但沒(méi)設(shè)有連接于發(fā)射極層的電極，只設(shè)有分別連接于基極層、集電極層的陽(yáng)極、陰極。
本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置備有能發(fā)揮與第3實(shí)施例同樣的效果的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管和具有異質(zhì)結(jié)的二極管。并在該二極管中，在與陰極119連接的Si集電極層103內(nèi)且與SiGe基極層104的結(jié)合部附近又形成了MQB層110，因此通過(guò)抑制空穴的累積能希望提高動(dòng)作速度。
又在本實(shí)施例中，把NPN型SiGeHBT為例進(jìn)行了說(shuō)明，但不用說(shuō)也可以適用于PNP雙極型晶體管。此外，如已說(shuō)明過(guò)的那樣，本實(shí)施例也可適用于非HBT普通同質(zhì)結(jié)雙極型晶體管或者把GaAs、AlGaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體層重疊起來(lái)的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
綜上所述，按照本發(fā)明的第1個(gè)雙極型晶體管，在發(fā)射結(jié)附近的發(fā)射極層一側(cè)形成由不同組成的超薄膜交互疊層而形成的超晶格結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的多重量子勢(shì)壘(Multi-Quantum Barrier:MQB)，利用其對(duì)載流子的反射效應(yīng)，實(shí)效地增加異質(zhì)勢(shì)壘的高度(勢(shì)壘高度)。因此，能抑制載流子從基極層反向注入發(fā)射極層，可希望提高電流放大率β，并由于緩和了對(duì)基極層結(jié)構(gòu)的限制，又可希望提高電流增益截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax。
按照本發(fā)明的第2個(gè)雙極型晶體管，在發(fā)射結(jié)附近的發(fā)射極層一側(cè)形成摻有比發(fā)射極層更高濃度的載流子的高濃度摻雜層并通過(guò)調(diào)制其能帶，形成勢(shì)壘，這樣實(shí)效地增加勢(shì)壘高度。因此，能抑制載流子從基極層反向注入發(fā)射極層，可希望提高電流放大率β，并由于緩和了對(duì)基極層結(jié)構(gòu)的限制，又可希望提高電流增益截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax。
按照本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，在靠近集電結(jié)的集電極層內(nèi)形成由不同組成的超薄膜交互層疊而形成的超晶格結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的多重量子勢(shì)壘(Multi-Quantum Barrier:MQB)，通過(guò)利用其對(duì)載流子的反射效應(yīng)，實(shí)效地增大異質(zhì)勢(shì)壘高度(勢(shì)壘高度)。因此，可抑制從基極層的少數(shù)載流子的注入。這樣，可避免集電極層內(nèi)的少數(shù)載流子的累積，可提高動(dòng)作速度。
權(quán)利要求
1．一種由發(fā)射極層、基極層和集電極層構(gòu)成的雙極型晶體管，其特征在于在上述發(fā)射極層內(nèi)具備多重量子勢(shì)壘部，該勢(shì)壘部是把多層勢(shì)壘層和勢(shì)阱層交互重疊起來(lái)而構(gòu)成的，并具有為使從上述基極層注入的載流子(發(fā)射極層的少數(shù)載流子)的入射波和反射波成為互相增強(qiáng)的相位而使載流子反射的功能。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極型晶體管，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部的勢(shì)壘層和勢(shì)阱層分別由帶隙各不相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極型晶體管，其特征在于包括上述多重量子勢(shì)壘部的上述發(fā)射極層中有多數(shù)載流子渡躍的能帶的能帶不連續(xù)值實(shí)質(zhì)上可忽略不計(jì)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的雙極型晶體管，其特征在于上述基極層受到應(yīng)變。
5．根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的雙極型晶體管，其特征在于上述發(fā)射極層和基極層由帶隙各不相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，上述基極層的導(dǎo)帶和價(jià)帶間的帶隙中包括在從與上述發(fā)射極層相接的區(qū)域向與集電極層相接的區(qū)域帶隙減少的方向上傾斜的部分。
6．根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的雙極型晶體管，其特征在于上述基極層由至少包含硅和鍺的半導(dǎo)體構(gòu)成。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙極型晶體管，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部具有把Si1-xGex/Si層疊起來(lái)的超晶格結(jié)構(gòu)。
8．根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙極型晶體管，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部具有把Si1-x-yGexCy/Si層疊起來(lái)的超晶格結(jié)構(gòu)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的雙極型晶體管，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部被形成在上述發(fā)射極層內(nèi)，并位于比上述晶體管動(dòng)作時(shí)上述發(fā)射極層和基極層間的使用電壓所產(chǎn)生的耗盡區(qū)更往外的位置上。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙極型晶體管，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部中處于上述基極層側(cè)端部的勢(shì)壘層被設(shè)在從上述發(fā)射極層和基極層間的耗盡區(qū)到與上述基極層側(cè)的端部勢(shì)壘層相鄰的勢(shì)阱層不產(chǎn)生載流子穿通的位置上。
11．一種雙極型晶體管，包括摻有第1種導(dǎo)電型雜質(zhì)的發(fā)射極層、摻有第2種導(dǎo)電型雜質(zhì)的基極層以及摻有第1種導(dǎo)電型雜質(zhì)的集電極層，其特征在于在上述發(fā)射極層內(nèi)具備摻有濃度比該發(fā)射極層內(nèi)高的第1種導(dǎo)電型雜質(zhì)的高濃度摻雜層。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的雙極型晶體管，其特征在于上述高濃度摻雜層是厚度為10nm以下的δ摻雜層。
