一种NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构及其制备方法
专利汇可以提供一种NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构，包括N型轻掺杂半绝缘单晶 硅 衬底，N型轻掺杂半绝缘 单晶硅 衬底表面形成有埋 氧 层，埋氧层表面从左至右形成有厚度相同而宽度不同的发射区、基区和集电区，发射区和集电区里从下至上淀积有SiON氧化层和N型掺杂AlGaN层，基区里生长有掺杂浓度从左至右由大到小渐变的P型重掺杂Si层，发射区、基区和集电区表面用金属硅化物对应生长有发射极、基极和集 电极 的电极引出层，相邻电极区域之间通过隔离氧化层绝缘隔离。本 申请 还提供一种前述器件结构制备方法。本申请能提高AlGaN层的界面特性和基区 电子 迁移率，减小基区渡越时间，提高器件 频率 使频率特性更加优良，同时金属硅化物层还能提高器件 开关 速度和截止频率。，下面是一种NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构，其特征在于，包括N型轻掺杂半绝缘单晶硅衬底，所述N型轻掺杂半绝缘单晶硅衬底表面形成有埋氧层，所述埋氧层的表面从左至右形成有发射区、基区和集电区，所述发射区、基区和集电区三个区域的厚度相同而宽度不同，所述发射区和集电区区域里从下至上淀积有SiON氧化层和N型掺杂AlGaN层，所述基区区域里生长有P型重掺杂Si层，所述Si层从左至右包括掺杂浓度为N1宽度为W1的Si薄层1、掺杂浓度为N2宽度为W2的Si薄层2、……、掺杂浓度为Nn宽度为Wn的Si薄层n，每个薄层的宽度相等且满足N1>N2>...>Nn，所述发射区、基区和集电区的表面淀积有隔离氧化层，所述隔离氧化层在下方发射区、基区和集电区对应处形成有发射区、基区和集电区电极窗口，每个电极窗口的宽度小于下方对应发射区、基区和集电区宽度，所述发射区、基区和集电区电极窗口内生长金属硅化物形成电极引出层。
2.根据权利要求1所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构，其特征在于，所述埋氧层为200nm厚的SiO2埋氧层。
3.根据权利要求1所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构，其特征在于，所述发射区、基区和集电区的厚度为30～50nm，所述发射区和集电区的宽度为100～200nm，所述基区的宽度为20～30nm。
4.根据权利要求1所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构，其特征在于，所述SiON氧化层的厚度为5nm。
5.根据权利要求1所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构，其特征在于，所述Si层从左至右包括掺杂浓度N1为1×1019cm-3的Si薄层1、掺杂浓度N2为1×1018cm-3的Si薄层2、掺杂浓度N3为1×1017cm-3的Si薄层3、掺杂浓度N4为1×1016cm-3的Si薄层4和掺杂浓度N5为1×1015cm-3的Si薄层5，所述基区的宽度为25nm，每个薄层的宽度为5nm。
6.根据权利要求1所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构，其特征在于，所述隔离氧化层为SiO2氧化层。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、准备一个SOI结构，表面为未掺杂的本征硅，中间为埋氧层，衬底为N型轻掺杂半绝缘单晶硅，掺杂浓度为1×1015cm-3；
S2、在本征硅层内确定发射区宽度为WE，基区宽度为WB，集电区宽度为WC，之后分别刻蚀掉发射区和集电区区域内的本征硅层；
S3、在刻蚀掉的WE发射区和WC集电区区域，利用CVD生长一层SiON氧化层；
S4、继续在发射区和集电区刻蚀区域内的SiON氧化层表面，利用MOCVD生长AlGaN层，直至该AlGaN层的表面与中间剩余的硅基区的表面持平为止，并对生长的AlGaN区域进行第一
17 -3
次原位掺杂，掺杂杂质原子为磷或砷，掺杂浓度为1×10 cm ，然后再刻蚀掉两个AlGaN区域之间的硅区域；
