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KR101020014B1 - ＳｉＧｅ 이종접합 바이폴라 트랜지스터의 이동도 향상 - Google Patents

ＳｉＧｅ 이종접합 바이폴라 트랜지스터의 이동도 향상 Download PDF

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KR101020014B1
KR101020014B1 KR1020087001903A KR20087001903A KR101020014B1 KR 101020014 B1 KR101020014 B1 KR 101020014B1 KR 1020087001903 A KR1020087001903 A KR 1020087001903A KR 20087001903 A KR20087001903 A KR 20087001903A KR 101020014 B1 KR101020014 B1 KR 101020014B1
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두레세티 치담바라오
토마스 엔 아담
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인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

본 발명은 그 안에 SiGe-함유층을 포함한 베이스 영역을 갖는 고성능 이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)에 관한 것이다. SiGe-함유층은 약 100 nm 두께 이하이며 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량을 갖는다. SiGe-함유층은 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량의 약 80% 이상의 평균 게르마늄 함유량을 더 갖는다. 본 발명은 또한, 베이스층이 100 nm 두께 이하인 것을 조건으로 하여, 그 안의 평균 게르마늄 함유량이 상기 베이스층의 두께에 기초하여 계산된 임계 게르마늄 함유량의 80% 이상이도록 베이스층의 게르마늄 함유량을 균일하게 증가시킴으로써, SiGe-함유 베이스층을 갖는 HBT의 캐리어 이동도를 높이기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

ＳｉＧｅ 이종접합 바이폴라 트랜지스터의 이동도 향상{MOBILITY ENHANCEMENT IN SiGe HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTORS}
본 발명은 SiGe-기반 이종접합 바이폴라 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이동도(mobility) 향상으로 인한 개선된 성능을 갖는 SiGe-기반 이종접합 바이폴라 트랜지스터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 SiGe-기반 이종접합 바이폴라 트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근의 SiGe 이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT; heterojunction bipolar transistor) 디바이스에 있어서, 제조 공정에서 비교적 초기에 베이스 재료가 FEOL(front-end-of-line) 필름으로서 화학 기상 증착법(CVD) 또는 몰분자 빔 에피택시(MBE)에 의해 에피택셜 증착된다. 이는 합금 및 도펀트 둘 다의 특정한 베이스 프로파일에 맞출 수 있는 가능성을 제공하고, HBT 디바이스의 성능을 개선하기 위해 사용될 수 있는, 게르마늄 및 탄소와의 실리콘 합금의 가상(pseudomorphic) 성장을 허용한다.
구체적으로, 실리콘 결정 격자로의 치환형 게르마늄의 결합은 Ge 원자가 더 큰 원자 간격을 필요로 하기 때문에 재료에 압축 스트레인(compressive strain)을 생성한다. 이는 또한 재료의 밴드갭을 감소시킨다. 일부 SiGe-기반 이종접합 바이 폴라 트랜지스터(HBT) 디바이스에서는, Ge 함유량이 전체 베이스 영역(단일 직사각형 프로파일) 또는 그의 일부(계단형 프로파일)에 걸쳐 일정값으로 갑자기 증가한다. "그레이디드(graded)" SiGe HBT 디바이스에서, 베이스 영역에서의 Ge 함유량은 일정값이 아니며, 대신 이미터-베이스 접합부 부근의 낮은 Ge 농도로부터 베이스 영역 내로 깊어질수록 높은 Ge 농도로 증가함으로써 전자 흐름의 방향으로 밴드갭이 감소하는 드리프트(drift) 필드를 생성한다. HBT 디바이스의 이미터로부터 주입된 전자는 이미터-베이스 접합부에서의 낮은 Ge 농도로 인해 감소된 주입 장벽에 마주치고, 그 다음 베이스 영역 내로 깊어질수록 증가하는 Ge 함유량으로 인해 베이스 영역에 걸쳐 가속(accelerating) 필드를 경험하게 된다. 이미터-베이스 접합부에서의 낮은 Ge 함유량은 베이스로의 전자 주입을 증가시키고, 그에 따라 전류 이득을 증가시킨다. 베이스 영역의 Ge 그레이딩(grading)은 디바이스를 가로지르는 전자의 수송을 빠르게 하는 효과를 가지며, 그 결과 디바이스를 보다 빠른 속도의 성능으로 조정하는데 있어서 특히 중요한, 베이스를 통하는 주행 시간을 감소시킨다. 이러한 바람직한 Ge 그레이딩은 SiGe 필름 증착 동안 Ge 전구체 흐름의 시간-의존적 프로그래밍에 의해 용이하게 생성될 수 있다.
