一种碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法

摘要

本发明提供一种碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，涉及半导体制造技术领域。该方法包括：沉积生长所述集电区层；在集电区层上，沉积生长基区层的第一子层；在第一子层上，沉积生长基区层的第二子层。通过将基区层划分为第一子层和第二子层，利用束流强度渐变的四溴化碳进行碳掺杂来实现第一子层中In组分的渐变，利用镓源炉的温度线性渐变来实现第二子层中In组分的渐变，从而在实现基区层In组分渐变的同时，使得基区层靠近集电区层的一侧的In组分尽可能接近甚至等于集电区层的In组分，改善了基区层内建电场，通过掺杂浓度渐变，进一步增强了基区层内建电场，从而改善了HBT器件的性能。

权利要求

1.一种碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，其特征在于，所述HBT器件的结构包括n型集电区层以及设置在所述集电区层上的p型基区层，所述集电区层为In0.53Ga0.47As层，所述基区层的靠近所述集电区层的界面处的In组分为m0，其中，0.52

在所述集电区层上，沉积生长所述基区层的第一子层，所述第一子层的厚度为h1，并且0

在所述第一子层上，沉积生长所述基区层的第二子层，所述第二子层的厚度为h2，并且h2=h‑h1，在沉积生长所述第二子层的整个时间段内，所述镓源炉的温度从所述第一温度线性渐变至第二温度，并且用于掺杂的四溴化碳的束流强度从所述第二束流强度线性渐变至预设的第三束流强度，所述第二束流强度小于或等于所述第三束流强度，所述第二温度为在所述第三束流强度下生长In组分为mn的InGaAs层对应的镓源炉的温度，所述第二温度高于所述第一温度。

2.根据权利要求1所述的碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，其特征在于，所述第一束流强度小于或等于所述第二束流强度的六分之一。

3.根据权利要求2所述的碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，其特征在于，所述第一子层的厚度h1满足如下条件：h1

4.根据权利要求1所述的碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，其特征在于，生长所述第一子层时的四溴化碳的束流强度的变化率大于生长所述第二子层时的四溴化碳的束流强度的变化率。

5.根据权利要求4所述的碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，其特征在于，所述第二束流强度等于所述第三束流强度。

6.根据权利要求1所述的HBT器件的分子束外延生长方法，其特征在于，在沉积生长所述第一子层和所述第二子层的过程中，所述分子束外延设备的铟源炉的温度恒定不变。

说明书

一种碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法。

背景技术

[0002] 近年来，异质结双极晶体管（HBT）器件在微波和毫米波功率增益、超高速开关、数字集成电路以及光纤通信等领域都得到大量应用。HBT有许多优点：高频高速、功率密度大、功率增益高以及线性好。HBT是垂直输运器件，它的一些主要器件指标大多由器件外延层结构决定。由于分子束外延（MBE）技术的发展，已经能够以原子层量级的精度控制外延层的厚度，从而可以精准地调节HBT的器件特性。

[0003] 由于InP基InP/InGaAs材料系以及GaAs基改性InP/InGaAs材料系的HBT器件相对于传统Si基HBT器件有着更加优异的特性，因此InP/InGaAs材料系HBT器件得到广泛研究和应用。HBT器件结构中的基区层通常非常薄，以此来降低基区渡越时间，从而增大器件电流增益。对于InGaAs基区层，为了进一步提高HBT器件的性能，可以将基区层设计为组分连续渐变层，基区层的In组分从靠近In0.53Ga0.47As集电区一侧的0.53连续渐变至远离集电区一侧的a，其中a小于0.53，通常a为0.45或者0.45附近的其他值，以此在基区层内形成内建电场，从而增强载流子的注入，并因此进一步增大了电流增益。

[0004] 在利用分子束外延技术生长基区层的过程中，通常采用束流强度稳定不变的四溴化碳作为碳掺杂源对InGaAs基区层进行p型掺杂。然而，为了改善器件性能，基区层的方阻较小，从而需要基区层的掺杂浓度非常高，进而要求掺杂时采用的四溴化碳的束流强度较大。然而，四溴化碳会对InGaAs沉积生长过程中的In组分产生影响，导致In组分低于不掺杂条件下沉积生长InGaAs所获得的In组分，束流强度越大，In组分减少得越多，从而导致基区层靠近In0.53Ga0.47As集电区一侧的In组分显著低于0.53（通常会到0.51左右），这显然会劣化器件性能。