S5、在所刻蚀硅区域内的最左侧部分，仍然使用原位掺杂的方式先生长一层掺杂浓度为N1、宽度为W1的Si薄层1，然后在Si薄层1的右侧继续生长一层掺杂浓度为N2、宽度为W2并包裹住Si薄层1的Si薄层2，……，如此依次下去，在所刻蚀硅区域内的最右侧部分生长一层掺杂浓度为Nn、宽度为Wn并包裹住Si薄层n-1的Si薄层n，且满足W1＝W2＝W3＝…Wn＝WB/n，N1>N2>...>Nn，至此在刻蚀好的WB基区范围内，前述n个Si薄层共同形成了从左至右掺杂浓度由大到小渐变的P型重掺杂Si层，Si层的掺杂杂质为硼，在所述刻蚀硅区域内的最左侧部分，硼的掺杂浓度为1×1019cm-3；
S6、将WB基区范围内掺杂浓度渐变区域超过AlGaN层厚度的多余部分进行化学机械抛光处理，去除多余部分，使掺杂浓度渐变的Si区域与发射区和集电区的AlGaN区域具有相同的厚度；
S7、继续对发射区的AlGaN区域进行二次掺杂，二次掺杂杂质原子与步骤S4中第一次掺杂杂质原子相同，二次掺杂浓度为1×1019cm-3；
S8、继续在发射区、基区和集电区表面淀积一层隔离氧化层，在所述隔离氧化层内定义发射区、基区和集电区的电极窗口，所述发射区、基区和集电区的电极窗口与下方发射区、基区和集电区相对，且每个电极窗口的宽度小于下方对应发射区、基区和集电区宽度，然后刻蚀每个电极窗口区域内的隔离氧化层；
S9、在每个刻蚀后的电极窗口区域内采用蒸镀方式生长金属硅化物形成电极引出层即电极接触层，至此器件制作完成。
8.根据权利要求7所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构制备方法，其特征在于，所述步骤S5中n个Si薄层的掺杂浓度从左至右成等比数列由大到小渐变。
9.根据权利要求7所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构制备方法，其特征在于，所述步骤S5中刻蚀好的WB基区宽度为25nm，所述P型重掺杂Si层从左至右包括掺杂浓度N1为1×1019cm-3、宽度为W1为5nm的Si薄层1，掺杂浓度N2为1×1018cm-3、宽度W2为5nm的Si薄层2，掺杂浓度N3为1×1017cm-3、宽度W3为5nm的Si薄层3，掺杂浓度N4为1×1016cm-3、宽度为W4为5nm的Si薄层4，以及掺杂浓度N5为1×1015cm-3、宽度W5为5nm的Si薄层5。
10.根据权利要求7所述的NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构制备方法，其特征在于，所述步骤S9中金属硅化物为TiSi2或CoSi2或NiSi2。
一种NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构及其制备方法
技术领域
背景技术
应用在高温、高压、高频和恶劣的环境中，如雷达和无线通信的基站及卫星通信。
据报道用于大功率通信和雷达的功率放大器的GaN HBT器件，其高温工作的温度可达到300
℃，从而得到了国防、通信领域的广泛重视。
研发基于GaN HBT的收发组件，以用于未来的军事雷达升级；在民用方面，GaN HBT对高频率
和大功率的处理能力对于发展高级通信网络中的放大器和调制器以及其它关键器件都很
重要。
On Insulator，绝缘体上的硅)技术相结合，可进一步提升GaN基HBT的性能，扩展其应用范
围。应变技术可以有效提高晶体管的迁移率，从而提高器件的性能，已成为高频/高性能半
导体器件和集成电路重要的成熟技术和高速发展方向。应变技术按照应力引入方式主要可
分为双轴应变和单轴应变，大尺寸CMOS器件主要使用双轴应变(体应变)技术与异质沟道，
而对于小尺寸器件主要使用单轴应变技术。
技术和SOI技术同时引入到小尺寸GaN/AlGaN/AlN HBT的器件结构中，从而合理改变器件的
能带结构与材料参数，进一步提高其高频特性；此外，由于电子的迁移率明显高于空穴迁移
率，HBT大多选用NPN型，如果考虑利用现有的“应变技术”，利用AlGaN与Si晶格常数的差异，
如何在Si基区之中引入单轴压应力，从而有效提高基区少数载流子电子的迁移率，同时使
器件结构也相对简单，成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
基区之中引入单轴压应力，来提高基区少数载流子电子迁移率的技术问题，本发明提供一
种NPN型横向SOI AlGaN/Si HBT器件结构。
发射区、基区和集电区，所述发射区、基区和集电区三个区域的厚度相同而宽度不同，所述
发射区和集电区区域里从下至上淀积有SiON氧化层和N型掺杂AlGaN层，所述基区区域里生