그러나 SiGe 필름 두께의 증가나 Ge 함유량의 증가로 인해, 가상 성장된 SiGe 필름의 스트레인이 임계 레벨에 도달하면, 그 스트레인은 더 이상 왜곡된 SiGe 결정 구조에 축적되는 탄성 에너지에 의해 포함될 수 없다. 대신에, 이종에피택셜 경계면에서의 부정합 전위(misfit dislocation)의 발생을 통해 스트레인 부분이 완화될 것이다. 따라서, 특정 Ge 함유량의 SiGe 필름에 대하여, SiGe 필름의 가 상 성장을 위한 최대 두께로서 정의되는 "임계 두께"가 존재하며, 이 두께 아래로는 Si와 Ge 사이의 격자 부정합에 의해 야기되는 스트레인이 결정 격자 왜곡으로 축적되는 탄성 에너지에 의해 포함되고, 이 두께를 넘으면 이종에피택셜 경계면에서의 부정합 전위의 발생을 통해 스트레인 부분이 완화된다. 마찬가지로, 특정 두께의 SiGe 필름에 대하여, 가상 SiGe 필름 내로 결합될 수 있는 최대 게르마늄 함유량으로서 정의되는 "임계 Ge 함유량"이 존재하며, 이 함유량 아래로는 Si와 Ge 사이의 격자 부정합에 의해 야기되는 스트레인이 결정 격자 왜곡으로 축적되는 탄성 에너지에 의해 포함되고, 이 함유량을 넘으면 이종에피택셜 경계면에서의 부정합 전위의 발생을 통해 스트레인 부분이 완화된다.
스트레인 완화로부터 생기는 전위 결함은 전기적으로 활성이고, 증가된 캐리어 산란, 캐리어 트래핑 및 캐리어 재결합을 야기할 수 있다. 따라서 과거에는 디바이스 구조에서 전위 결함의 형성을 피하기 위해 SiGe 베이스층의 Ge 함유량 및 총 두께가 임계값을 초과하지 않도록 주의하여 설계되었다.
수직 및 측방 둘 다의 방향으로 SiGe HBT 디바이스의 최근의 공격적인 스케일링은 베이스층 두께의 상당한 감소를 포함하여 디바이스 치수의 상당한 감소를 가져왔다. 더욱이, 최근의 고주파수 측정은 (예를 들어, 약 100 nm 이하의 두께를 갖는) 고성능 HBT의 초박형(ultra-thin) 베이스층을 통해 이동하는 캐리어가 이미 오늘날의 적극적인 Ge 그레이딩에서 포화 속도에 도달하였음을 보여준다. 즉, 초박형 베이스층의 증가된 Ge 그레이딩으로는 더 이상 캐리어 속도의 개선을 산출하지 못하는 것이다.
그 결과, 현재 기술 수준의 SiGe-기반 HBT 디바이스(Khater 등의 " SiGE HBT Technology with fMax/fT=350/300 GHz and Gate Delay Below 3.3 ps " IEEE Electron Devices Meeting , IEDM Technical Digest, 13-15 December 2004, pp . 247-250 참조)는 임계값보다 훨씬 낮은 Ge 함유량 및 두께를 갖는 베이스층을 갖는다.
본 발명은 HBT 디바이스의 베이스 영역의 2축(biaxial) 스트레인을 증가시키고, 이어서 베이스 영역에서의 캐리어 이동도를 증가시킴으로써, 현재 이용가능한 SiGe-기반 HBT 디바이스의 성능을 더욱 개선하고자 한다.
본 발명에서는 현재 이용가능한 SiGe-기반 HBT 디바이스의 초박형 베이스층의 Ge 함유량의 부가적인 증가가 더 이상 캐리어 이동도를 증가시키지는 않지만, 베이스 영역 부근의 2축 스트레인의 증가를 야기할 수 있고, 즉 기판 표면에 평행한 방향(즉, 측방 방향)을 따라 증가된 압축 스트레인 및 기판 표면에 수직한 방향(즉, 수직 방향)을 따라 증가된 인장 스트레인을 야기할 수 있으며, 이는 베이스 영역을 통하여 측방으로 흐르는 홀과, 베이스 영역을 수직으로 가로지르는 전자의 이동도를 향상시키도록 기능한다는 것을 발견하였다.
캐리어 베이스-주행 시간은 캐리어 속도 뿐만 아니라 캐리어 이동도에도 의존하기 때문에, 현재 이용가능한 SiGe-기반 HBT 디바이스의 캐리어 베이스-주행 시간은 이러한 HBT 디바이스의 초박형 베이스층의 Ge 함유량을 임계값에 가까이 증가시킴으로써 더 감소될 수 있다.
더욱이, SiGe-기반 HBT 디바이스의 베이스 저항도 또한 캐리어 이동도에 의존하므로, 베이스층 Ge 함유량을 임계값에 가까이 증가시키는 것은 베이스 저항을 감소시키기 위해서도 사용될 수 있다.
