Биполярный транзистор на основе гетероэпитаксиальных структур и способ его изготовления

Биполярный транзистор на основе гетероэпитаксиальных структур и способ его изготовления

Реферат

Настоящая группа изобретений относится к области полупроводниковой микроэлектроники, а именно к конструкции биполярных транзисторов, которые могут быть использованы при создании СВЧ элементной базы и способам их изготовления.

Основными требованиями, предъявляемыми к СВЧ полупроводниковой электронике в настоящее время и в ближайшем будущем, являются увеличение уровня излучаемой СВЧ мощности и увеличение функциональных возможностей при уменьшении габаритов и снижении потребляемой мощности.

Из уровня техники известен биполярный транзистор, который содержит эмиттер, базу, состоящую из сильнолегированной и слаболегированной областей, и коллектор, состоящий из сильно- и слаболегированной областей (см. патент Великобритании №1523012, опубл. 31.08.1978).

Недостатками известного устройства являются высокое значение коэффициента шума и низкие значения граничной частоты.

Кроме того, известно полупроводниковое устройство, содержащее по крайней мере три области полупроводника чередующегося типа проводимости, образующие два р-n-перехода. При этом первая область полупроводника выполнена из двух зон различной концентрации, образующих L-H- переход. Причем зона, прилегающая к р-n-переходу, имеет меньшую концентрацию примеси, чем вторая, и разность концентраций обеспечивает встроенное поле в первой области, уравновешивающее диффузионный ток неосновных носителей тока, инжектируемых в нее из первого р-n-перехода, а толщина первой области меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней (см. АС СССР № 640686, опубл. 30.12.1978).

Недостатками такого устройства являются достаточно высокий уровень шума и низкая производительность устройства, обусловленная преобладанием рекомбинационных токов.

Из уровня техники известен способ изготовления биполярных транзисторов (см. АС СССР №1800501, опубл. 07.03.1993), включающий направление эпитаксильного слоя кремния на монокристаллическую подложку, создание на поверхности маскирующего слоя, фотолитографию и вскрытие окон в маскирующем слое, формирование базовой и эмиттерной области путем диффузии акцепторных и донорных примесей, создание контактов, радиационно-термическую обработку путем облучения электронами и стабилизирующего отжига.

Недостатками известного способа являются его трудоемкость и невозможность изготовления с помощью него устройства с высокими рабочими характеристиками.

Кроме того, из уровня техники известен способ изготовления биполярного транзистора (см. АС СССР №1649965, опубл. 20.07.1996), включающий формирование на поверхности кремниевой подложки диэлектрической пленки, вскрытие окон под области базы и введение в них легирующей базовой примеси, вскрытие окна под область эмиттера и введение в нее легирующей эмиттерной примеси, нанесение диэлектрической кремнийсодержащей пленки, термообработку в окисляющей атмосфере, вскрытие контактных окон и металлизацию. При этом перед металлизацией осуществляют сглаживание рельефа поверхности структуры, а диэлектрическую кремнийсодержащую пленку наносят перед вскрытием окна под область эмиттера, термообработку в окисляющей атмосфере проводят до образования на поверхности кремния над областью эмиттера пленки оксида кремния. Контактное окно к эмиттеру вскрывают локальным травлением пленки оксида над областью эмиттера.

Недостатками известного способа также являются его трудоемкость и невозможность изготовления с помощью него устройства с высокими рабочими характеристиками.

Задачей настоящей группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков.

Общий технический результат заключается в упрощении способа, повышении выхода годных и надежных транзисторов с высокими граничными частотами, низким коэффициентом шума, высоким коэффициентом усиления и КПД.

Технический результат обеспечивается тем, что биполярный транзистор, выполненный на основе гетероэпитаксиальных структур SiGe, включает подложку из высокоомного кремния с кристаллографической ориентацией (111), буферный слой из нелегированного кремния, субколлекторный слой из сильнолегированного кремния n-типа проводимости, поверх которого сформирован коллектор из кремния n-типа проводимости, тонкая база из SiGe р-типа проводимости, эмиттер из кремния n-типа проводимости, контактные слои на основе кремния n-типа проводимости и омические контакты. При этом биполярный транзистор в области базы выполнен с обеспечением двойного ускоряющего дрейфового поля за счет плавного изменения содержания Ge вдоль базы с уменьшением его содержания от области, прилегающей к коллектору, к области, прилегающей к эмиттеру, и за счет плавного изменения концентрации легирующей примеси вдоль базы с увеличением ее от области, прилегающей к коллектору, к области, прилегающей к эмиттеру. Кроме того, содержание Ge составляет около 20% в области, прилегающей к коллектору, и около 10% в области, прилегающей к эмиттеру, а концентрация легирующей примеси составляет 0,7·10 см^-3 в области, прилегающей к коллектору, и 2·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к эмиттеру.

