氮化物應(yīng)力膜SOI SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的頻率特性研究

劉培培，文劍豪，魏進(jìn)希，王冠宇，周春宇

（1.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065；2.燕山大學(xué) 理學(xué)院 河北省微結(jié)構(gòu)材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004）

隨著集成電路不斷向更小的工藝節(jié)點(diǎn)挺進(jìn)，硅基有源器件的截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax逐步進(jìn)入太赫茲頻段［1-2］。與傳統(tǒng)的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體器件相比，硅基固態(tài)太赫茲器件具有成本低廉、易于量產(chǎn)，以及與超大規(guī)模集成電路工藝相兼容的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，逐步引起了世界各國(guó)的重視。在0.1～1 THz頻段內(nèi)，由于在SiGe BiCMOS基準(zhǔn)電路和系統(tǒng)應(yīng)用中顯示了巨大潛力與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，SiGe HBT成為了硅基高頻集成電路的核心器件，因此無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的研究人員都在想盡各種辦法來(lái)提高其頻率性能，充分挖掘其在高頻、高速應(yīng)用領(lǐng)域中的潛力［3-7］。

隨著器件尺寸的縮小，SiGe HBT的頻率特性有所提高，但是一味地將器件的尺寸減小，會(huì)增加器件工藝的復(fù)雜度使其制造成本增加，難以按照以前的速度發(fā)展。為了更好地發(fā)展下去，就必須采用新的技術(shù)。諸多研究表明：應(yīng)變Si技術(shù)可以提高載流子的遷移率，縮短載流子的渡越時(shí)間，有效地提高器件的性能［8］。SOI/SGOI技術(shù)不但可以減小PN結(jié)所產(chǎn)生的寄生電容效應(yīng)、器件的功耗以及降低生產(chǎn)成本，還可以加快器件的工作速度、提高器件的抗輻射能力和晶圓的利用率［9］。2006年，國(guó)立成功大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用弛豫的SiGe虛擬襯底作集電極，在其上生長(zhǎng)雙軸應(yīng)變硅作為發(fā)射極，從而得到了較高的電流增益，但是較厚的虛擬SiGe襯底導(dǎo)致器件的自加熱效應(yīng)十分顯著，且特征頻率較低，不能滿(mǎn)足太赫茲集成電路對(duì)器件高頻特性的要求［10］。2014年，西安電子科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將SOI技術(shù)引入SiGe HBT中降低器件的功耗，并建立集電區(qū)電容模型對(duì)該器件的頻率特性進(jìn)行分析，最終通過(guò)計(jì)算得到特征頻率fT約為68.68 GHz、擊穿電壓約為1.5 V以及電流增益約為100［11］。2016年，STM公司提出了一種新型完全自對(duì)準(zhǔn)架構(gòu)SOI SiGe HBT，其fT和fmax分別高達(dá)420 GHz和750 GHz［12］。2018年Alexander等報(bào)道了一種基于22 nm全耗盡SOI工藝的橫向NPN型SiGe HBT結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明：fT和fmax分別高達(dá)1.2和2 THz［7］。通過(guò)上述分析可知，使用先進(jìn)的硅基SOI工藝并不斷縮小器件的特征尺寸，同時(shí)與應(yīng)變Si技術(shù)相結(jié)合，可以大幅提高器件的頻率、厄爾利電壓以及擊穿電壓等關(guān)鍵性能參數(shù)［13-18］。

綜上，將縮小器件特征尺寸、SOI技術(shù)和應(yīng)變Si技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出本文研究的應(yīng)變硅發(fā)射極SOI SiGe HBT器件結(jié)構(gòu)。本文的研究重點(diǎn)主要圍繞新型器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)的優(yōu)化，埋氧化層厚度和應(yīng)力對(duì)器件頻率特性的影響，最終通過(guò)SILVACO TCAD軟件仿真得到該新型器件的頻率特性和電學(xué)特性。

