阅读说明：本技术 一种掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管 (Transverse SiGe heterojunction bipolar transistor with adjustable doping concentration ) 是由 金冬月 吴玲 张万荣 那伟聪 孙晟 杨绍萌 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管,为NPN型或PNP型横向SiGe HBT。通过在NPN型器件发射区和基区下方衬底电极加正电压(或在PNP型器件发射区和基区下方衬底电极加负电压),可有效增大发射区掺杂浓度并减小基区掺杂浓度,同时提高电流增益和特征频率；通过在NPN型器件集电区下方衬底电极加负电压(或在PNP型器件集电区下方衬底电极加正电压),可有效降低集电区掺杂浓度,提高击穿电压。与常规横向SiGe HBT相比,所述晶体管可通过改变位于发射区、基区和集电区下方衬底电极的外加电压来独立调节上述三个区的掺杂浓度,从而实现特征频率、电流增益和击穿电压的同步提高。(The invention discloses a lateral SiGe heterojunction bipolar transistor with adjustable doping concentration, which is an NPN type or PNP type lateral SiGe HBT. By applying positive voltage to the substrate electrode below the emitter region and the base region of the NPN type device (or applying negative voltage to the substrate electrode below the emitter region and the base region of the PNP type device), the doping concentration of the emitter region can be effectively increased, the doping concentration of the base region can be reduced, and the current gain and the characteristic frequency can be improved; by applying negative voltage to the substrate electrode below the collector region of the NPN type device (or applying positive voltage to the substrate electrode below the collector region of the PNP type device), the doping concentration of the collector region can be effectively reduced, and the breakdown voltage is improved. Compared with the conventional lateral SiGe HBT, the transistor can independently adjust the doping concentrations of the emitter region, the base region and the collector region by changing the external voltage of the substrate electrode below the three regions, thereby realizing the synchronous improvement of the characteristic frequency, the current gain and the breakdown voltage.)

一种掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管

技术领域

本发明涉及横向SiGe异质结双极晶体管，特别是应用于高速存储器、高速射极耦合逻辑电路以及高速电流型逻辑电路等领域的掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管。

背景技术

采用绝缘体上硅(SOI)技术的横向SiGe异质结双极晶体管(HBT)，不仅具有衬底寄生电容小、漏电流低、高频特性好等优点，还与现有的SOI CMOS工艺相兼容，现已在微波功率领域中扮演越来越重要的角色。

图1示出了采用SOI技术的常规横向SiGe HBT的纵向剖面示意图，主要由Si衬底(10)、SiO₂埋氧层(11)、SiGe基区(12)、Si发射区(13)以及Si集电区(14)构成。为了更好的与SOI CMOS工艺兼容，上述常规横向SiGe HBT的器件尺寸通常在nm量级。此时，器件发射区、基区和集电区的掺杂浓度水平将变得非常敏感，极易受到半导体工艺偏差的影响。微小的工艺偏差将会引起器件发射区、基区和集电区的掺杂浓度的较大变化，从而降低器件的电流增益、特征频率和击穿电压，进而退化了器件的电学性能。

可见如何设计出一种掺杂浓度可调的横向SiGe HBT，有效克服半导体工艺偏差对器件发射区、基区和集电区的掺杂浓度水平的影响，从而实现器件特征频率、电流增益和击穿电压的同时改善，具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明公开了一种掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管。

本发明的一种掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管。其特征在于：所述晶体管包括Si衬底(20)，SiO₂埋氧层(21)，SiGe基区(22)，Si发射区(23)以及Si集电区(24)；其中所述SiGe基区(22)、Si发射区(23)以及Si集电区(24)均位于SiO₂埋氧层(21)的上方，多晶硅层(25)位于所述SiGe基区(22)的正上方，且两侧均与SiO₂层(26)相接触；基极电极(29)位于所述多晶硅层(25)的正上方，发射极电极(27)位于SiO₂埋氧层(21)的上方且与Si发射区(23)相接触，集电极电极(28)位于SiO₂埋氧层(21)的上方且与Si集电区(24)相接触；衬底电极(30)位于Si发射区(23)和SiGe基区(22)的下方且与Si衬底(20)相接触，衬底电极(32)位于Si集电区(24)的下方且与Si衬底(20)相接触；SiO₂侧墙(31)位于衬底电极(30)和衬底电极(32)之间，且与Si衬底(20)相接触。

所述晶体管包括NPN型横向SiGe异质结双极晶体管和PNP型横向SiGe异质结双极晶体管。其中，对于NPN型横向SiGe异质结双极晶体管，所述衬底电极(30)处外加电压介于+3V到+5V之间，所述衬底电极(32)处外加电压介于-0.5V到-1.5V之间；对于PNP型横向SiGe异质结双极晶体管，所述衬底电极(30)处外加电压介于-3V到-5V之间，所述衬底电极(32)处外加电压介于+0.5V到+1.5V之间。

所述Si衬底(20)厚度介于20nm到60nm之间；所述SiO₂埋氧层(21)厚度介于20nm到50nm之间；所述Si发射区(23)、SiGe基区(22)以及Si集电区(24)厚度相等，均介于20nm到60nm之间；所述Si发射区(23)和Si集电区(24)宽度相等，均介于30nm到60nm之间；所述SiGe基区(22)宽度介于22nm到60nm之间；所述多晶硅层(25)厚度介于5nm到10nm之间，宽度介于18nm到36nm之间。

与常规的横向SiGe HBT相比，所述晶体管可通过改变位于发射区和基区下方的衬底电极和位于集电区下方的衬底电极处的外加电压来独立调节器件发射区、基区和集电区的掺杂浓度，从而实现器件特征频率、电流增益和击穿电压的同步提高，进而有效扩展了横向SiGe HBT的微波功率工作范围。

