專利名稱：雙極高電子遷移率晶體管及其形成方法
雙極高電子遷移率晶體管及其形成方法相關(guān)_請本申請要求2011年6月23日提交的美國臨時申請No. 61/500，546的權(quán)利。以上申請的全部教導通過引用結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
砷化鎵(GaAs)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)集成電路已發(fā)展成用于很多應用的重要技木，尤其是用于無線通信系統(tǒng)的功率放大器(PA)。未來需要期望具有更高集成水平的器件以改進性能或功能，減小封裝尺寸，或降低成本。獲得這種集成的ー個方法是將HBT PA與由GaAs贗晶高電子遷移率晶體管(pHEMT)形成的射頻開關(guān)組合。
為了單片集成HBT和pHEMT器件，已使用雙極高電子遷移率晶體管(BiHEMT)結(jié)構(gòu)。典型的BiHEMT外延結(jié)構(gòu)包括生長在HEMT外延層頂上的HBT外延層。BiHEMT的組合外延層結(jié)構(gòu)很難生產(chǎn)并且可包括超過30個離散的層。這種外延層結(jié)構(gòu)可通過例如生長技術(shù)(比如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE))形成?？商鎿Q地，這些層的順序可以顛倒并且在HBT的頂上生長HEMT是有利的。這些器件有時也被稱為雙極場效應晶體管(BiFET)。為了在BiHEMT結(jié)構(gòu)中制造pHEMT器件，必需蝕刻或移除pHEMT層上的HBT層。由于在pHEMT表面和HBT表面之間大的高度差(典型地1-3 μ m)，這導致顯著的器件加工難度。這個高度差的任何減少將有助于降低這些加工難度。HBT的次集電極層和集電極層是關(guān)注這些努力的明顯選擇因為它們構(gòu)成高度差的大百分比。次集電極層典型地位于集電極層下面并且典型地以較高的摻雜密度生長。但是，應注意，此處使用術(shù)語“集電極”來指HBT的基極下面的集電極和次集電極層的整體，而術(shù)語“次集電極”是指圖I所示的集電極下面的高摻雜的層。雖然希望集電極層變薄，但是這將減小晶體管擊穿電壓并降低器件健壯性。使次集電極層變薄增加了集電極薄層電阻和晶體管寄生電阻。通過增加次集電極中的摻雜，可以減小集電極薄層電阻。但是，大多數(shù)現(xiàn)有基于n-p-n GaAs的HBT次集電極外延層已摻雜接近上限(一般稱為“飽和”)的硅Si。而且，由于生長附加層期間的退火影響，集電極和次集電極上的附加層(例如HBT的基極和發(fā)射極結(jié)構(gòu))的生長可以惡化GaAs: Si薄層電阻和電子濃度。這個退火可導致顯著減小常規(guī)的硅摻雜的GaAs膜的電子濃度(相對于其原生值)。這些結(jié)果可以通過三個現(xiàn)象的交互來解釋a)鎵空穴的平衡濃度增加；b)鎵空穴趨向于與硅施主原子形成復合物因此使摻雜劑原子不活躍；以及c)生長GaAs的生長條件對非平衡狀態(tài)的影響。I因此需要ー種BiHEMT解決上述問題或使問題最小化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了ー種BiHEMT外延層結(jié)構(gòu)，包括場效應晶體管結(jié)構(gòu)，其包括接觸層，以及形成在場效應晶體管結(jié)構(gòu)上方的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)包含形成在場效應晶體管結(jié)構(gòu)的接觸層上方的η摻雜次集電極和集電極，其中次集電極和集電極中至少ー個每個獨立地包括由錫Sn、碲Te和硒Se組成的組中的至少ー個成員?；鶚O在集電極上方，并且發(fā)射極在基極上方，其中場效應晶體管結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的集電極和次集電極中至少ー個，以及場效應晶體管結(jié)構(gòu)的接觸層，每個獨立地包含III-V半導體。集電極和次集電極和合適材料的示例包括GaAs、AlGaAs和InGaP。優(yōu)選地，次集電極和集電極包括GaAs。而且，優(yōu)選地，集電極和次集電極由相同材料形成，雖然它們可以由不同的材料形成。在優(yōu)選的實施方式中，III-V半導體材料包括鎵和神。集電極的厚度典型地在約5000 A到3 μ m之間。次集電極的厚度典型地在約3000 A到2 μ m之間。在另ー優(yōu)選實施方式中，場效應晶體管是高電子遷移率晶體管。典型地，集電極中錫Sn、碲Te或硒Se摻雜劑的濃度在約IE 15cnT3(每立方厘米IxlO15濃度)到約5E 17cm_3之間。在另ー實施方式中,集電極可摻雜娃。