1 器件結(jié)構(gòu)以及工藝仿真流程

使用Windows版本下的SILVACO TCAD仿真軟件的工藝仿真模塊ATHENA對(duì)本文設(shè)計(jì)的SOI SiGe HBT的二維器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行一步一步的工藝仿真，得到整個(gè)SOI SiGe HBT的二維器件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 SOI SiGe HBT器件結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在器件結(jié)構(gòu)的最上層淀積一層氮化膜，該結(jié)構(gòu)中的氮化膜的淀積方式與以往的淀積方式不同，該氮化膜通過(guò)雙頻射頻電源等離子體增強(qiáng)化學(xué)的氣相淀積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）工藝技術(shù)淀積，利用該淀積工藝技術(shù)的高能離子的體轟擊效應(yīng)，使Si3N4薄膜更加緊致，使其在基區(qū)引入單軸壓應(yīng)力，壓應(yīng)力的引入使其價(jià)帶能帶發(fā)生分裂，減小電子的電導(dǎo)有效質(zhì)量，增強(qiáng)載流子的遷移率，提高了器件的截止頻率fT和最高振蕩頻率fmax。本文設(shè)計(jì)的發(fā)射區(qū)是由重?fù)诫s的多晶硅和應(yīng)變Si組成，重?fù)诫s的多晶硅減小發(fā)射區(qū)電阻，應(yīng)變Si提高載流子的遷移率，從而改善器件的電流增益。本文器件的基區(qū)Ge組分的分布形式與以往器件的分布形式不同，以往器件基區(qū)Ge組分一般采用三角形分布、均勻分布和梯形分布。本文基區(qū)Ge組分采用階梯型分布，共有3部分組成，分別是靠近集電區(qū)側(cè)厚度為16 nm，Ge組分為30%的SiGe材料、靠近發(fā)射區(qū)側(cè)厚度為16 nm，Ge組分為17%的SiGe材料和這兩者之間的厚度為6 nm，Ge組分為17%～30%的SiGe材料。以往SiGe基區(qū)以外的外基區(qū)部分位于集電區(qū)的上方，本文設(shè)計(jì)的SiGe外基區(qū)位于襯底之中，而不是像常規(guī)SiGe HBT那樣位于襯底之上的區(qū)域，這樣的好處在于保持較低的基區(qū)串聯(lián)電阻的同時(shí)有效增大了集電結(jié)的結(jié)面積，提高器件的放大系數(shù)和頻率，同時(shí)更容易與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）進(jìn)行工藝集成。發(fā)射區(qū)為應(yīng)變Si材料。本文設(shè)計(jì)的SOI SiGe HBT器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 SOI SiGe HBT結(jié)構(gòu)參數(shù)

對(duì)SOI SiGe HBT進(jìn)行工藝仿真，主要工藝流程包括如下8步：①初始化Si襯底；②依次生長(zhǎng)SiO2材料、集電區(qū)Si材料和Si3N4材料，對(duì)Si3N4材料進(jìn)行部分刻蝕，對(duì)刻蝕的區(qū)域進(jìn)行硼（B）離子注入形成P+外基區(qū)，刻蝕所有的Si3N4材料；③淀積SiO2材料，形成淺溝槽隔離，刻蝕集電極窗口對(duì)應(yīng)的位置，淀積Si，摻雜雜質(zhì)為磷（P），濃度為1.1×1019cm-3，刻蝕多余的Si和SiO2；④淀積SiO2保護(hù)層對(duì)其刻蝕出基區(qū)的位置，淀積SiGe材料，形成基區(qū)，在基區(qū)上側(cè)淀積Si材料，形成應(yīng)變Si層；⑤淀積多晶硅，刻蝕掉發(fā)射區(qū)以外的多晶硅，淀積SiO2，形成凸型發(fā)射極，刻蝕發(fā)射區(qū)窗口，淀積多晶硅，最后刻蝕掉多余的多晶硅和SiO2；⑥淀積Si3N4作為隔離材料，用于保護(hù)發(fā)射極側(cè)墻，淀積SiO2材料，刻蝕基區(qū)窗口，淀積雜質(zhì)為硼的多晶硅，淀積SiO2材料，刻蝕集電區(qū)窗口，淀積雜質(zhì)為磷的多晶硅，⑦通過(guò)雙頻射頻電源PECVD淀積高應(yīng)力的覆蓋層Si3N4，覆蓋層Si3N4提供單軸應(yīng)力，刻蝕出發(fā)射極窗口、集電區(qū)和基區(qū)窗口；⑧對(duì)整體器件結(jié)構(gòu)濺射金屬鋁，形成金屬電極材料，光刻電極以外的區(qū)域。

