[发明专利]衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管及其制造方法。

背景技术

SiGe(Silicon-Germanium，硅锗合金)HBT(Heterojunction Bipolar Transistor，异质结双极晶体管)是将Si BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)的基区加入了少量的Ge组分。基区采用SiGe材料，显著的提高了器件性能，使得SiGe HBT目前成为微波、射频以及超高频应用中的通用半导体器件。超高频半导体器件的两个关键指标是截止频率f_T和最高振荡频率f_max。在成熟的硅工艺基础上开发出来的基于SiGe工艺的异质结双极晶体管利用了能带工程的优势，从根本上解决了提高放大倍数与提高频率特性之间的矛盾，由于SiGe HBT与成熟的硅工艺完全兼容，使得SiGe HBT的f_T和f_max可以与III-V族化合物HBT接近甚至可以相比拟。

硅基应变技术可以有效的提高晶体管的迁移率，从而提高器件的性能，目前已成为高速/高性能半导体器件和集成电路重要的研究领域和发展方向。硅基小尺寸SiGeHBT在0.3-1THz频段内具有比较优异的性能，并且与硅基CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺完全兼容，因此，申请人从工艺技术的角度考虑，提出了一种引入单轴应力的SiGeHBT器件及其制造方法，通过在衬底上设置两个向上施加单轴应力的集电区引出端，提高了SiGeHBT器件的高速和高频特性。此外，根据实际需要，此种SiGeHBT器件结构可以灵活的选择衬底的晶面和晶向来施加单轴应力，为高频SiGe HBT的设计提供更大的自由度。

发明内容

本发明提出了一种衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，通过在衬底上设置两个向上施加单轴应力的集电区引出端，提高了SiGe HBT器件的高速和高频特性。此外，根据实际需要，此种SiGe HBT器件结构可以灵活的选择衬底的晶面和晶向来施加单轴应力，为高频SiGe HBT的设计提供更大的自由度。

本发明采用了如下的技术方案：

衬底施加单轴应力的硅锗异质结双极晶体管，包括单晶Si衬底及设置在所述单晶Si衬底上的基区、发射区及集电区，所述单晶Si衬底上有两个凹槽，所述两个凹槽内填充有N型重掺杂的Si_1-yGe_y材料形成集电区引出端，y为自然数且0<y<1。

上述方案中，集电区的Si_1-yGe_y材料，由于和基区、发射区和集电区的材料的晶格存在差异，从而使集电区引出端相对于上方的基区、发射区和集电区各层产生了一个向上的单轴应力，从而在集电区、基区和发射区同时引入了应变，其中，在集电区及发射区引入了单轴应变。

根据半导体器件物理理论，SiGe HBT的截止频率f_T可写为：

其中g_m为跨导，τ_B为基区结渡越时间，τ_BC为BC结渡越时间，τ_E为发射极渡越时间，C_EB为BE结电容，C_BC为BC结电容。以发射区为例，对SiGe HBT来说，还可写为：

K为玻尔兹曼常数，T为温度，q为电子电量，D_pE为发射区的空穴扩散系数,S_pE为发射区的空穴复合速度，这与工艺和其他外界因素有关；W_E为发射区宽度，一般的HBT发射区宽度远远小于空穴的扩散长度；β是共发射极放大倍数，SiGe HBT的β一般都很大；而μ_pE为发射区的空穴扩散系数，这在一般的HBT中基本为一常数，但如果发射区采用应变的晶体Si层，在发射区内就会提高空穴的迁移率,增大了D_pE，减小了发射极延迟时间τ_E，从而增大了截止频率f_T。f_T与f_MAX的关系为