在一個實施方式中，次集電極的至少一部分是η型，錫Sn、締Te或硒Se濃度大于IE 18cm_3,而在另ー實施方式中，次集電極的至少一部分是η型，電子濃度大于lE19cm_3。 在ー個優(yōu)選實施方式中，從材料InGaP、AlInGaP或AlGaAs中選擇發(fā)射極。在另ー優(yōu)選實施方式中，基極摻雜碳，濃度為約IE 19cm—3到約7E 19cnT3。本發(fā)明還提供了用于形成雙極高電子遷移率晶體管的方法，其中異質(zhì)結(jié)雙極晶體管通過其形成在場效應晶體管上；其中集電極層摻雜錫Sn、碲Te或硒Se。在ー個優(yōu)選實施方式中，這些層由金屬有機化學氣相沉積形成。本發(fā)明提供了對BiHEMT結(jié)構(gòu)的集電極和/或次集電極增加最大摻雜和減小最小薄層電阻限制的結(jié)構(gòu)和方法。通過用錫Sn、碲Te或硒Se，包括這些的組合，摻雜集電極和次集電極層，可以減小由于GaAs = Si層的薄層電阻和電子濃度惡化的負面影響。產(chǎn)生的BiHEMT器件可展示出減小的次集電極厚度、使拓撲減少并改進器件加工，同時維持想要的低集電極薄層電阻。


根據(jù)本發(fā)明的示例實施方式的以下更具體的說明，上面的描述將會更明白，如附圖中所示，在不同視圖中相同標號表示相同部件。圖不需要按比例，重點在于說明本發(fā)明的實施方式。圖I是BiHEMT外延層結(jié)構(gòu)的示意圖，示出了在同一晶片上的pHEMT和BiHEMT層的單片結(jié)合以及從這些外延層形成的HBT和pHEMT器件的表面之間的拓撲。圖2A和2B是現(xiàn)有的GaAs = Si層的薄層電阻(圖2A)和電子濃度(圖2B)的圖，示出了在退火時薄層電阻增加和電子濃度減小。X軸是總摻雜劑流，測量在外延層生長期間多少娃Si被引入反應器。圖3A和3B是本發(fā)明的GaAs: Sn層的薄層電阻(圖3A)和電子濃度(圖3B)的圖，示出了退火對薄層電阻和電子濃度相對于GaAs: Si (圖2)的減少影響。X軸是總摻雜劑流，測量在外延層生長期間多少錫Sn被引入反應器。圖4A和4B是本發(fā)明的GaAs: Te層的薄層電阻(圖4A)和電子濃度(圖4B)的圖，示出了退火對薄層電阻和電子濃度相對于GaAs: Si (圖2)和GaAs: Sn (圖3)的減少影響。X軸是總摻雜劑流，測量在外延層生長期間多少碲Te被引入反應器。
具體實施例方式以下是本發(fā)明的示例實施方式的說明。雖然已結(jié)合示例實施方式具體示出和說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以做出對形式和細節(jié)的各種改變而不脫離所附權(quán)利要求包含的本發(fā)明的范圍。圖I是本發(fā)明的代表性BiHEMT外延層結(jié)構(gòu)的示意圖。注意，在器件制造期間HBT的層被移除以在基礎層上形成pHEMT。這導致在HBT和pHEMT的表面之間的顯著拓撲。在光刻步驟中這種拓撲可導致問題，尤其是對于pHEMT。對于pHEMT開關(guān)，最小特征典型地是柵電極以及需要精確光學以限定< Iym的尺度。BiHEMT晶片的拓撲可導致不均勻的光致抗蝕劑厚度和/或印刷柵極圖案的光學系統(tǒng)的焦點深度問題。為了減輕這些問題中的一些，可能必須橫向地使pHEMT與BiHEMT分離，但這會浪費芯片面積。應注意圖I所示的層·是代表性的且已為了說明而簡化?？梢灶A期附加的層、分級的層和其他材料設計出現(xiàn)在典型的BiHEMT中。如圖I所示，BiHEMT外延層結(jié)構(gòu)10生長在襯底14上。在一個實施方式中，襯底14基本由砷化鎵(GaAs)組成。緩沖層16在襯底14上方。在一個實施方式中，緩沖層16包括GaAs和AlGaAs。典型地，緩沖層16的厚度范圍在約500 A到約5000人之間?？蛇x地，可采用其他層代替緩沖層16，或者除了緩沖層16，還具有其他層，以及其他層可以與緩沖層16任意組合。其他可選層的示例包括超晶格結(jié)構(gòu)層，包括交替的低/高能隙材料比如GaAs和AlGaAs或GaAs和InGaAs層，其厚度在約IO人到約3 00人之間。溝道層18生長在緩沖層16或其替換或附加層上方。溝道層18的合適材料的示例包括GaAs和InGaAs，層厚度范圍從約20人到200人?？蛇x地，分隔層或其他可選層(未示出)可以在溝道層18上方(或下方)。用于形成分隔層的合適材料包括GaAs、AlGaAs、InGaP和AlInGaP,厚度從20人到100人。其他可選層的示例可包括，例如，GaAs, AlGaAs, InGaP、Al InGaP、InGaAs,厚度在約5人到50人之間。肖特基層20在溝道層18的上方。肖特基層20的合適材料的示例包括AlGaAs、InGaP和AlInGaP,厚度范圍從約100 A到1500人。接觸層22在肖特基層20的上方。