일 양상으로, 본 발명은 콜렉터 영역, 베이스 영역, 외인성(extrinsic) 베이스 영역 및 이미터 영역을 포함하는 HBT 디바이스에 관한 것이다. HBT 디바이스의 베이스 영역은 초박형 SiGe-함유층을 포함하며, 즉 약 100 nm 이하의 두께를 갖는 초박형 SiGe-함유층을 포함한다. 이러한 초박형 SiGe-함유층에 대하여 임계 게르마늄 함유량이 그 두께에 기초하여 미리 결정될 수 있고, SiGe-함유층은 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량의 약 80% 이상의 평균 게르마늄 함유량을 갖는 게르마늄 함유량 프로파일을 갖도록 마련되어 구성된다.
바람직하게는, 초박형 SiGe-함유층의 평균 게르마늄 함유량은 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량의 90% 이상이고, 보다 바람직하게는 95% 이상이고, 더욱 보다 바람직하게는 99% 이상이다. 가장 바람직하게는, 초박형 SiGe-함유층의 평균 게르마늄 함유량은 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량과 실질적으로 동일하다(즉, ± 0.1% 차이를 가짐).
초박형 SiGe-함유층에 대한 임계 게르마늄 함유량은 이하 상세하게 기재되는 바와 같이 다양한 종래 공지된 방법에 의해 용이하게 계산될 수 있고, 본 발명은 전위 발생의 위험을 최소화하도록 SiGe-함유층의 실제 게르마늄 함유량을 제어하기 위한 평균 계산된 임계 게르마늄 함유량을 선택한다. 예를 들어, 약 50 nm 두께의 SiGe-함유층에 대하여, 계산된 임계 게르마늄 함유량은 약 16 원자% 내지 약 18 원자% 사이이며, 본 발명에서는 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량으로서 17 원자%의 평균값이 선택된다. 또 다른 예를 들면, 100 nm 두께의 SiGe 함유층의 계산된 임계 게르마늄 함유량은 약 9 원자% 내지 약 11 원자% 사이이며, 본 발명의 실시를 위해 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량으로서 10 원자%의 평균값이 선택된다.
본 발명의 초박형 SiGe-함유층은 평평한 Ge 함유량 프로파일(즉, 전체 SiGe-함유층에 걸쳐 실질적으로 균일한 Ge 함유량이 제공됨), 다단계(multi-step) Ge 함유량 프로파일(즉, 전체 SiGe-함유층에 걸쳐 다수의 평탄역이 제공됨) 또는 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(즉, SiGe-함유층에서 Ge 함유량이 변화함)을 가질 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같은 용어 "Ge 함유량 프로파일" 또는 "게르마늄 함유량 프로파일"은 구조의 두께 또는 깊이의 함수로서 구조 내 게르마늄 함유량의 플롯을 언급한다. 바람직하게는, 초박형 SiGe-함유층은 그레이디드 Ge 함유량 프로파일을 가지며, 이는 규칙적이거나 불규칙적인 임의의 적당한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 초박형 SiGe-함유층은 삼각형 Ge 함유량 프로파일 또는 사다리꼴형 Ge 함유량 프로파일을 가질 수 있다.
단순하거나(즉, 계단형) 또는 복잡한(그레이디드) SiGe-함유층에 대하여, "평균 Ge 함유량"은 먼저 전체 SiGe-함유층에 걸쳐 Ge 함유량을 적분하여 층의 총 Ge 함유량 또는 적분된 Ge 함유량을 결정한 다음, 적분된 Ge 함유량을 층의 두께로 나눔으로써 결정된다. 이러한 SiGe-기반 HBT 디바이스의 베이스층에서의 평균 Ge 함유량이 베이스층의 두께에 대응하는 임계 Ge 함유량 이하로 남아있는 한, SiGe-기반 HBT는 HBT 디바이스를 완성하기 위해 필요한 부가적인 고온의 처리 단계에서 안정적인 것으로 발견된다. 임계 Ge 함유량은 예를 들어, 이하 상세하게 기재될 메튜/블레이크슬리 라인(MBL; Matthew/Blakeslee line)으로부터 용이하게 결정될 수 있다. 또한, 초고진공 화학 기상 증착법(UHVCVD: ultra-high vacuum chemical vapor deposition) 및 고온 베이크(bake)-조건의 원격 플라즈마-강화 화학 기상 증착법(RPCVD: remote plasma-enhanced chemical vapor deposition)과 같은 특정 증착 기술은 SiGe-함유 베이스층이 임계 Ge 함유량에 매우 가까운(95%보다 많은) 평균 Ge 함유량으로 증착될 수 있게 한다.
다른 양상으로, 본 발명은 약 50 nm 이하의 두께를 가지며, 약 16.5 원자% 내지 약 17.5 원자% 범위의 평균 게르마늄 함유량을 갖는 게르마늄 함유량 프로파일을 갖는 SiGe-함유 베이스층을 포함하는 이종접합 바이폴라 트랜지스터에 관한 것이다.
