制作高频大功率硅锗异质结双极晶体管结构的方法

摘要

一种制作高频大功率硅锗异质结双极晶体管结构的方法，包括：在轻参杂硅衬底上依次生长子收集区、收集区、基区及发射区，形成制作器件的基片；采用干法刻蚀的方法，在器件基片的表面相隔预定间距刻蚀至收集区，形成子单元台面；在子单元台面上制作发射极金属电极，利用发射极金属电极作掩蔽，采用湿法腐蚀形成基区台面；采用带胶剥离的方法在基区台面和收集区台面同时形成基区和收集区电极；在经过制作的基片表面淀积二氧化硅包层，在该二氧化硅包层上光刻腐蚀电极孔；再在二氧化硅包层上蒸镀金属电极、光刻腐蚀形成单元互联电极，完成器件的制作。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件的结构设计和工艺制作。特别是指一种制作高频大功率硅锗异质结双极晶体管结构的方法。

背景技术

异质结双极晶体管(HBT)作为高频功率放大器中一个关键性的器件，以其良好的线性特性和优良的功率传输特性可以为无线通讯系统提供高性能的功率输出和放大。利用能带工程的优势以应变硅锗(SiGe)合金材料为基区的高频大功率硅锗(SiGe)异质结双极晶体管(HBT)与传统的体硅BJT相比具备更好的频率响应特性，完全可以满足系统对高速高频的工作要求。与GaAs，InP为代表的III-V族材料HBT和HEMT相比，相对较低的成本，良好的热传导效应，优良的机械加工性能使其在大规模集成模块的研制中具有很多优势。而且SiGe HBT一个最大的优势还在于它与现有的微电子工艺兼容。

结构布局的设计不仅仅会影响到微波功率HBT的输出功率和高频特性，而且还会决定器件对于热效应的抑制程度。通常所采用的多个分离器件并行输出所需功率的方法占用了过多的无效面积(die area).因此多发射极叉指结构设计通常被用来优化高频大功率晶体管的布局，这种结构能够提供高的电流密度和减小测向的电流集边效应，也能够降低基区电阻和结的寄生效应产生较高的截止频率和最大振荡频率。但传统的大功率高频HBT多采用密集排列叉指结构(如图1示例)，这种结构在大功率输出时，由于叉指窄条间的热耦合效应并不能得到很好的抑制，因此器件在大功率输出时还会出现由于各个叉指温度分布不均匀造成的增益塌陷等不利于器件工作的现象。严重时会使电流严重分布不均匀，中间的叉指会分担大部分的电流，从而致使器件失效。

自对准工艺制作基区电极在设计中被广泛的使用，这种工艺可以有效的减小发射区指条的间隔，从而减小基区的总电阻以及基区和收集区的结电容C_BC。有利于实现较高的截止频率和最大振荡频率f_max。但是在密集排列叉指结构中，收集区电极的实现多采用背底电极或者分布在整个基区台面的两侧，这样不利于进一步的提高器件的高频特性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制作高频大功率硅锗异质结双极晶体管结构的方法，该方法不仅过程简单，而且基区和收集区电极均采用自对准工艺实现，有效地减小了器件中叉指的指间间隔，有利于实现较高的截止频率和最大振荡频率f_max。

本发明一种制作高频大功率硅锗异质结双极晶体管结构的方法，利用碱性腐蚀液对特定晶向(100)硅锗合金材料与硅的高选择性腐蚀比形成特定的倒台面结构，来实现基区和收集区的电极的自对准工艺，其特征在于，包括如下步骤：