接觸層22的合適材料的示例包括GaAs、AlGaAs和InGaP，厚度在約100 A到2000人之間。接觸層22包括凹陷部分24。所有層16、18、20和22可用本領(lǐng)域已知的合適方法制造，比如金屬有機化學氣相沉積或分子束外延。凹陷24可用本領(lǐng)域已知的合適技術(shù)形成，比如光刻和蝕刻。柵接觸26位于凹陷部分24中。源接觸28和漏接觸30位于接觸層22，或與接觸層22電連接。BiHEMT外延層結(jié)構(gòu)還可選地包括蝕刻停止、分隔或在接觸層22的其他可選層32。合適的蝕刻停止層的示例包括AlGaAs、AlAs或InGaP，厚度范圍從約IO人到500人。BiHEMT外延層結(jié)構(gòu)10還包括異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)組件34。HBT34包括次集電極36。次集電極36的合適材料的示例包括III-V半導體材料。在一個實施方式中，III-V半導體材料包括鎵和神。次集電極36的特定材料的示例包括神化鎵(GaAs)、神化鋁鎵(AlGaAs)、磷化銦鎵(InGaP)和用于基于InP的HBT的InGaAs和InP。次集電極36摻雜從錫(Sn)、碲(Te)和硒(Se)組成的組中選擇的至少ー種元素。在一個實施方式中，次集電極36的摻雜的濃度范圍在約lxl018cm_3到約lxl02°cm_3之間。可替換地，摻雜的濃度范圍在約lxl019cm_3到約6xl019cm_3之間。在一個實施方式中，次集電極層36的厚度范圍在約2000 A到約4μπι之間。在另ー個實施方式中，次集電極36的厚度范圍在約3000 A到約2μπι之間。集電極38在次集電極36的上方。在一個實施方式中，集電極38包括III-V半導體材料，其包括鎵和神。集電極38的材料可以是與次集電極36相同的材料或不同的III-V半導體材料。次集電極36和集電極38中的ー個或兩個可以摻雜娃。在一個實施方式中，集電極38僅摻雜硅。在另ー個實施方式中，除了硅(Si)之外，或代替Si，集電極38摻雜錫(Sn)、碲(Te)和硒(Se)中的至少ー種。在一個實施方式中，錫(Sn)、碲(Te)和硒(Se)摻雜劑中的至少ー種的濃度共同地范圍在約IxlO15Cnr3到約5xl017cnT3之間。集電極中的摻雜可以根據(jù)有意的應用和器件的期望的電性能利用多種分布分級。
基極40在集電極38上方。在一個實施方式中，基極40主要由GaAs、GaAsSb、GaInAs、GaInAsN組成的組中選擇的至少ー個成員組成。在ー個具體實施方式
中，基極40摻雜碳，濃度在約IxlO19Cnr3到約7xl019cnT3之間。發(fā)射極42在基極40上方，并且可選地，發(fā)射極42包括覆蓋層。合適的覆蓋層材料可包括GaAs、AlGaAs、InGaP、Al InGaP、InP和Al InP。典型的摻雜劑可包括Si、Sn、Se和Te。發(fā)射極層的摻雜劑濃度范圍在5xl016Gm_3到約lX1018cm_3之間。發(fā)射極覆蓋層典型地慘雜在 IxlO18Cm 3 到 3xl019cm 3 之間。BiHEMT 10包括在pHEMT12的電接觸柵極36、源極28和漏極30，以及在HBT34的接觸44、46和48。這些電接觸的合適材料的示例是鈦、鉬和金。蝕刻停止32、次集電極36、集電極38、基極40和發(fā)射極42層可用與形成pHEMT 12的層相同的方法形成，包括，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的技木，比如金屬有機化學氣相沉積和分子束外延。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語BiHEMT用于說明結(jié)合雙極晶體管和場效應晶體管的功能的任何外延層結(jié)構(gòu)，不管結(jié)構(gòu)的順序或命名。例如，作為對如圖I所示BiHEMTlO的替換，根據(jù)本發(fā)明的另ー實施方式，PHEMT34形成在HBT12上方。圖2A中的引用數(shù)據(jù)示出0·5μπι n+GaAs:Si層對總摻雜劑(こ硅烷)流的薄層電阻(Rs)。原生(即在生長在GaAs = Si膜之后立即結(jié)束的層中)，最大的活躍摻雜級別在mid-E18cm_3范圍。圖2B示出退火次集電極層(作為在BiHEMT結(jié)構(gòu)生長期間模擬HBT層隨后過度生長的方法)的影響。從GaAs = Si膜獲得的Rs和電子濃度在退火的和未退火的樣本之間顯著不同。這些數(shù)據(jù)表明活躍的摻雜(對η型傳導率有貢獻的摻雜劑原子的數(shù)量)在退火之后顯著減少并且這是限制BiHEMT器件中n+GaAs:Si HBT次集電極層最小可得薄層電阻的首要因素。圖3A示出O. 5 μ m n+GaAs: Sn層對總摻雜劑流的薄層電阻Rs。