부가적인 양상으로, 본 발명은 초박형 SiGe-함유 베이스층을 갖는 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서 베이스층의 준정적(quasi-static) 드리프트 필드를 변화하지 않고 캐리어 이동도를 향상하는 방법에 관한 것이다. SiGe-함유층의 준정적 드리프트 필드는 SiGe-함유층에서 Ge 함유량 프로파일의 형상 또는 Ge-그레이딩 비율에 의존하지만, 절대적인 Ge 함유량에 의존하는 것은 아니다.
따라서, 베이스층의 임계 Ge 함유량에 가까이 도달하기 위해 초박형 SiGe-함유 베이스층에 걸친 Ge 함유량의 균일한 증가가 사용될 수 있고, 그에 의해 베이스 층에서의 2축 스트레인 및 캐리어 이동도를 최대화할 수 있지만, 이는 Ge 함유량 프로파일의 형상 또는 Ge-그레이딩 비율을 변화시키지 않고, 따라서 베이스 층의 동일한 준정적 드리프트 필드를 유지하게 된다.
일 실시예에서, 본 발명의 방법은:
SiGe-함유 베이스층의 두께를 측정하는 단계;
상기 SiGe-함유 베이스층의 두께에 기초하여 임계 게르마늄 함유량을 계산하는 단계;
상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량을 측정하여 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일을 결정하는 단계; 및
상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일을 변경하는 단계로서, 상기 변경된 게르마늄 함유량 프로파일이 상기 계산된 임계 게르마늄 함유량의 약 80% 이상의 평균 게르마늄 함유량을 갖도록 충분한 양만큼 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량을 균일하게 증가시킴으로써 변경하는 단계
를 포함한다.
또 다른 양상으로, 본 발명은:
SiGe-기반 HBT 디바이스의 SiGe-함유 베이스층에 대한 설계 두께 및 설계 게르마늄 프로파일을 결정하는 단계로서, 상기 설계 두께는 약 100nm 이하인 것인, 결정 단계;
상기 설계 두께에 기초하여 임계 게르마늄 함유량을 계산하고, 상기 설계 게르마늄 프로파일 및 상기 임계 게르마늄 함유량에 기초하여 평균 게르마늄 함유량을 계산하는 단계로서, 상기 평균 게르마늄 함유량은 상기 임계 게르마늄 함유량의 80% 이상인 것인, 계산 단계;
반도체 기판에 상기 HBT 디바이스를 위한 콜렉터를 형성하는 단계;
상기 콜렉터 상에 상기 설계 두께, 상기 설계 게르마늄 프로파일 및 상기 계산된 평균 게르마늄 함유량을 갖는 SiGe-함유 베이스층을 증착하는 단계; 및
상기 HBT 디바이스를 위한 외인성 베이스 및 이미터를 형성하는 단계
에 의해 고성능 SiGe-기반 HBT 디바이스를 제조하는 방법을 제공한다.
설계 두께 및 설계 게르마늄 프로파일은 이론적 밴드 구조 계산 및 이력(historical) 베이스 프로파일 스케일링에 의해 용이하게 결정될 수 있으며, 이는 당해 기술 분야에 공지되어 있으므로 여기서는 상세하게 기재되지 않는다. 바람직하게는, 설계 게르마늄 프로파일은 베이스층에 걸친 게르마늄 그레이딩을 제공하고, 이는 베이스층을 가로질러 캐리어를 가속하는 준정적 드리프트 필드를 확립한다.
다음의 개시 및 첨부 도면으로부터 본 발명의 다른 양상, 특징 및 이점이 보다 충분히 명백하게 될 것이다.
도 1은 예시적인 종래 기술의 SiGe-기반 HBT 디바이스의 단면도이다.
도 2는 SiGe-기반 HBT 디바이스에 대한 두 개의 종래 기술의 베이스 Ge 함유량 프로파일을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 종래 기술의 베이스 Ge 함유량 프로파일과 비교하여, 고성능 SiGe HBT 디바이스를 위해 개선된 베이스 Ge 함유량 프로파일을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 종래 기술의 베이스 Ge 함유량 프로파일과 비교하여, 고성능 SiGe HBT 디바이스를 위해 다른 개선된 베이스 Ge 함유량 프로파일을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 종래 기술의 베이스 Ge 함유량 프로파일과 비교하여, 고성능 SiGe HBT 디바이스를 위해 또 다른 개선된 베이스 Ge 함유량 프로파일을 도시한다.
도 6은 SiGe-함유층의 두께에 기초하여 SiGe-함유층에 대한 임계 Ge 함유량을 결정하는 데 사용될 수 있는 매튜-블레이크슬리 곡선을 도시한다.