13．根據(jù)權(quán)利要求11所述的雙極型晶體管，其特征在于上述高濃度摻雜層的第1種導(dǎo)電型載流子的濃度是1×1019cm-3以上。
14．根據(jù)權(quán)利要求11所述的雙極型晶體管，其特征在于上述高濃度摻雜層的第1種導(dǎo)電型載流子的濃度比上述發(fā)射極層內(nèi)的第1種導(dǎo)電型載流子的濃度高10倍以上。
15．根據(jù)權(quán)利要求11至14中任何一項(xiàng)所述的雙極型晶體管，其特征在于上述高濃度摻雜層與形成在發(fā)射結(jié)中的耗盡區(qū)鄰接。
16．根據(jù)權(quán)利要求11至14中任何一項(xiàng)所述的雙極型晶體管，其特征在于上述基極層的第2種導(dǎo)電型載流子的濃度比上述發(fā)射極層的第1種導(dǎo)電型載流子的濃度高。
17．根據(jù)權(quán)利要求11至14中任何一項(xiàng)所述的雙極型晶體管，其特征在于上述發(fā)射極層和基極層由帶隙各不相同的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其中構(gòu)成發(fā)射極層的半導(dǎo)體材料的帶隙寬一些，在上述發(fā)射極層和基極層之間具有異質(zhì)結(jié)。
18．根據(jù)權(quán)利要求17所述的雙極型晶體管，其特征在于上述基極層受到應(yīng)變。
19．根據(jù)權(quán)利要求17所述的雙極型晶體管，其特征在于上述基極層的導(dǎo)帶和價(jià)帶間的帶隙中包括在從與上述發(fā)射極層相接的區(qū)域向與集電極層相接的區(qū)域帶隙減少的方向上傾斜的部分。
20．根據(jù)權(quán)利要求17所述的雙極型晶體管，其特征在于上述基極層由至少包含硅和鍺的半導(dǎo)體構(gòu)成。
21．一種半導(dǎo)體裝置，具備由發(fā)射極層、基極層和集電極層構(gòu)成的雙極型晶體管，其特征在于上述雙極型晶體管在上述集電極層內(nèi)具備多重量子勢(shì)壘部，它是把多層勢(shì)壘層和勢(shì)阱層交互重疊而形成的，并具有為使從上述基極層注入的載流子(集電極層的少數(shù)載流子)的入射波和反射波成為互相增強(qiáng)的相位而反射載流子的功能。
22．根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部的勢(shì)壘層和勢(shì)阱層分別由帶隙各不相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
23．根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括上述多重量子勢(shì)壘部的上述集電極層中有多數(shù)載流子渡躍的能帶的能帶不連續(xù)值實(shí)質(zhì)上可忽略不計(jì)。
24．根據(jù)權(quán)利要求21至23中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述基極層受到應(yīng)變。
25．根據(jù)權(quán)利要求21至23中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述基極層由至少包含硅和鍺的半導(dǎo)體構(gòu)成。
26．根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部具有把Si1-xGex/Si層疊起來(lái)的超晶格結(jié)構(gòu)。
27．根據(jù)權(quán)利要求25所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部具有把Si1-x-yGexCy/Si層疊起來(lái)的超晶格結(jié)構(gòu)。
28．根據(jù)權(quán)利要求21至23中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部被形成在上述集電極層內(nèi)，并位于比上述晶體管動(dòng)作時(shí)上述集電極層和基極層間的使用電壓所產(chǎn)生的耗盡區(qū)更往外的位置上。
29．根據(jù)權(quán)利要求28所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述多重量子勢(shì)壘部中處于上述基極層側(cè)端部的勢(shì)壘層被設(shè)在從上述集電極層和基極層間的耗盡區(qū)到與上述基極層側(cè)的端部勢(shì)壘層相鄰的勢(shì)阱層不產(chǎn)生載流子穿通的位置上。
30．根據(jù)權(quán)利要求21至23中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于還包括以與上述雙極型晶體管的集電結(jié)相同結(jié)構(gòu)的兩個(gè)區(qū)域?yàn)闃?gòu)成單元的元件。
31．根據(jù)權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于所述元件是二極管。
32．根據(jù)權(quán)利要求21至23中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于還包括具有設(shè)在與上述雙極型晶體管的基極層共同的區(qū)域的集電極層、設(shè)在與上述雙極型晶體管的集電極層共同的區(qū)域的基極層、以及發(fā)射極層的其他雙極型晶體管，它能起I2L元件的作用。
33．根據(jù)權(quán)利要求32所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于至少還包括一個(gè)與上述雙極型晶體管的基極層連接的其他集電極層，在所述至少一個(gè)的其他集電極層的每一個(gè)中形成有其他的多重量子勢(shì)壘部，該勢(shì)壘部是通過(guò)把多層勢(shì)壘層和勢(shì)阱層交互重疊起來(lái)而構(gòu)成的，因此具有為使從上述基極層注入的載流子(集電極層的少數(shù)載流子)的入射波和反射波成為互相增強(qiáng)的相位而反射載流子的功能。
全文摘要
在異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的Si發(fā)射極層5內(nèi)的發(fā)射結(jié)附近區(qū)域中設(shè)有由組成不同的超薄膜勢(shì)阱層10a和勢(shì)壘層10b交互層疊而形成的為多重量子勢(shì)壘部的MQB層10。借助MQB層10對(duì)要從SiGe基極層4流向Si發(fā)射極層5的空穴進(jìn)行反射之作用,實(shí)效上提高勢(shì)壘高度來(lái)抑制空穴的反向注入。結(jié)果,即使增加基區(qū)摻雜濃度,靠MQB層10仍能抑制載流子反向注入,能得到足夠的電流放大率,并能提高最大振蕩頻率。
文檔編號(hào)H01L29/737GK1226750SQ99100820
公開(kāi)日1999年8月25日 申請(qǐng)日期1999年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月20日
發(fā)明者高木剛, 服藤憲司 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社