龍炬泉

摘要：半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)集成電路的關(guān)鍵，推動(dòng)著電子產(chǎn)品的微型化以及高性能化發(fā)展。本文將對(duì)SiGe半導(dǎo)體在微電子技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用進(jìn)行探討，研究其對(duì)于微電子行業(yè)的重要作用。

關(guān)鍵詞：SiGe半導(dǎo)體;微電子技術(shù);場(chǎng)效應(yīng)晶體管

中圖分類(lèi)號(hào)：TN304 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0225-01

0 引言

在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展初期，以仙童半導(dǎo)體為主要代表的硅谷半導(dǎo)體企業(yè)都著重研究硅（Si）的半導(dǎo)體性能以及其在晶體管、集成電路中的有效應(yīng)用。從Si技術(shù)中衍生而來(lái)的SiGe半導(dǎo)體得到了有效的開(kāi)發(fā)利用，SiGe半導(dǎo)體是將硅片的性能進(jìn)行了改變，采用的手段多為能帶工程以及應(yīng)力工程等，在使用過(guò)程中滿(mǎn)足硅半導(dǎo)體通用的易加工特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛，在微電子技術(shù)領(lǐng)域尤其是集成電路中能夠發(fā)揮出重要價(jià)值。

1 SiGe半導(dǎo)體在雙極性晶體管中的應(yīng)用

1.1 雙極性晶體管介紹

雙極性晶體管指的是在源漏電極溝道內(nèi)既可以通過(guò)電子傳輸也可以進(jìn)行空穴傳輸?shù)木w管，通常而言，這類(lèi)晶體管的功耗大且工作頻率高、噪聲小，在高頻模擬電路中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。但是，雙極性晶體管由于半導(dǎo)體材料的限制，在應(yīng)用到高頻模擬電路中時(shí)存在著一系列問(wèn)題，很難保證信號(hào)傳輸?shù)某哳l和超高速，這是因?yàn)殡p極性晶體管本身就存在著很多固有的限制，同時(shí)，由于雙極性晶體管在提高基區(qū)摻雜濃度以及基區(qū)寬度方面有很大的技術(shù)限制，使得基極電阻做不到極低的程度，這也使得BJT達(dá)不到高頻模擬電路關(guān)于低噪聲的要求[1]。

為了提高雙極性晶體管BJT在高頻模擬電路中的應(yīng)用，科學(xué)家提出異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管來(lái)克服原有晶體管的問(wèn)題。異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管HBT采用的半導(dǎo)體材料其禁帶寬度通常較大，要在基區(qū)禁帶寬度之上，因此在使用時(shí)可以采用異質(zhì)結(jié)發(fā)射的方式工作。與BJT相比，異質(zhì)結(jié)的采用使得HBT能夠保持較高的發(fā)射結(jié)注射速率，并且在此前提下使得基區(qū)摻雜濃度提高，發(fā)射區(qū)摻雜濃度降低，如此便可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件基區(qū)寬度的調(diào)整效應(yīng)的減弱，在器件工作時(shí)，基極電阻減小并且發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容降低、基區(qū)渡越時(shí)間也能夠更好的控制，有效實(shí)現(xiàn)了超高頻、超高速以及低噪聲的高頻模擬電路工作要求。

1.2 基于SiGe半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管

SiGe半導(dǎo)體主要用于HBT中基區(qū)材料使用，而發(fā)射區(qū)用的半導(dǎo)體材料選擇Si，因此基于SiGe半導(dǎo)體的HBT內(nèi)部存在著Si/SiGe異質(zhì)結(jié)。這是因?yàn)镾i本身具備與Ge相似的電子親和能，因此Si/SiGe異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶第能量突變值就很小甚至可以忽略不計(jì)，在Si/SiGe異質(zhì)結(jié)中可以通過(guò)禁帶寬度之間的差異構(gòu)筑額外空穴勢(shì)壘，這一空穴勢(shì)壘的存在使得空穴無(wú)法從SiGe傳輸?shù)絊i中，與此相反能夠使得Si/SiGe異質(zhì)結(jié)注入電子的效率大大提升。因此，Si/SiGe異質(zhì)結(jié)可以有效應(yīng)用到n-p-n型異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管的發(fā)射區(qū)，使得晶體管的電流放大系數(shù)大大提升，同時(shí)這一電流放大系數(shù)基本不受發(fā)射結(jié)兩邊摻雜濃度的影響[2]。

與砷化鎵等化合物半導(dǎo)體相比，SiGe半導(dǎo)體應(yīng)用到異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管中有很多優(yōu)勢(shì)。首先，SiGe半導(dǎo)體是基于硅半導(dǎo)體衍生而來(lái)的，因此無(wú)論是加工手段還是制作成本控制都十分成熟，制作集成電路時(shí)也更加便捷;其次，由于SiGe半導(dǎo)體在應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生了異質(zhì)結(jié)，因此在采取各種措施時(shí)不必過(guò)多的考慮電流放大系數(shù)因素的影響，在工作過(guò)程中更為有效的提升電流輸出頻率和速率，保證在應(yīng)用到高頻模擬電路時(shí)的高頻、高速、低噪聲;而且，這類(lèi)晶體管基區(qū)的Ge分布是不均勻的，這有利于漂移電場(chǎng)的產(chǎn)生，使得載流子渡越基區(qū)構(gòu)筑更加快速，這就使得基于SiGe半導(dǎo)體的HBT截止頻率和最高震蕩頻率都較高，在應(yīng)用到射頻技術(shù)時(shí)也能夠發(fā)揮重要價(jià)值;最后，與砷化鎵相比，基于SiGe半導(dǎo)體的HBT擊穿電壓更低，在應(yīng)用到高頻小功率器件中也能夠發(fā)揮作用。