2 埋氧化層厚度對(duì)頻率特性的影響

SOI技術(shù)不僅具有低功耗、抗輻射和耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在CMOS工藝中還有一定的應(yīng)用前景［19］。對(duì)于SOI襯底，主要由3層結(jié)構(gòu)組成，分別是襯底Si材料、絕緣層和頂層的Si材料。對(duì)于絕緣層一般有Si3N4材料、SiO2材料以及這兩者的混合材料等。本文的絕緣層部分是SiO2材料，主要研究的是絕緣層為SiO2材料時(shí)，不同厚度的SiO2對(duì)頻率特性的影響。

頻率特性是衡量晶體管好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。截止頻率的定義為電流增益降為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。對(duì)于常規(guī)的SiGe HBT的截止頻率fT的表達(dá)式如式（1）所示。

式中：τec，SiGe為基區(qū)總的渡越時(shí)間，常規(guī)SiGe HBT的τec，SiGe的表達(dá)式如式（2）所示。

式中：Ceb為基極-發(fā)射極結(jié)電容；IC為集電極電流；Ccb為基極-集電極結(jié)電容；re為發(fā)射極電阻；rc為集電極電阻。將SOI襯底引入常規(guī)SiGe HBT后，會(huì)增加一個(gè)電容CBOX，該電容與基極-集電極結(jié)電容Ccb串聯(lián)，從而導(dǎo)致τbc發(fā)生變化。此時(shí)SOI SiGe HBT的集電極渡越時(shí)間τbc的表達(dá)式如式（3）所示。

將式（3）代入式（2）中可以得到SOI SiGe HBT的τec，SOISiGe的表達(dá)式，如式（4）所示。

分別將SiO2的厚度設(shè)置為90、140和190 nm，隨著埋氧化層厚度的增加，電容CBOX減小，由式（4）可知，電容CBOX減小會(huì)使SOI SiGe HBT的τec，SOISiGe減小。從圖2可以看出，埋氧化層厚度的增加會(huì)減小集電區(qū)的電子濃度，從而增加集電區(qū)的電阻，由式（4）可知，集電區(qū)的電阻的增加會(huì)使SOI SiGe HBT的τec，SOISiGe變大，但是埋氧化層厚度的增加主要使電容CBOX減小，對(duì)于電子濃度的影響較小，所以總的來(lái)說(shuō)，該器件的截止頻率特性會(huì)有一定的提高。

圖2 不同埋氧化層厚度的SOI SiGe HBT的集電區(qū)電子濃度

使用SILVACO TCAD軟件進(jìn)行仿真，得到3種情況下的截止頻率對(duì)比圖，如圖3所示。通過(guò)對(duì)圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到：埋氧化層厚度從90 nm增加到190 nm時(shí)，最大截止頻率從582 GHz增加到638 GHz，提高了56 GHz。

圖3 不同埋氧化層厚度的SOI SiGe HBT的截止頻率

一個(gè)晶體管的好壞除了衡量截止頻率特性，還需要衡量其最高振蕩頻率特性。最高振蕩頻率fmax的定義為單邊功率增益降為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。常規(guī)的SiGe HBT的表達(dá)式如式（5）所示。