[0005] 为此，需要提供一种新型碳掺杂基区层的分子束外延生长方法，来改善HBT器件的性能。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，以解决碳掺杂基区层的生长问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0008] 本发明提供了一种碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，HBT器件的结构包括n型集电区层以及设置在集电区层上的p型基区层，集电区层为In0.53Ga0.47As层，基区层的靠近集电区层的界面处的In组分为m0，其中，0.52

[0009] 沉积生长集电区层，在沉积生长集电区层的过程中，分子束外延设备的镓源炉的温度恒定为第一温度，第一温度为在不掺杂条件下生长In组分为0.53的InGaAs层对应的镓源炉的温度；

[0010] 在集电区层上，沉积生长基区层的第一子层，第一子层的厚度为h1，并且0

[0011] 在第一子层上，沉积生长基区层的第二子层，第二子层的厚度为h2，并且h2=h‑h1，在沉积生长第二子层的整个时间段内，镓源炉的温度从第一温度线性渐变至第二温度，并且用于掺杂的四溴化碳的束流强度从第二束流强度线性渐变至预设的第三束流强度，第二束流强度小于或等于第三束流强度，第二温度为在第三束流强度下生长In组分为mn的InGaAs层对应的镓源炉的温度，第二温度高于第一温度。

[0012] 可选地，第一束流强度小于或等于第二束流强度的六分之一。

[0013] 可选地，第一子层的厚度h1满足如下条件：h1

[0014] 可选地，生长第一子层时的四溴化碳的束流强度的变化率大于生长第二子层时的四溴化碳的束流强度的变化率。

[0015] 可选地，第二束流强度等于第三束流强度。

[0016] 可选地，在沉积生长第一子层和第二子层的过程中，分子束外延设备的铟源炉的温度恒定不变。

[0017] 本发明的有益效果包括：

[0018] 本发明提供的碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法包括：沉积生长集电区层，在沉积生长集电区层的过程中，分子束外延设备的镓源炉的温度恒定为第一温度，第一温度为在不掺杂条件下生长In组分为0.53的InGaAs层对应的镓源炉的温度；在集电区层上，沉积生长基区层的第一子层，第一子层的厚度为h1，并且0

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0020] 图1示出了本发明实施例提供的碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法的流程示意图；

[0021] 图2示出了本发明实施例提供的碳掺杂HBT器件的结构示意图。

具体实施方式

[0022] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0023] 对于InGaAs基区层，为了进一步提高HBT器件的性能，可以将基区层设计为组分连续渐变层，基区层的In组分从靠近In0.53Ga0.47As集电区一侧的0.53连续渐变至远离集电区一侧的a，其中a小于0.53，通常a为0.45或者0.45附近的其他值，以此在基区层内形成内建电场，从而增强载流子的注入，并因此进一步增大了电流增益。在利用分子束外延技术生长基区层的过程中，通常采用束流强度稳定不变的四溴化碳作为碳掺杂源对InGaAs基区层进行p型掺杂。然而，为了改善器件性能，基区层的方阻较小，从而需要基区层的掺杂浓度非常高，进而要求掺杂时采用的四溴化碳的束流强度较大。然而，四溴化碳会对InGaAs沉积生长过程中的In组分产生影响，导致In组分低于不掺杂条件下沉积生长InGaAs所获得的In组分，束流强度越大，In组分减少得越多，从而导致基区层靠近In0.53Ga0.47As集电区一侧的In组分显著低于0.53（通常会到0.51左右），这显然会劣化器件性能。具体地，由基区层的In组分变化而产生的内建电场的强度与基区层两侧In组分的变化差值正相关，为了避免由于晶格失配较大导致劣化器件性能，基区层中远离集电区层一侧的In组分通常为0.44‑0.46左右，难以取更小值，因此，如果基区层靠近In0.53Ga0.47As集电区一侧的In组分显著低于0.53，则会导致基区层两侧In组分变化差值减小，进而导致内建电场变小，劣化器件性能。为此，需要提供一种新型碳掺杂基区层的分子束外延生长方法，使得采用四溴化碳掺杂的基区层靠近集电区层一侧的In组分尽可能接近或等于0.53，从而改善HBT器件的性能。

[0024] 图1示出了本发明实施例提供的碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法的流程示意图；图2示出了本发明实施例提供的碳掺杂HBT器件的结构示意图。下面将参照图1和图2详细描述本发明。