도 1에는 딥 트렌치 소자분리(deep trench isolation) 및 T형 이미터를 갖는 통상적인 SiGe-기반 HBT가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1은 두 개의 쉘로우(shallow) 트렌치 소자분리 영역(14R 및 14L) 사이에 위치되는, 적어도 콜렉터(12)를 포함하는 반도체 구조(10)를 포함한다. 도면의 좌측에 14L로 표시된 쉘로우 트렌치 소자분리 영역은 쉘로우 트렌치의 기저벽 표면으로부터 연장하는 딥 트렌치(16)를 갖는다. 도 1에 도시된 반도체 구조는 또한 트렌치 소자분리 영역 및 콜렉터(12)의 위에 위치되는 제1 에피택셜 실리콘층(18), SiGe 베이스(20), 및 제2 에피택셜 실리콘층(22)을 포함한다. 도 1에 도시된 구조는 또한 SiGe 베이스(20) 위에 위치된 제2 에피택셜 실리콘층(22)의 표면을 노출하도록 패터닝된 외인성 베이스(24) 및 산화물층(26)을 포함한다. 질화물 스페이서(28)가 산화물층(26) 및 외인성 베이스(24)의 측벽에 위치된다. 도 1에 도시된 바와 같이 구조에 T형 이미 터(30)가 제공된다.
도 1에 도시된 HBT는 당해 기술 분야에 주지된 바와 같은 종래의 바이폴라 처리 기술을 이용하여 제조된다. 예를 들어, 특히 SiGe로 구성된 이종접합 Si-함유 베이스는 절연 산화물에 의해 둘러싸인 콜렉터 페디스털(pedestal) 상에 에피택셜 성장된다.
에피택셜 성장 동안, (지수형 또는 다항식의 경사를 갖는) 복잡한 붕소, 게르마늄 및 탄소 함유량 프로파일이 전구체 흐름의 시간 의존적 프로그래밍에 의해 용이하게 생성될 수 있다. 트랜지스터의 다른 중성 베이스 영역을 가로질러 캐리어를 가속하여 주행 시간을 급격하게 감소시키는 내재된 드리프트 필드를 생성하기 위해 그레이디드 게르마늄 함유량 프로파일이 바람직하다.
종래의 SiGe-기반 HBT 디바이스에서 게르마늄 함유량 프로파일 및 게르마늄 그레이딩은 SiGe 베이스층의 임계 두께 및 임계 게르마늄 함유량에 의해 제한적으로 사용되었지만, SiGe HBT 디바이스의 최근의 적극적인 스케일링은 베이스층 두께의 상당한 감소를 포함하여 디바이스 치수의 상당한 감소를 가져왔다. 더욱이, 최근의 연구로는 초박형 베이스층을 통하여 이동하는 캐리어가 이미 오늘날의 보통 Ge 그레이딩에서 포화 속도에 도달하였고 초박형 베이스층에서 증가되는 Ge 그레이딩이 더 이상 캐리어 속도의 개선을 산출하지 않음을 보여주기 때문에, 현재 이용가능한 SiGe-기반 HBT 디바이스는 임계값보다 훨씬 낮은 베이스 Ge 함유량을 갖는다.
도 2는 현재 이용가능한 SiGe-기반 HBT 디바이스의 두 개의 예시적인 그레이 디드 Ge 프로파일을 도시한다. 이들 두 개의 그레이디드 Ge 프로파일에 대한 평균 Ge 함유량(각각 xA1 및 xA2)은 이러한 디바이스의 초박형 SiGe 베이스층의 임계 Ge 함유량(xC)보다 훨씬 낮다.
본 발명에서는 현재 이용가능한 SiGe-기반 HBT 디바이스의 초박형 베이스층의 Ge 함유량의 부가적인 증가가 더 이상 캐리어 속도를 증가시키지는 않지만, 베이스 영역 부근의 2축 스트레인의 증가를 야기시킴으로써, 베이스 영역의 캐리어 이동도를 향상시키고 SiGe-기반 HBT 디바이스의 캐리어 베이스-주행 시간 뿐만 아니라 베이스 저항을 감소시킬 수 있음을 발견하였다.
따라서, 본 발명은 캐리어 이동도를 증가시키고 베이스 저항 및 중성 베이스 영역을 통하는 캐리어 주행 시간을 더 감소시키기 위해, SiGe HBT의 초박형 베이스 영역의 임계 근접 평균 Ge 함유량을 이용한다. 본 발명에 의해 기재되는 방법은 기존의 SiGe HBT 디바이스의 성능을 변경 및 개선하고, 또는 처음부터 고성능 SiGe HBT 디바이스를 제조하는 데 사용될 수 있다.