a)在轻参杂硅衬底上依次生长子收集区、收集区、基区及发射区，形成制作器件的基片；

b)采用干法刻蚀的方法，在器件基片的表面相隔预定间距刻蚀至收集区，形成子单元台面，为湿法腐蚀过程中同时形成基区台面和收集区台面的倒台结构创造条件；

c)在子单元台面上制作发射极金属电极，利用发射极金属电极作掩蔽，采用湿法腐蚀形成基区台面；

d)采用带胶剥离的方法在基区台面和收集区台面同时形成基区和收集区电极；

e)在经过制作的基片表面淀积二氧化硅包层，在该二氧化硅包层上光刻腐蚀电极孔；

f)再在二氧化硅包层上蒸镀金属电极、光刻腐蚀形成单元互联电极，完成器件的制作。

其中基区的材料为：硅锗合金或硅锗碳三元合金材料。

其中湿法腐蚀的腐蚀液为氢氧化钾、重铬酸钾、丙醇或异丙醇、水的混合液或为单纯的氢氧化钾或氢氧化钠溶液。

其中制作发射极金属电极是采用腐蚀法或带胶剥离的方法。

其中形成子单元台面的方法为干法刻蚀，或先采用干法刻蚀再采用湿法腐蚀相结合的方法。

其中该二氧化硅包层是用于钝化和引出互联电极的，该二氧化硅包层除二氧化硅材料外，还可以是氮化硅、氮氧化硅或聚酰亚胺。

其中所述的金属电极的材料为：铬金、钛铂金、镍或铝。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明的结构和工艺过程作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明密集排列叉指结构图；

图2为本发明分单元完全对准叉指结构图；

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

请结合参阅图1、图2及图3所示，本发明一种制作高频大功率硅锗异质结双极晶体管结构的方法，利用碱性腐蚀液对特定晶向(100)硅锗合金材料与硅的高选择性腐蚀比形成特定的倒台面结构，来实现基区和收集区的电极的自对准工艺，包括如下步骤：

a)在轻参杂硅衬底1上依次生长子收集区2、收集区3、基区4及发射区5，形成制作器件的基片，其中基区4的材料为：硅锗合金或硅锗碳三元合金材料(图3a)；

b)采用干法刻蚀的方法，在器件基片的表面相隔预定间距刻蚀至收集区3，形成子单元台面40，为湿法腐蚀过程中同时形成基区台面50和收集区台面60的倒台结构创造条件(图3a、图3b)；

c)在子单元台面40上制作发射极金属电极6，利用发射极金属电极6作掩蔽，采用湿法腐蚀形成基区台面50，该湿法腐蚀的腐蚀液为氢氧化钾、重铬酸钾、丙醇或异丙醇、水的混合液或为单纯的氢氧化钾或氢氧化钠溶液；其中制作发射极金属电极6是采用腐蚀法或带胶剥离的方法；其中形成子单元台面40的方法为干法刻蚀，或先采用干法刻蚀再采用湿法腐蚀相结合的方法(图3c)；

d)采用带胶剥离的方法在基区台面50和收集区台面60同时形成基区和收集区电极7、8(图1、图2)；

e)在经过制作的基片表面淀积二氧化硅包层(图中未示)，在该二氧化硅包层上光刻腐蚀电极孔，该二氧化硅包层是用于钝化和引出互联电极的，该二氧化硅包层除二氧化硅材料外，还可以是氮化硅、氮氧化硅或聚酰亚胺；

f)再在二氧化硅包层上蒸镀金属电极、光刻腐蚀形成单元互联电极，完成器件的制作，所述的金属电极的材料为：铬金、钛铂金、镍或铝。

本发明的附图和实例说明以两个子单元，四个发射极指条为例，实际制作中，子单元的数目以及每个单元中叉指的数目和总的叉指指条数目可根据实际需要进行选取。

实施例的硅锗异质结双极晶体管的纵向材料特性如表1所示：

表1

请再结合参阅图1、图2及图3所示：

其中：1为硅衬底，在设计中为了减小高频损耗，衬底一般采用高阻，示例中衬底为电阻率10000ohm-cm的P型硅；

其中：2为子收集区，采用高掺的N型硅作为子收集区原因主要有两个：1)在高掺的子收集区上制作集电区电极，有利于形成良好的欧姆接触，减小收集区的接触电阻；2)子收集区高掺可以防止大电流下收集区耗尽层的过渡扩展；

其中：3为低掺杂的收集区，这一层低掺杂的目的在于增加收集区-基区结的反向击穿电压，掺杂浓度一般为1×10¹⁶--1×10¹⁷cm^-3，厚度一般为400nm-1000nm；