[0025] 本发明实施例提供了一种碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法，如图2所示，该HBT器件的结构包括n型集电区层202以及设置在集电区层202上的p型基区层203。应当理解，HBT器件的结构还可以包括设置在衬底200与n型集电区层202之间的第一结构层201，根据器件结构需要，第一结构层201例如可以是单一材料层或者是多个材料层的堆叠层，第一结构层201例如可以为缓冲层，或者第一结构层201例如可以为缓冲层和次集电区层的堆叠层；类似地，HBT器件的结构还可以包括设置在基区层203上的第二结构层204，根据器件结构需要，第二结构层204例如可以是单一材料层或者是多个材料层的堆叠层，第二结构层204例如可以为发射区层，或者第二结构层204例如可以为隔离层和发射区层的堆叠层。本发明对于第一结构层201和第二结构层204不作具体限制。衬底200可以为InP衬底或者GaAs衬底。

[0026] 集电区层202为In0.53Ga0.47As层，也就是说，集电区层202为In组分为0.53的InGaAs材料层。基区层203的靠近集电区层202的界面处的In组分为m0，其中，0.52

[0027] 基区层203的远离集电区层202的界面处的In组分为mn，其中，0.44≤mn≤0.48，例如，mn可以为0.44、0.45、0.46、0.47或0.48，基区层203为自下而上In组分从m0连续渐变至mn的组分渐变的InGaAs层。例如，当mn=0.44时，基区层203的上表面处的材料为In0.44Ga0.56As。在基区层203内，由于基区层203的InGaAs材料的In组分从m0连续渐变至mn，从而使得在基区层203内部建立了内建电场。

[0028] 基区层203的厚度为h，例如，厚度h的范围可以为20nm≤h≤60nm，例如，h可以为20nm、30nm、35nm、40nm、50nm或者60nm，h的取值还可以为上述范围内的其他值。

[0029] 在分子束外延生长基区层203的过程中，采用四溴化碳提供碳掺杂剂源来对基区层203进行p型掺杂，基区层203被划分成第一子层231和第二子层232。

[0030] 如图1所示，本发明实施例提供的碳掺杂HBT器件的分子束外延生长方法包括：

[0031] 步骤101、沉积生长集电区层。

[0032] 在沉积生长集电区层202的过程中，分子束外延设备的镓源炉的温度恒定为第一温度，第一温度为在不掺杂条件下生长In组分为0.53的InGaAs层对应的镓源炉的温度。

[0033] 在衬底200上沉积生长第一结构层201之后，在第一结构层201上沉积生长集电区层202。如上描述可知，集电区层202为In0.53Ga0.47As层。在分子束外延设备中，通过控制对应元素源炉的温度来控制该元素的束流速率，通常而言，源炉的温度越高，该元素的束流速率就越高。通过预先校准测试，可以获知实现In0.53Ga0.47As中In与Ga组分配比所需要的铟源炉温度和镓源炉温度。

[0034] 假定实现In0.53Ga0.47As中In与Ga组分配比所需要的镓源炉温度为第一温度，则在沉积生长集电区层202的过程中，分子束外延设备的镓源炉的温度恒定为用于生长In0.53Ga0.47As层的第一温度。应当理解，在沉积生长集电区层202的过程中，铟源炉的温度也是恒定的。

[0035] 步骤102、在集电区层上，沉积生长基区层的第一子层。

[0036] 第一子层231的厚度为h1，并且0

[0037] 如上文所述，对于采用四溴化碳（CBr4）提供碳掺杂剂源对基区层进行掺杂时，四溴化碳会对InGaAs沉积生长过程中的In组分产生影响，导致In组分低于不掺杂条件下沉积生长InGaAs所获得的In组分，束流强度越大，In组分减少得越多，从而导致基区层靠近In0.53Ga0.47As集电区一侧的In组分显著低于0.53。为了使得基区层203靠近In0.53Ga0.47As集电区一侧的In组分尽可能接近甚至等于0.53，在沉积生长基区层203的第一子层231过程中，使得四溴化碳的束流强度从预设的第一束流强度线性渐变至预设的第二束流强度，通过设定较小的第一束流强度来减小四溴化碳对于基区层203中靠近集电区层202一侧的InGaAs材料生长过程中In组分的影响，理想地，当第一束流强度接近等于零时，第一子层231靠近In0.53Ga0.47As集电区一侧的In组分会尽可能接近甚至等于0.53。与此同时，通过设定较大的第二束流强度，一方面，随着生长第一子层231过程中四溴化碳束流强度的变化，通过四溴化碳对In组分的影响实现了第一子层231中In组分的变化，另一方面，可以在第一子层231内形成额外的由掺杂浓度的变化引起的内建电场，从而进一步改善器件性能。可选地，第一束流强度小于或等于第二束流强度的六分之一。可选地，第一束流强度小于或等于第二束流强度的十分之一。