Технический результат обеспечивается также тем, что способ изготовления биполярного транзистора включает выращивание буферного слоя из нелегированного кремния на подложке из высокоомного кремния с кристаллографической ориентацией (111), наращивание поверх буферного слоя последовательно низкоомного коллектора, слоя высокоомного коллектора, выращивание базы из SiGe с содержанием Ge около 20% в области базы, прилегающей к коллектору, с плавным уменьшением содержания Ge до около 10% в области базы, прилегающей к первому слою эмиттера, и с содержанием легирующей примеси около 0,7·10¹⁹см^-3 в области базы, прилегающей к коллектору, с плавным увеличением до 2·10¹⁹cм^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера, выращивание поверх базы слоев эмиттера из легированного кремния, формирование омических контактов, получение кристалла транзистора утонением, полировкой и алмазным скрайбированием и вмонтирование его в корпус.

Настоящая группа изобретений поясняется иллюстрацией, на которой отображен поперечный разрез эмиттерных полосок двухэмиттерной ячейки.

Настоящее устройство имеет следующие конструктивные элементы:

1 - подложка;

2 - буферный слой;

3 - низкоомный коллектор;

4 - высокоомный коллектор;

5 - база;

6 - первый слой эмиттера;

7 - второй слой эмиттера;

8 - контактные слои;

9 - омические контакты к эмиттеру и коллектору;

10 - омический контакт к базе.

Настоящее устройство изготавливается следующим образом.

На подложке (фиг.1) из высокоомного кремния 1 с кристаллографической ориентацией (111) (толщина слоя 450 мкм), методом, например, молекулярно-пучковой эпитаксии, в стандартном режиме наращивают буферный слой 2 из нелегированного кремния (толщина слоя 200 нм), поверх буферного слоя последовательно наращивают низкоомный коллектор (субколлекторный слой) 3 n-кремния (толщина слоя 600 нм) с концентрацией примеси 3·10¹⁸ см"³, легированного фосфором (для снижения сопротивления омического контакта коллектора), высокоомный коллектор 4 из n-кремния (толщина слоя 700 нм) с концентрацией примеси 2·10¹⁶ см^-3, легированного фосфором (для снижения коллекторной емкости и исключения прокола базовой области). Затем способом МПЭ наращивают тонкую базу 5 из SiGe. Содержание германия в области базы, прилегающей к коллектору 4, составляет 20% и, плавно уменьшаясь, достигает 10% в области базы, прилегающей к первому слою эмиттера 6. Содержание легирующей примеси (например, бора) в области базы 5, прилегающей к коллектору 4, достигает уровня 0,6-0,7·10см^-3, плавно увеличиваясь, достигает уровня 2·10¹⁹cм^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 6. Выращенные поверх базы первый слой эмиттера 6 из кремния толщиной 20 нм и второй слой эмиттера 7 толщиной 80 нм легированы, например, фосфором. Концентрация примеси плавно увеличивается от 5·10¹⁷см^-3 в области, прилегающей к базе, до значения 7·10¹⁷см^-3 в области, прилегающей к нанесенным поверх эмиттера контактным слоям 8. При этом контактные слои 8 выполнены из кремния n-типа проводимости и легированы фосфором. Их наращивают для уменьшения переходного сопротивления омических контактов 9, 10. Омические контакты 9 к эмиттеру 7 и к коллектору 4 создают методом «взрыва» (Ti/TiW/Au) с последующим скоростным высокотемпературным отжигом. Омический контакт 10 к базе (NiAu) изготавливают с помощью технологий фотолитографии и вакуумного напыления металлов.

Кристалл транзистора, полученный после утонения, полировки и алмазного скрайбирования пластины, монтируют в металлокерамический корпус, содержащий, поликоровые платы и дискретные однослойные конденсаторы, обеспечивающие внутрикорпусное согласование.

Конструкция настоящего устройства позволяет реализовать высокую предельную частоту, высокую эффективность эмиттера, снизить время пролета неосновных носителей и при этом сохранить уровень легирования активной базы, превосходящий уровень легирования эмиттера.

Также настоящее устройство имеет следующие преимущества.