其中：4为基区层硅锗合金层，基区硅锗材料中所采用的最大锗组分主要由合金散射对少数载流子的迁移率的限制来决定的，在理论上，在一定的范围内随着锗组分的增加，材料的合金散射会增加，当锗组分达到一定的值以后，合金散射将会减弱由材料的应变效应所带来的迁移率的提高。基区实现最大的少数载流子迁移率的锗组分的百分含量大约为20％---40％。基区电阻对于高频器件来说是也一个非常重要的参数，高频大功率的硅锗异质结双极晶体管要求器件具有较高的功率传输性能，较大的电流增益，同时需要较好的高频特性，特别是需要较高的最大振荡频率，因而需要采用较高的掺杂以实现较小的基区电阻。为了给基区杂质外扩留下一定的空间，避免寄生势垒的出现，一般要在P⁺基区的两端加上本征的隔离层，即表1中的spacer层。基区材料还可以为硅锗碳三元合金，在硅锗系统中掺入碳可以为硅锗合金提供应变补偿，调节能带结构，提高热稳定性；用掺入碳的硅锗和金作为基区，可以阻止基区杂质硼的瞬态增强外扩效应(transient enhan ceddiffusion).稳定HBT基区硼的分布轮廓，有效的控制基区中的各组分的形貌分布，可以很好的改善器件的输出特性；

其中：5为发射区  发射区一般为两层结构，最上边的为发射区的帽层，采用高掺杂利于形成良好的欧姆接触。发射区层低掺杂可以降低发射结的结电容，有利于器件在维持大功率运作的状态下保证良好的高频特性，所以设计中一般倾向于降低发射区的掺杂浓度。由于大的发射区厚度会增加发射区的串联电阻，从而增加共射极放大器的阻抗，减小驻波比和工作带宽，所以发射区的厚度不能太大。但是如果发射区的厚度过小会使器件在工作时反向注入变得明显从而降低器件的增益。所以需要针对器件所需性能对发射区的厚度进行折中优化。厚度一般为200nm-300nm；

其中：6为发射极电极。7，8分别为基区和收集区的电极，电极材料一般为铬金、钛铂金等惰性金属。

请再结合参阅图1-图3所示，本发明主要的工艺过程详细描述如下：

a)在生长好的片子表面，利用光刻胶作掩蔽，采用干法刻蚀形成每个子单元(subcell)台面40，刻蚀的深度为距子收集区2(sub-collector)表面200nm-300nm为宜，这样可以使后续的湿法腐蚀时形成收集区台面60时不会对子收集区过腐蚀。形成结构的剖面图如图3a所示

b)采用剥离或者腐蚀的方法在台面上形成指状的金属窄条作为发射极电极6，电极的材料一般为铬金，钛铂金或者钛金。结构的剖面图如图3b所示

c)以发射极电极6金属窄条作掩蔽，对片子进行湿法腐蚀，腐蚀液为氢氧化钾∶重铬酸钾∶异丙醇∶水＝100g∶4g∶100mL∶400mL，该腐蚀液在30℃，对硅和硅锗合金的腐蚀比高达26∶1，可以满足形成特定器件结构的要求以及对腐蚀速度的良好控制。腐蚀完成后的剖面结构如结构如图3c所示

d)利用发射极电极6以及硅锗合金基区台面50作掩蔽，在片子表面通过带胶剥离的方法，一步实现基区和收集区的电极7，8。需要注意地是基区电极7和收集区电极8金属的厚度要严格控制，因为发射区5的厚度通常在200nm-300nm，因此发射极电极6距离基区台面50的厚度为200nm-300nm，如果这一步淀积的金属层过厚，会造成基区电极7和发射极电极6的互连。所以基区电极7和收集区电极8的厚度应不超过发射区5厚度的一半。完成后的剖面结构如结构如图3d所示

e)形成基区电极7和收集区电极8后在片子表面淀积二氧化硅，厚度一般为5000nm-10000nm。涂胶光刻，利用光刻胶作掩蔽腐蚀二氧化硅，形成互联电极接触孔9。

f)除去片子表面残留的光刻胶，然后再在片子表面淀积厚金属层，这层金属可以为铝，或者钛金以及钛铝金。可以采用带胶剥离或者腐蚀法形成外部互联电极。