기존의 SiGe HBT의 초박형 베이스 영역의 그레이디드 Ge 함유량 프로파일에 의해 생성되는 동일한 드리프트 필드를 유지하기 위해, 본 발명은 SiGe 베이스층의 평균 게르마늄 함유량이 임계 게르마늄 함유량의 80%에 근접하거나 적어도 가깝도록 충분한 양만큼 기존의 HBT 디바이스의 SiGe 베이스 층의 게르마늄 함유량을 균일하게 증가시킴으로써, 기존의 SiGe HBT의 변경을 제안한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 초박형 베이스 영역을 갖는 기존의 SiGe HBT 디바이스의 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(12)의 Ge 함유량을 균일하게 증가시킴으로써 생성되는 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(14)을 도시한다. 증가된 Ge 함유량은 △x로 칭하고, 새로운 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(14)에서의 평균 Ge 함유량(xA)은 종래 기술의 Ge 함유량 프로파일(12)에서의 평균 Ge 함유량(도시되지 않음)보다 임계 게르마늄 함유량(xC)에 상당히 가깝다.
마찬가지로, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 초박형 베이스 영역을 갖는 기존의 SiGe HBT 디바이스의 종래 기술의 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(22)에서의 Ge 함유량을 (△x 만큼) 균일하게 증가시킴으로써 생성되는 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(24)을 도시한다. 새로운 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(14)에서의 평균 Ge 함유량(xA)은 종래 기술의 Ge 함유량 프로파일(12)에서의 평균 Ge 함유량(도시되지 않음)보다 임계 게르마늄 함유량(xC)에 상당히 가깝다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 기존의 SiGe HBT의 초박형 SiGe 베이스 영역 및 초박형 SiGe 베이스의 측면을 접하는 두 개의 에피택셜 실리콘 층(즉, 도 1의 층 18 및 22) 모두의 Ge 함유량을 △x 만큼 균일하게 증가시킴으로써 생성되는 다른 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(34)을 도시한다. 두 개의 에피택셜 실리콘 층에서의 Ge 함유량 증가는 도 5의 램프(ramp)(36a 및 36b)로 나타내고, 새로운 그레이디드 Ge 함유량 프로파일(34)에서의 평균 Ge 함유량(xA)은 종래 기술의 Ge 함유량 프로파일(32)에서의 평균 Ge 함유량(도시되지 않음)보다 임계 게르마늄 함유 량(xC)에 상당히 가깝다.
따라서, Ge 함유량의 증가는 이러한 초박형 SiGe 베이스의 측면을 접하는 에피택셜 실리콘층이 그 안에 Ge가 거의 없거나 아예 없이 본질적으로 실리콘으로 구성되도록 초박형 SiGe 베이스 영역에만 한정될 수 있고, 또는 측면을 접하는 에피택셜 실리콘층으로도 연장되어 연장된 SiGe 에피택셜 베이스 영역을 형성할 수 있다.
본 발명은 트랜지스터의 베이스 저항을 감소시키며 SiGe-기반 HBT 디바이스의 캐리어 이동도를 향상시키는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 캐리어 이동도 향상은 통상적으로 바이폴라 트랜지스터와 연관되는 드리프트 필드에 부정적인 영향을 미치지 않고 HBT 디바이스의 초박형 베이스 영역의 Ge 프로파일을 변경함으로써 달성된다.
보다 구체적으로, 본 발명은 SiGe HBT 디바이스의 초박형 베이스 영역의 Ge 함유량 프로파일이 측방 압축 및 수직 인장 스트레인의 동시 인가를 제공하도록 변경되는 방법을 제공한다. 본 발명에 의해 기재되는 바와 같은 Ge 함유량 프로파일의 이러한 변화는 초박형 베이스 영역의 소정량의 Ge 그레이딩에 의해 생성되는 준정적 드리프트 필드에 부정적으로 영향을 미치거나 이를 실질적으로 바꾸지 않는다. 베이스 Ge 함유량 프로파일에 균일한 양의 추가적인 Ge를 추가하고 초박형 베이스 영역의 평균 Ge 함유량을 임계값에 가까이 증가시킴으로써, 내부 2축 층 스트레인은 명백하고 준안정한 완화 임계점까지 매우 증가될 수 있다.
특정 두께의 SiGe 베이스 층에 대한 임계 Ge 함유량은 J.C.Bean 등의 "GexSi1 -x/Si Strained-Layer Superlattice Grown by Molecular Beam Epitaxy," J. VAC. SCI. TECHNOL., Vol. A2, No.2, pp. 436-440 (1984); J. H. van der Merwe의 "Crystal Interfaces. Part I. Semi-Infinite Crystals," J. APPL. PHYS., Vol. 34, No. 1, pp. 117-122 (1963); J. M. Matthews 및 A.E. Blakeslee의 "Defects in Epitaxial Multilayers I. Misfit Dislocations in Layers," J. CRYSTAL GROWTH, Vol.27, pp. 118-125 (1974); S. S. Iyer 등의 "Heterojunction Bipolar Transistors Using Si- Ge Alloys," IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol. 36, No. 10 (October 1989); R.H.M. van der Leur 등의 "Critical Thickness for Pseudomorphic Growth of Si/Ge Alloys and Superlattice," J. APPL. PHYS., Vol. 64, No. 5, pp. 3043-3050 (15 September 1988); 및 D.C. Houghton 등의 "Equilibrium Critical Thickness for Si1-XGex Strained Layers on (100) Si," APPL. PHYS. LETT., Vol. 56, No. 5, pp. 460-462 (29 January 1990)에 기재된 바와 같이, 다양한 방법에 의해 용이하게 결정될 수 있다.