附图说明

结合附图所进行的下列描述，可进一步理解本发明的目的和优点。在这些附图中：

图1示例了常规横向SiGe HBT纵向剖面示意图；

图2示例了本发明实施例的纵向剖面示意图；

图3示例了常规横向SiGe HBT发射区电子浓度分布二维图；

图4示例了本发明实施例的发射区电子浓度分布二维图；

图5示例了本发明实施例对器件电流增益的改善；

图6示例了常规横向SiGe HBT基区空穴浓度分布二维图；

图7示例了本发明实施例的基区空穴浓度分布二维图；

图8示例了本发明实施例对器件特征频率的改善；

图9示例了常规横向SiGe HBT集电区电子浓度分布二维图；

图10示例了本发明实施例的集电区电子浓度分布二维图；

图11示例了本发明实施例对器件击穿电压BV_CBO的改善。

具体实施方式

本发明实施例以NPN型横向SiGe HBT为例，对本发明内容进行具体表述。本发明涉及领域并不限制于此。

实施例：

本发明实施例公开的一种掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管，以NPN型横向SiGe HBT为例，图2示例了本发明实施例的纵向剖面示意图，其中包括Si衬底(20)，厚度为20nm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3；SiO₂埋氧层(21)，厚度为20nm；SiGe基区(22)，厚度为20nm，宽度为30nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；Si发射区(23)和Si集电区(24)，厚度均为20nm，宽度均为30nm，掺杂浓度均为2×10²⁰cm^-3；其中所述SiGe基区(22)、Si发射区(23)以及Si集电区(24)位于SiO₂埋氧层(11)的上方；多晶硅层(25)位于所述SiGe基区(22)的正上方，且两侧均与SiO₂层(26)相接触，其厚度为5nm，宽度为28nm，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3；基极电极(29)位于所述多晶硅层(25)的正上方，发射极电极(27)位于SiO₂埋氧层(21)的上方且与Si发射区(23)相接触，集电极电极(28)位于SiO₂埋氧层(21)的上方且与Si集电区(24)相接触；衬底电极(30)位于Si发射区(23)和SiGe基区(22)的下方且与Si衬底(20)相接触，衬底电极(32)位于Si集电区(24)的下方且与Si衬底(20)相接触；SiO₂侧墙(31)位于衬底电极(30)和衬底电极(32)之间，且与Si衬底(20)相接触。

本发明所述的一种掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管，通过改变位于发射区和基区下方的衬底电极和位于集电区下方的衬底电极处的外加电压来独立调节器件发射区、基区和集电区的掺杂浓度，有效克服半导体工艺偏差对器件发射区、基区和集电区的掺杂浓度水平的影响，进而实现器件特征频率、电流增益和击穿电压的同步提高。为了更好地体现本发明晶体管的性能，以NPN型横向SiGe HBT为例，对本发明实施例和常规器件的电流增益、特征频率和击穿电压BV_CBO进行了对比。

本发明实施例在衬底电极(30)处外加电压为+3.5V，使得发射区内靠近SiO₂埋氧层(21)一侧会有电子的积累，增加了发射区的掺杂浓度；在基区内靠近SiO₂埋氧层(21)一侧会有空穴的耗尽，减少了基区掺杂浓度；在衬底电极(32)处外加电压为-1V，使得集电区内靠近SiO₂埋氧层(21)一侧会有电子的耗尽，减少了集电区的掺杂浓度；这样就达到了独立调节发射区、基区和集电区掺杂浓度的效果，从而实现器件特征频率、电流增益和击穿电压的同步提高，进而有效扩展了横向SiGe HBT的微波大功率工作范围。

图3和图4分别示例了常规横向SiGe HBT和本发明实施例的发射区电子浓度分布二维图。可以看出，与常规横向SiGe HBT相比，本发明实施例中发射区内靠近SiO₂埋层一侧的电子浓度显著提高，从而增大了发射结注入效率，有助于电流放大倍数的增加。

图5示例了本发明实施例对器件电流增益的改善。可以看出，与常规横向SiGe HBT相比，本发明实施例的峰值电流增益(β)提高了106.13，改善高达86.57％。

图6和图7分别示例了常规横向SiGe HBT和本发明实施例的基区空穴浓度分布二维图。可以看出，与常规横向SiGe HBT相比，本发明实施例中基区内靠近SiO₂埋层一侧的空穴浓度有所降低，从而减小了器件的中性基区宽度，有利于基区渡越时间的减小和特征频率的提高。

图8示例了本发明实施例对器件特征频率的改善。可以看出，与常规横向SiGe HBT相比，本发明实施例的峰值特征频率f_T提高了3GHz，并且集电极电流I_C在0.02～1mA范围内变化时，本发明实施例的特征频率f_T均高于常规器件的特征频率。

图9和图10分别示例了常规横向SiGe HBT和本发明实施例的集电区电子浓度分布二维图。可以看出，与常规横向SiGe HBT相比，本发明实施例中集电区内靠近SiO₂埋层一侧的电子浓度显著降低，从而有利于器件击穿电压(BV_CBO)的改善。

图11示例了本发明实施例对器件击穿电压BV_CBO的改善，并与常规横向SiGe HBT进行了比较。可以看出，与常规横向SiGe HBT相比，本发明实施例的BV_CBO高达4.2V，改善了29.2％。

上述结果均显示了本发明实施例的优越性，本发明对设计和制造一种掺杂浓度可调的横向SiGe异质结双极晶体管具有重要的理论和实际意义。