1.3 n-p-n型SiGe-HBT的制作

異質(zhì)發(fā)射結(jié)的制作是這類(lèi)晶體管制作中首先需要關(guān)注的問(wèn)題，由于硅材料和Ge材料在晶格常數(shù)方面存在較大的差異，因此在實(shí)際制作過(guò)程中難以制備出晶格完整的異質(zhì)結(jié)，在異質(zhì)結(jié)界面往往存在著很多晶格的失配位錯(cuò)，這樣的失配位錯(cuò)難以應(yīng)用到異質(zhì)結(jié)晶體管以及諧振隧穿二極管和超晶格器件中。在制備Si/SiGe異質(zhì)結(jié)時(shí)采用最多的技術(shù)為外延技術(shù)，這一技術(shù)可以通過(guò)生長(zhǎng)膜厚的控制實(shí)現(xiàn)SiGe和Si之間的彈性調(diào)節(jié)從而避免失配位錯(cuò)的出現(xiàn)。但要注意在制備Si/SiGe異質(zhì)結(jié)時(shí)需要控制膜的厚度使得其在臨界厚度之下，一旦超過(guò)臨界厚度就會(huì)發(fā)生晶格弛豫，導(dǎo)致生長(zhǎng)出的膜為贗晶膜，基極電流因此增加，應(yīng)用性降低[3]。另外，還需要在制備過(guò)程中 注意 SiGe基區(qū)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，主要集中在Ge組分的分布形式以及基區(qū)中其他雜質(zhì)如硼的外擴(kuò)散控制。器件在大的注入電流下可能發(fā)生基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，而這一現(xiàn)象可以通過(guò)控制SiGe中的Ge組分分布來(lái)有效控制，并且維持截止頻率和最大震蕩頻率在最高水平。而對(duì)于外擴(kuò)散現(xiàn)象需要進(jìn)行注意，這一現(xiàn)象的發(fā)生可能會(huì)導(dǎo)致pn結(jié)位置的變化，這對(duì)于器件整體的遷移率或者開(kāi)關(guān)比都會(huì)有較大的影響，在制作器件時(shí)需要對(duì)基區(qū)結(jié)構(gòu)加以?xún)?yōu)化，使得集電結(jié)處的本證SiGe在原有的基礎(chǔ)上厚底適當(dāng)增大并且摻雜硼基區(qū)厚度適當(dāng)減小，這樣就能控制集電結(jié)更多的分布于Ge足跟較高的區(qū)域，保證器件性能。

2 SiGe半導(dǎo)體在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用

基于SiGe半導(dǎo)體進(jìn)行了一系列場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究，其中當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛以及研究最為深入的屬于應(yīng)變SiGe異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。作為第二代SiGe-MOS器件，能夠充分利用SiGe能帶工程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙以及晶格常數(shù)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了摻雜工程與應(yīng)變工程的結(jié)合。這類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用的溝道為二維電子氣和二維空穴氣的應(yīng)變溝道，使得載流子遷移率大大提高，已經(jīng)超過(guò)了2000cm2/V.s。對(duì)于n型器件即電子傳輸?shù)膱?chǎng)效應(yīng)晶體管而言，采用Si1-xGex作為虛擬襯底生長(zhǎng)應(yīng)變溝道，這樣就可以使得量子溝道深度通過(guò)Ge組分的增加而進(jìn)行調(diào)控，并且在溝道中可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行p型或者n型摻雜，達(dá)到想要的閾值電壓調(diào)控。對(duì)于p型即空穴傳輸?shù)木w管而言，構(gòu)筑壓應(yīng)變的Si1-xGex，該溝道在Si襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)。當(dāng)前，基于GeSi的應(yīng)變場(chǎng)效應(yīng)晶體管得到了良好的發(fā)展并且使得載流子遷移率以及閾值電壓等都能夠有效控制，可以在諸多場(chǎng)合使用，實(shí)現(xiàn)高速、高跨導(dǎo)、低噪聲以及高線性度的集成電路應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，SiGe材料對(duì)于完善半導(dǎo)體材料體系以及增強(qiáng)雙極性晶體管以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管等方面有著重要的作用，是繼單晶硅材料、砷化鎵之后又一具備良好應(yīng)用前景的材料，在集成電路領(lǐng)域能夠得到有效應(yīng)用，推動(dòng)微電子技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬羽，王志寬，崔偉.SiGe集成電路工藝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].微電子學(xué)，2018（4）：508-514.

[2] 潘柏臣，張保國(guó)，趙帥，等.用于最新技術(shù)節(jié)點(diǎn)Ge和SiGe的CMP技術(shù)研究進(jìn)展[J].微納電子技術(shù)，2016（9）：623-629.

[3] 南超州.基于SiGe工藝的射頻前端高性能模塊設(shè)計(jì)[D].浙江大學(xué)，2012.