도 6은 SiGe 필름의 특정 두께가 주어지면 임계 Ge 함유량을 결정하는 데 용이하게 사용될 수 있는, SiGe-함유 필름의 임계 두께를 그 안의 Ge 함유량과 상관시키는 매튜-블레이크슬리 곡선을 도시한다.
상이한 방법을 사용함으로써 계산된 임계 Ge 함유량은 사용되는 서로 다른 모델과 고려되는 서로 다른 파라미터로 인해 서로 조금씩 다를 수 있다. 본 발명은 SiGe-함유층의 실제 게르마늄 함유량을 제어하기 위한 평균 계산된 임계 게르마늄 함유량을 선택한다. 예를 들어, 약 50 nm 두께의 SiGe-함유층에 대하여, 계산된 임계 게르마늄 함유량은 약 16 원자% 내지 약 18 원자% 사이이며, 본 발명에서는 17 원자%의 값이 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량으로서 선택된다. 또 다른 예를 들면, 100nm 두께의 SiGe-함유층의 계산된 임계 게르마늄 함유량이 약 9 원자% 내지 약 11 원자% 사이이고, 본 발명의 실시를 위해 10 원자%의 값이 미리 결정된 임계 게르마늄 함유량으로서 선택된다.
바람직하게는, 임계 근접 Ge 함유량을 갖는 초박형 SiGe 베이스층은, 잘 구축된 프로세스 제어를 가지며 반복될 수 있고 배치(batch) 프로세싱 및 대규모 제조에 적당한 것으로 증명된 화학 기상 증착법(CVD)에 의해 가상 성장된다. 또한, CVD 프로세스는 플라즈마 처리를 요구하지 않으며, 치환형 Ge 원자가 전기적으로 비활성이고, 밴드 구조에서의 미세 변화를 제외하고 베이스층의 극히 낮은 오염 레벨을 보장한다.
본 발명은 이의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 도시되고 기재되었지만, 당해 기술 분야에서 숙련된 자라면 형태 및 세부사항의 전술한 변화 및 다른 변화가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서 본 발명은 기재되고 설명된 정확한 형태 및 세부사항에 한정되지 않고, 첨부되는 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (10)

100 nm 이하 두께의 SiGe-함유 베이스층을 갖는 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서 상기 베이스층의 준정적(quasi-static) 드리프트 필드를 변화시키지 않으면서 캐리어 이동도를 향상시키는 방법으로서,
상기 SiGe-함유 베이스층의 두께를 측정하는 단계;
상기 SiGe-함유 베이스층의 두께에 기초하여 임계 게르마늄 함유량을 계산하는 단계로서, 상기 SiGe-함유 베이스층의 계산된 임계 게르마늄 함유량은 10 원자% 이상인 것인, 계산 단계;
상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량을 측정하여 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일을 결정하는 단계: 및
상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일을 변경하는 단계로서, 상기 변경된 게르마늄 함유량 프로파일이 상기 계산된 임계 게르마늄 함유량의 80% 이상의 평균 게르마늄 함유량을 갖도록 하는 양만큼 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량을 균일하게 증가시킴으로써 변경하는 것인, 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일 변경 단계
를 포함하는, 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서의 캐리어 이동도 향상 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 계산된 게르마늄 함유량 프로파일은 상기 계산된 임계 게르마늄 함유량의 90% 이상의 평균 게르마늄 함유량을 갖는 것인, 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서의 캐리어 이동도 향상 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 계산된 게르마늄 함유량 프로파일은 상기 계산된 임계 게르마늄 함유량과 동일한 평균 게르마늄 함유량을 갖는 것인, 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서의 캐리어 이동도 향상 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일은 계단형(stepped) 또는 그레이디드형(graded)이고, 상기 SiGe-함유 베이스층의 평균 게르마늄 함유량은 전체 SiGe-함유 베이스층에 걸쳐 게르마늄 함유량을 적분하여 적분된 게르마늄 함유량을 결정하고 상기 적분된 게르마늄 함유량을 상기 SiGe-함유 베이스층의 두께로 나눔으로써 결정되는 것인, 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서의 캐리어 이동도 향상 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 SiGe-함유 베이스층은 50nm 이하의 두께를 가지며, 상기 SiGe-함유 베이스층의 계산된 임계 게르마늄 함유량은 17 원자% 이상인 것인, 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서의 캐리어 이동도 향상 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 이종접합 바이폴라 트랜지스터는 두 개의 에피택셜 반도체층을 더 포함하고, 상기 SiGe-함유 베이스층은 상기 두 개의 에피택셜 반도체층 사이에 개재되는 것인, 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서의 캐리어 이동도 향상 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 두 개의 에피택셜 반도체층의 게르마늄 함유량은 상기 SiGe-함유 베이스층의 게리마늄 함유량 프로파일의 변경 후에도 동일하게 유지되는 것인, 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서의 캐리어 이동도 향상 방법.