圖3B所示原生最大活躍摻雜級別是約IE 19cm-3,比圖2所示的GaAs:Si的高。如圖3B所示,退火次集電極層的影響仍然明顯，但是隨著退火増加的Rs基本小于Si摻雜的膜。GaAs = Sn獲得的峰值電子濃度是約7E 18cnT3，或比圖2B所示的GaAs = Si高約40%。圖4A示出O. 5 μ m n+GaAs: Te層對總摻雜劑流的Rs。原生最大活躍摻雜級別是約9E18cnT3,略小于圖3A所示的GaAs:Sn的情況。但是,如圖4B所示,退火次集電極層的影響顯著減少且基本消失。這導致電子濃度比圖2B所示的GaAs: Si和圖3B所示的GaAs: Sn的情況有額外增加，值為約9E 18cm_3o退火的GaAs:Te的薄層電阻為約10ohms/sq,比通過常規(guī)的Si摻雜或Sn摻雜可獲得的低。此處引用的所有參考的相關(guān)部分通過整體弓I用結(jié)合于此。參考 [I]H. Fushimi, M. Shinohara, and K. Wada, J. Appl. Phys. , 81,1745 (1997)
權(quán)利要求
1.一種外延層結(jié)構(gòu)，包括 (a)場效應晶體管結(jié)構(gòu)，其包括接觸層；以及 (b)形成在所述場效應晶體管結(jié)構(gòu)上方的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)包含 i)形成在所述場效應晶體管結(jié)構(gòu)的接觸層上方的η摻雜次集電極 )所述次集電極上方的集電極，其中次集電極和集電極中的至少一個每個獨立地包括由錫Sn、碲Te和硒Se組成的組中的至少一個成員； iii)在所述集電極上方的基極，以及 iv)在所述基極上方的發(fā)射極； 其中所述異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的集電極和次集電極中至少一個，以及所述場效應晶體管結(jié)構(gòu)的接觸層，每個獨立地包含III-V半導體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外延層結(jié)構(gòu)，其中所述III-V半導體材料包括鎵和砷。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外延層結(jié)構(gòu)，其中所述場效應晶體管是高電子遷移率晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外延層結(jié)構(gòu)，其中所述次集電極的至少一部分是η型材料，具有大于約IE 18cm_3的電子濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外延層結(jié)構(gòu)，其中所述次集電極的至少一部分是η型材料，具有大于約IE 19cnT3的電子濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外延層結(jié)構(gòu)，其中所述發(fā)射極主要由InGaP、AlInGaP和AlGaAs組成的組中的至少一個成員組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外延層結(jié)構(gòu)，其中所述基極摻雜碳，濃度在約IE19cm—3到約7E 19cm_3 之間。
8.一種用于形成雙極高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟 a)在高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)的接觸層上方形成次集電極；以及 b)在次集電極上方形成集電極，其中次集電極和集電極中至少一個每個獨立地包括錫Sn、締Te和硒Se組成的組中的至少一個成員。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述次集電極和集電極層中的至少一個由金屬有機化學氣相沉積形成。
全文摘要
一種外延層結(jié)構(gòu)，包括場效應晶體管結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)包含與場效應晶體管結(jié)構(gòu)組合形成的n摻雜次集電極和集電極，其中次集電極或集電極中至少一部分包含Sn、Te或Se。在一個實施方式中，基極形成在集電極上方；以及發(fā)射極形成在基極上方。雙極晶體管和場效應晶體管每個獨立地包含III-V半導體材料。
文檔編號H01L29/08GK102842578SQ20121023012
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者K·斯蒂文斯, C·路茨 申請人:寇平公司