根據(jù)式（5）可以得到SOI SiGe HBT的最高振蕩頻率fmax，如式（6）所示。

從式（6）可以看出，最高振蕩頻率fmax與截止頻率fT成正比，與電容成反比。隨著埋氧化層厚度的增加，基區(qū)電阻不變，電容CBOX減小。又通過(guò)上面的分析可知，埋氧化層厚度的增加使截止頻率fT略微提高，所以埋氧化層厚度的增加最終會(huì)提高器件的最高振蕩頻率fmax，如圖4所示。通過(guò)對(duì)圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到：埋氧化層厚度從90 nm增加到190 nm時(shí)，最高振蕩頻率fmax從727 GHz增加到795 GHz，提高了68 GHz。

圖4 不同埋氧化層厚度的SOI SiGe HBT的最高振蕩頻率

隨著埋氧化層厚度的增加，器件的自加熱效應(yīng)增加。在相同高的VBE下，該器件的集電極電流增大，從而減小器件的熱穩(wěn)定性，所以對(duì)于埋氧化層的厚度不能無(wú)限增大。

3 單軸應(yīng)力對(duì)頻率特性的影響

對(duì)于應(yīng)力的引入一般分為4種，分別是源漏嵌入SiC應(yīng)變技術(shù)、源漏嵌入SiGe應(yīng)變技術(shù)、應(yīng)力記憶技術(shù)（stress memorization technique，SMT）和接觸刻蝕阻擋層應(yīng)變技術(shù)（contact etch stop layer，CESL）。接觸刻蝕阻擋層應(yīng)變技術(shù)很容易將自身的本征應(yīng)力傳遞到硅溝道中去，施加的應(yīng)力改變了器件的能帶結(jié)構(gòu)［20］，增強(qiáng)了載流子的遷移率，提升了器件的性能。以四氮化三硅材料充當(dāng)應(yīng)力源，將埋氧化層的厚度設(shè)置為190 nm，通過(guò)使用SILVACO軟件的ATHENA模塊得到本文設(shè)計(jì)的器件應(yīng)力分布圖，如圖5所示。

圖5 SOI SiGe HBT的應(yīng)力分布

選取x=-0.045到x=0.045，y=-0.504這一條線，分別提取該線段上有無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT器件結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和單位轉(zhuǎn)換，得到這兩者的應(yīng)力對(duì)比，如圖6所示。

圖6 有無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT的應(yīng)力

從圖6中可以看出，在接觸刻蝕阻擋層應(yīng)變技術(shù)的使用下，有氮化膜的SOI SiGe HBT中的應(yīng)力比無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT在［110］方向上產(chǎn)生更大的壓應(yīng)力（圖6中y軸的負(fù)值表示該應(yīng)力為壓應(yīng)力）。該方向上的壓應(yīng)力使價(jià)帶能帶分裂，重空穴帶離開(kāi)價(jià)帶頂，輕空穴帶留在價(jià)帶頂，從而減小該方向上的空穴的電導(dǎo)有效質(zhì)量，增強(qiáng)載流子的遷移率，減小載流子總的渡越時(shí)間，從而使器件截止頻率提高。圖7是有無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT器件的截止頻率對(duì)比圖。由仿真結(jié)果可知，無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT的截止頻率fT最大為600 GHz，通過(guò)CESL技術(shù)的使用在基區(qū)引入應(yīng)力，使截止頻率fT增加38 GHz，提高了6%。由此可知，應(yīng)變的引入使截止頻率fT得到一定程度的提升，但是由于基區(qū)本來(lái)就很薄，基區(qū)的渡越時(shí)間幾乎達(dá)到最小，所以截止頻率fT提升有限。應(yīng)力的引入對(duì)于器件的濃度沒(méi)有影響，但是會(huì)增強(qiáng)載流子遷移率，所以基區(qū)電阻會(huì)隨著載流子遷移率的增強(qiáng)而減小。由式（6）可知，最高振蕩頻率和截止頻率fT成正比，與基區(qū)電阻成反比。由于截止頻率fT增加，基區(qū)電阻減小，所以最高振蕩頻率fmax增加。圖8是有無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT最高振蕩頻率對(duì)比圖。由仿真結(jié)果可知，無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT的最高振蕩頻率fmax最大為751 GHz，有氮化膜的SOI SiGe HBT的最高振蕩頻率fmax為795 GHz，增加了44 GHz。