SiGe-함유 베이스층을 갖는 이종접합 바이폴라 트랜지스터를 제조하는 방법으로서,
SiGe-기반 HBT 디바이스의 SiGe-함유 베이스층에 대한 설계 두께 및 설계 게르마늄 프로파일을 결정하는 단계로서, 상기 설계 두께는 100 nm 이하인 것인, 결정 단계;
상기 설계 두께에 기초하여 임계 게르마늄 함유량을 계산하고, 상기 설계 게르마늄 프로파일 및 상기 임계 게르마늄 함유량에 기초하여 평균 게르마늄 함유량을 계산하는 단계로서, 상기 평균 게르마늄 함유량은 상기 임계 게르마늄 함유량의 80% 이상이고, 상기 SiGe-함유 베이스층의 계산된 임계 게르마늄 함유량은 10 원자% 이상인 것인, 계산 단계;
반도체 기판에 상기 SiGe-기반 HBT 디바이스를 위한 콜렉터를 형성하는 단계;
상기 설계 두께, 상기 설계 게르마늄 프로파일, 및 상기 계산된 평균 게르마늄 함유량을 갖는 SiGe-함유 베이스층을 상기 콜렉터 상에 증착하는 단계; 및
상기 SiGe-기반 HBT 디바이스를 위한 외인성(extrinsic) 베이스 및 이미터를 형성하는 단계
를 포함하는 이종접합 바이폴라 트랜지스터 제조 방법.
100 nm 이하 두께의 SiGe-함유 베이스층을 갖는 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서 상기 베이스층의 준정적(quasi-static) 드리프트 필드를 변화시키지 않으면서 캐리어 이동도를 향상시키는 방법으로서,
상기 SiGe-함유 베이스층의 두께를 측정하는 단계;
상기 SiGe-함유 베이스층의 두께에 기초하여 임계 게르마늄 함유량을 계산하는 단계;
상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량을 측정하여 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일을 결정하는 단계: 및
상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일을 변경하는 단계로서, 상기 변경된 게르마늄 함유량 프로파일이 상기 계산된 임계 게르마늄 함유량의 80% 이상의 평균 게르마늄 함유량을 갖도록 하는 양만큼 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량을 균일하게 증가시킴으로써 변경하는 것인, 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일 변경 단계
를 포함하고,
상기 이종접합 바이폴라 트랜지스터는 두 개의 에피택셜 반도체층을 더 포함하고, 상기 SiGe-함유 베이스층은 상기 두 개의 에피택셜 반도체층 사이에 개재되고,
상기 두 개의 에피택셜 반도체층의 게르마늄 함유랑은 상기 SiGe-함유 베이스층의 게르마늄 함유량 프로파일의 변경 후에도 동일하게 유지되거나, 상기 두 개의 에피택셜 반도체층의 게르마늄 함유량이 상기 SiGe-함유 베이스층에서와 같은 양만큼 균일하게 증가하는 것인, 이종접합 바이폴라 트랜지스터에서의 캐리어 이동도 향상 방법.
SiGe-함유 베이스층을 갖는 이종접합 바이폴라 트랜지스터를 제조하는 방법으로서,
SiGe-기반 HBT 디바이스의 SiGe-함유 베이스층에 대한 설계 두께 및 설계 게르마늄 프로파일을 결정하는 단계로서, 상기 설계 두께는 100 nm 이하인 것인, 결정 단계;
상기 설계 두께에 기초하여 임계 게르마늄 함유량을 계산하고, 상기 설계 게르마늄 프로파일 및 상기 임계 게르마늄 함유량에 기초하여 평균 게르마늄 함유량을 계산하는 단계로서, 상기 평균 게르마늄 함유량은 상기 임계 게르마늄 함유량의 80% 이상인 것인, 계산 단계;
반도체 기판에 상기 SiGe-기반 HBT 디바이스를 위한 콜렉터를 형성하는 단계;
상기 설계 두께, 상기 설계 게르마늄 프로파일, 및 상기 계산된 평균 게르마늄 함유량을 갖는 SiGe-함유 베이스층을 상기 콜렉터 상에 증착하는 단계; 및
상기 SiGe-기반 HBT 디바이스를 위한 외인성 베이스 및 이미터를 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 SiGe-함유 베이스층의 설계 두께는 50nm 이하이고, 상기 SiGe-함유 베이스층에 대해 계산된 상기 임계 게르마늄 함유량은 17 원자% 이상인 것인, 이종접합 바이폴라 트랜지스터 제조 방법.
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