За счет плавного изменения содержания германия и концентрации легирующей примеси в базе транзистора возникает удвоенное ускоряющее дрейфовое поле для неосновных носителей, что резко снижает пролетное время носителей. При этом повышается предельная частота и эффективность эмиттера.

За счет высокого уровня легирования сопротивление базы уменьшено. Это также обеспечивает возможность уменьшения ширины базы для снижения пролетного времени.

За счет относительно низкого уровня легирования эмиттера существенно снижается значение емкости эмиттера.

Значение емкости коллектор-база снижено за счет радиационной компенсации проводимости пассивной области базы.

Выявлена перспективность эффекта баллистического переноса носителей в базе и коллекторном переходе, определяемые конструкцией гетероперехода и структурной эпитаксиальной пленки.

Перечисленные факторы в действующих образцах ГБТ позволили достичь преимущества в сравнении с аналогами, а также в сравнении с наиболее прогрессивными и сложными конструкциями биполярных транзисторов на кремнии, а также полевыми транзисторами (FET), в том числе НЕМТ конструкции.

Наличие удвоенного ускоряющего дрейфового поля для неосновных носителей в базе, высокая эффективность эмиттера (задающая уровень начального низкочастотного усиления), наличие тонкой базы, реализация режима баллистического переноса, а также малые значения СЭ и постоянной RECK определили высокое быстродействие и предельную частоту ГБТ на основе SiGe. Опытные образцы транзисторов показали возможность достигать значения граничных частот fT, fmax до 100-200 ГГц. Для достижения таких параметров (там, где это возможно) традиционные конструкции усилительных приборов должны иметь размеры элементов порядка 1 мкм и даже меньше.

Высокий уровень легирования базы уменьшает модуляцию ширины базы в зависимости от режима, снижает значение выходной проводимости, улучшает линейность. Отмечается низкий уровень интермодуляционных искажений. По этой причине, а также из других конструктивных соображений в ГБТ может быть реализован более эффективный режим работы в диапазоне повышенных плотностей тока и большой выходной мощности (в 2-4 раза большей, чем в псевдоморфных НЕМТ, на 60 ГГц). Большее значение рабочих токов, а также то обстоятельство, что ГБТ имеют экспоненциальную зависимость выходного тока от управляющего напряжения, позволяют получить в 10-100 раз более высокое значение крутизны по сравнению с FET. Для ГБТ характерны низкие 1/f и рекомбинационные шумы, а также повышенная радиационная стойкость.

1. Биполярный транзистор, выполненный на основе гетероэпитаксиальных структур SiGe, включающий подложку из высокоомного кремния с кристаллографической ориентацией (111), буферный слой из нелегированного кремния, субколлекторный слой из сильнолегированного кремния n-типа проводимости, поверх которого сформирован коллектор из кремния n-типа проводимости, тонкая база из SiGe р-типа проводимости, эмиттер из кремния n-типа проводимости, контактные слои на основе кремния n-типа проводимости и омические контакты, при этом биполярный транзистор в области базы выполнен с обеспечением двойного ускоряющего дрейфового поля за счет плавного изменения содержания Ge вдоль базы с уменьшением его содержания от области, прилегающей к коллектору, к области, прилегающей к эмиттеру, и за счет плавного изменения концентрации легирующей примеси вдоль базы с увеличением ее от области, прилегающей к коллектору, к области, прилегающей к эмиттеру, кроме того, содержание Ge составляет около 20% в области, прилегающей к коллектору, и около 10% в области, прилегающей к эмиттеру, а концентрация легирующей примеси составляет 0,7·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к коллектору, и 2·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к эмиттеру.

2. Способ изготовления биполярного транзистора, включающий выращивание буферного слоя из нелегированного кремния на подложке из высокоомного кремния с кристаллографической ориентацией (111), наращивание поверх буферного слоя последовательно низкоомного коллектора, слоя высокоомного коллектора, выращивание базы из SiGe с содержанием Ge около 20% в области базы, прилегающей к коллектору, с плавным уменьшением содержания Ge до около 10% в области базы, прилегающей к первому слою эмиттера, и с содержанием легирующей примеси около 0,7·10¹⁹ см^-3 в области базы, прилегающей к коллектору, с плавным увеличением до 2·10¹⁹ cм^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера, выращивание поверх базы слоев эмиттера из легированного кремния, формирование омических контактов, получение кристалла транзистора утонением, полировкой и алмазным скрайбированием и вмонтирование его в корпус.