[0038] 步骤103、在第一子层上，沉积生长基区层的第二子层。

[0039] 第二子层232的厚度为h2，并且h2=h‑h1，在沉积生长第二子层232的整个时间段内，镓源炉的温度从第一温度线性渐变至第二温度，并且用于掺杂的四溴化碳的束流强度从第二束流强度线性渐变至预设的第三束流强度，第二束流强度小于或等于第三束流强度，第二温度为在第三束流强度下生长In组分为mn的InGaAs层对应的镓源炉的温度，第二温度高于第一温度。

[0040] 为了实现第二子层232中In组分的逐渐降低，可以通过在沉积生长第二子层232的过程中，逐渐升高镓源炉的温度，随着镓源炉温度的逐渐升高，镓的束流速率逐渐增大，从而可以实现InGaAs材料的Ga组分的逐渐增大以及In组分的相应降低。应当理解，在镓源炉的温度升高的同时，铟源炉的温度可以保持不变或者可以逐渐降低。为了实现InGaAs材料的In组分渐变至mn，镓源炉的起始温度为第一温度，镓源炉升温后在第二子层232生长结束时的最终目标温度为与In组分mn对应的第二温度。显然，第二温度高于第一温度。

[0041] 在生长第二子层232的过程中，四溴化碳束流强度可以从第二束流强度线性增大至第三束流强度，此时，一方面，四溴化碳对In组分的减小有贡献，另一方面，四溴化碳束流强度变化导致的掺杂浓度的变化对内建电场也有贡献。可选地，生长第一子层时的四溴化碳的束流强度的变化率大于生长第二子层时的四溴化碳的束流强度的变化率。本文所述的变化率指的是四溴化碳的束流强度在单位时间内的变化量。可选地，第二束流强度等于第三束流强度。在实际操作中，为了获得基区层203较低的方阻，在生长第二子层232的过程中，可以使得四溴化碳束流强度稳定为一个较高的数值，此时第二束流强度等于第三束流强度。

[0042] 可选地，在沉积生长第一子层231和第二子层232的过程中，分子束外延设备的铟源炉的温度恒定不变。

[0043] 可选地，第一子层231的厚度h1满足如下条件：h1

[0044] 应当理解，本文所述镓源炉的第一温度和第二温度为预先获得的，具体的，例如，本文所述镓源炉的第一温度和第二温度均是在特定的铟源炉温度下通过预先实验测试获得的。在分子束外延设备中，镓源炉的温度由热电偶来感测，并通过PID控制器来控制，在升温过程中，设定镓源炉的目标温度，然后控制器控制加热组件以使镓源炉的实际温度达到当前的目标温度。分子束外延设备中，常规的升温方式有阶跃升温和线性升温两种方式，阶跃升温表示将当前目标温度直接设定为最终的期望温度，然后源炉在控制器控制下快速升温至最终的期望温度；线性升温表示在一定时间段内当前目标温度线性增大至最终的期望温度，与此同时，源炉在控制器控制下升温至当前目标温度，并随着当前目标温度线性增大，源炉的实际温度最终升温至最终的期望温度。同样地，在分子束外延设备中，也可以对四溴化碳的束流强度进行控制，应当理解，四溴化碳的束流强度的控制也存在阶跃和线性两种方式。

[0045] 综上所述，在本申请中，通过将基区层划分为第一子层和第二子层，利用束流强度渐变的四溴化碳进行碳掺杂来实现第一子层中In组分的渐变，利用镓源炉的温度线性渐变来实现第二子层中In组分的渐变，从而在实现基区层In组分渐变的同时，使得基区层靠近集电区层的一侧的In组分尽可能接近甚至等于集电区层的In组分，改善了基区层内建电场，通过掺杂浓度渐变，进一步增强了基区层内建电场，从而改善了HBT器件的性能。

[0046] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。