Si/SiGe/Si HBT直流特性的可靠性

关键词：异质结双极晶体管；台面；可靠性

中图分类号：TN32 文献标识码：A文章编号：1671-4776（2003）10-0017-03

1引言

在过去的十几年里，SiGe基区HBT取得了快速进展，许多小组在从事SiGe基区HBT的研究工作，他们采用了不同的器件结构，如单台面HBT，双台面ＨＢＴ，双多晶硅晶体管，而且基区浓度高于传统晶体管。所报道的材料生长方法也不同，比如MBE，LPR，UHV CVD，RTCVD等。

近年来有大量的相关器件和电路研制结果报道[1]，但有关器件可靠性的报道却很少[1~4]。尤其是在ＢｉＣＭＯＳ电路中（例如ｆｌａｓｈ ＡＤＣｓ，ｃｏｍｐａｒａｔｏｒｓ ａｎｄ ｏｐａｍｐｓ），因为栅极是由周期性输入的逻辑信号来推动，所以ＥＢ结也就周期性地处于反偏状态，使发射结会受到热载流子效应的影响，因此器件在ＥＢ结反偏下的可靠性成为人们关心的问题之一；在可靠性测试中，人们经常用发射结反偏配置应力来考察器件的可靠性，大部分ＳｉＧｅ／Ｓｉ ＨＢＴ结构中的ＳｉＧｅ层大于平衡厚度，器件工作时材料中的缺陷是否会扩散从而导致器件失效也是人们担心的一个问题。 本文研究了ＥＢ结反偏应力对ＭＢＥ生长的单台面ＳｉＧｅ基区ＨＢＴ可靠性的影响。

本工作中的ＨＢＴ采用了单台面结构。是它的剖面结构图。Ｓｉ／ＳｉＧｅ／Ｓｉ层（１５％的Ｇｅ）结构是用商用分子束外延设备生长的，生长在重掺杂ｎ＋（１００）衬底上。基区厚度为６０ ｎｍ，基区浓度为１０１９／ｃｍ３，发射区浓度为２×１０１７／ｃｍ３。外延生长后，首先刻蚀出基区台面，确定了器件有源区面积，放上掩模为下一步光刻作准备。接着，Ｂ／ＢＦ２双离子注入实现顶端到ＳｉＧｅ基区的连接。然后，刻蚀出另一台面用于集电区电极接触，浅Ａｓ注入（３０ ｋｅＶ，１×１０１５ ｃｍ－２）用于形成发射极和集电极金属欧姆接触所需的高掺杂层。在４００ ℃下淀积低温二氧化硅５００ ｎｍ用于器件钝化。之后，在高纯Ｎ２下，８００ ℃，２０ ｓ快速热退火激活离子注入杂质。打开欧姆接触孔，淀积金属，形成ｅ，ｂ，ｃ电极，在Ｈ２下合金，完成器件制作。

ＨＰ６６２５Ａ ＤＣ电源提供６ Ｖ反偏电压，加在发射结上，集电结开路。应力周期性地撤除，用ＨＰ６６２５Ａ直流电源，ＨＰ６０３１Ａ直流电源，ＨＰ３４５７Ａ万用表完成一系列的测试，实验测试系统如所示。用上述测试系统得到Ｇｕｍｍｅｌ图，ＩｃＶｃｅ输出特性曲线、ＢＣ和ＥＢ ｐｎ结正反向特性曲线。所有的应力和测量是在室温下进行的。所得的结果为直流电流增益（ｈｆｅ＝Ｉｃ／Ｉｂ），交流电流增益（β＝ΔＩｃ／ΔＩｂ），ＥＢ和ＢＣ结击穿电压（ＢＶｅｂ０，ＢＶｃｂ０）。

本实验共用２２只ＳｉＧｅ ＨＢＴ。反偏应力对ＳｉＧｅ ＨＢＴ的典型影响如所示，图中给出了应力前后Ｇｕｍｍｅｌ图的变化情况。可以看出加应力后开启电压增加了，这是由于ＥＢ结电阻增加导致的，如所示，类似的现象在Ｓｉ ＢＪＴ中也存在［５～６］。随应力时间的增加，对给定的Ｖｂｅ，Ｉｃ和Ｉｂ都减少，所观察的现象与Ｓｈａｆｉ等人的结果一致。他们的单台面ＳｉＧｅ ＨＢＴ是用ＣＶＤ方法生长的，把基极电流的改善归于ＥＢ结耗尽层中缺陷的减少，应力“退火”使部分缺陷消失［３］。电应力对ＳｉＧｅ ＨＢＴ电流增益的影响如所示，电流增益的退化依赖于偏压，的ｈｆｅ退化发生在低偏压区，随应力时间的增加，退化的ｈｆｅ曲线的峰值右移。然而，交流电流增益β（＝ΔＩｃ／ΔＩｂ）却退化得很小，如所示。显示了器件ＥＢ结反向特性曲线。可以看出，在现代同质结器件中，通常所观察到的带带遂穿现象（即在中等偏压下泄漏电流）在ＳｉＧｅ ＨＢＴ中不存在。这是因为发射区掺杂浓度较低，ＥＢ结附近的电场极大减少所导致的。这一结果表明Ｇｅ的引入可潜在改善器件的可靠性。

在ＥＢ结反偏应力下，单台面ＭＢＥ ＳｉＧｅ ＨＢＴ的主要退化表现为直流电流增益（ｈｆｅ）退化和开启电压（Ｖｂｅ）增加，而交流电流增益（β＝ΔＩｃ／ΔＩｂ）退化缓慢。在双极型器件的基区引入Ｇｅ可潜在地改善器件的可靠性。