圖7 有無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT器件的截止頻率

圖8 有無(wú)氮化膜的SOI SiGe HBT器件的最高振蕩頻率

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的可靠性，將本文的仿真結(jié)果與近幾年的文獻(xiàn)進(jìn)行比較，具體如表2所示。本文設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)中的器件結(jié)構(gòu)在仿真過(guò)程中用到的基礎(chǔ)物理模型都是由Maxwell方程中推導(dǎo)出來(lái)的，主要是Poisson方程、電流連續(xù)性方程和載流子傳輸公式。JIN D等［15］使用了濃度依賴(lài)遷移率模型（conmob）、平行電場(chǎng)依賴(lài)模型（fldmob）、Shockly-Read-Hall復(fù)合模型、能帶變窄模型（bgn）、俄歇復(fù)合模型（auger）、能量平衡傳輸模型（energy balance）和費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)模型（fermidirac）。MISRA P K等［21］使用了濃度依賴(lài)遷移率模型（conmob）、Okuto-Crowell模型、能帶變窄模型（bgn）、俄歇復(fù)合模型（auger）和Shockly-Read-Hall復(fù)合模型。本文主要采用了濃度依賴(lài)遷移率模型（conmob）、平行電場(chǎng)依賴(lài)模型（fldmob）、Shockly-Read-Hall復(fù)合模型、能帶變窄模型（bgn）、俄歇復(fù)合模型（auger）和費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)模型（fermidirac）。總的來(lái)說(shuō)，本文和文獻(xiàn)中使用的模型差別不大，像能帶變窄模型（bgn）和俄歇復(fù)合模型（auger）等基本模型使用相同。

表2 不同SiGe HBT器件的性能參數(shù)

從表2中可以看出，本文設(shè)計(jì)的SOI SiGe HBT的性能參數(shù)較好，相對(duì)于文獻(xiàn)［15］和文獻(xiàn)［21］的性能參數(shù)都有所提高，因此本文的設(shè)計(jì)具有一定的研究?jī)r(jià)值。

4 結(jié)論

埋氧化層厚度的增加會(huì)增加器件的自加熱效應(yīng)，使器件的穩(wěn)定性變差。通過(guò)淀積四氮化三硅薄膜，在基區(qū)引入單軸壓應(yīng)力，增強(qiáng)載流子的遷移率，減小基區(qū)的渡越時(shí)間和基區(qū)電阻，從而增加器件的頻率特性。當(dāng)埋氧化層的厚度為190 nm、基區(qū)Ge組分為17%～30%的階梯型分布且淀積四氮化三硅薄膜引入應(yīng)力時(shí)，截止頻率fT最大值為638 GHz，最高振蕩頻率fmax為795 GHz。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的SOI SiGe HBT器件的頻率特性相對(duì)于常規(guī)的SOI SiGe HBT，通過(guò)在器件表面引入Si3N4應(yīng)力膜，可以較好地與45～65 nm工藝節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變Si CMOS工藝相兼容，通過(guò)器件仿真，證實(shí)了該氮化物應(yīng)力膜確實(shí)可以一定程度上提高器件的頻率特性，對(duì)未來(lái)Si/SiGe BiCMOS的電路設(shè)計(jì)和工藝集成具有一定的理論意義和參考價(jià)值。