长有P型重掺杂Si层，所述Si层从左至右包括掺杂浓度为N1宽度为W1的Si薄层1、掺杂浓度为
N2宽度为W2的Si薄层2、……、掺杂浓度为Nn宽度为Wn的Si薄层n，每个薄层的宽度相等且满
足N1>N2>...>Nn，所述发射区、基区和集电区的表面淀积有隔离氧化层，所述隔离氧化层在
下方发射区、基区和集电区对应处形成有发射区、基区和集电区电极窗口，每个电极窗口的
宽度小于下方对应发射区、基区和集电区宽度，所述发射区、基区和集电区电极窗口内生长
金属硅化物形成电极引出层。
Si薄层4和掺杂浓度N5为1×1015cm-3的Si薄层5，所述基区的宽度为25nm，每个薄层的宽度为
5nm。
行第一次原位掺杂，掺杂杂质原子为磷或砷，掺杂浓度为1×1017cm-3，然后再刻蚀掉两个
AlGaN区域之间的硅区域；
W2并包裹住Si薄层1的Si薄层2，……，如此依次下去，在所刻蚀硅区域内的最右侧部分生长
一层掺杂浓度为Nn、宽度为Wn并包裹住Si薄层n-1的Si薄层n，且满足W1＝W2＝W3＝…Wn＝WB/
n，N1>N2>...>Nn，至此在刻蚀好的WB基区范围内，前述n个Si薄层共同形成了从左至右掺杂
浓度由大到小渐变的P型重掺杂Si层，Si层的掺杂杂质为硼，在所述刻蚀硅区域内的最左侧
部分，硼的掺杂浓度为1×1019cm-3；
区、基区和集电区相对，且每个电极窗口的宽度小于下方对应发射区、基区和集电区宽度，
然后刻蚀每个电极窗口区域内的隔离氧化层；
为5nm的Si薄层2，掺杂浓度N3为1×1017cm-3、宽度W3为5nm的Si薄层3，掺杂浓度N4为1×
16 -3 15 -3
10 cm 、宽度为W4为5nm的Si薄层4，以及掺杂浓度N5为1×10 cm 、宽度W5为5nm的Si薄层5。
层极薄的SiON氧化层作为缓冲层，以提高在缓冲层上的AlGaN层的界面特性；SiON主要有三
方面的优点：1)具有较高的介电常数，可减小埋氧层界面处的表面局部电场，提高器件的击
穿电压；2)改善AlGaN/埋氧层的界面特性，可以大大减小界面处的泄漏电流；3)SiON中的氮
元素对Si基区中重掺杂的硼离子有较好的阻挡作用，防止硼粒子在热退火处理中向埋氧层
及埋氧层之下的Si衬底扩散；
长极薄的SiON氧化层，用来改善AlGaN与掩埋层的界面态，然后继续填充AlGaN，因为AlGaN
的晶格常数大于Si的晶格常数，这样在Si基区中会产生一个单轴压应力，与单轴张应力一
样，也会大幅提高Si基区中电子的迁移率，减小基区渡越时间，提高器件的频率；由于发射
区和集电区的AlGaN禁带宽度也很大，因而又可以提高器件的击穿电压；由于此时发射结和
集电结具有相同的结面积，较之传统的垂直型(纵向)HBT结构，具有更小的集电结结面积，
因此频率特性更加优良；另外，基区的Si可以采用选择性外延技术，每次以不同掺杂浓度分
多次外延生长，从左至右每次的掺杂浓度不断减小，这样在基区从左至右就实现了浓度由
高至低的浓度梯度，由此在基区内引入了一个由浓度梯度所导致的自建电场，进一步减小
了基区渡越时间，提高了器件的频率特性；
干扰性，因此利用极薄的金属硅化物层，可以分别与发射区、基区和集电区的半导体材料形
成良好的肖特基接触，由此既保证了优良的接触界面特性，又可以提高器件开关速度和截
止频率。
附图说明
具体实施方式
能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个
以上。
层的表面从左至右形成有发射区、基区和集电区，所述发射区、基区和集电区三个区域的厚
度相同而宽度不同，即三个区域具有相同的厚度和不同的宽度，所述发射区和集电区区域
里从下至上淀积有SiON氧化层和N型掺杂AlGaN层，即所述发射区和集电区区域里的半导体
材料为SiON氧化层和N型掺杂的GaN层，所述基区区域里生长有P型重掺杂Si层，所述Si层从
左至右包括掺杂浓度为N1宽度为W1的Si薄层1、掺杂浓度为N2宽度为W2的Si薄层2、……、掺
杂浓度为Nn宽度为Wn的Si薄层n，每个薄层的宽度相等且满足N1>N2>...>Nn，即在基区区域范
围内，从左至右形成了掺杂浓度由大到小渐变的且材料为P型重掺杂Si层，所述发射区、基
区和集电区的表面淀积有隔离氧化层，所述隔离氧化层在下方发射区、基区和集电区对应
处形成有发射区、基区和集电区电极窗口，每个电极窗口的宽度小于下方对应发射区、基区
和集电区宽度，由此实现各个电极窗口之间以隔离氧化层作为绝缘介质隔离开来，所述发
射区、基区和集电区电极窗口内生长金属硅化物形成电极引出层，即将金属硅化物作为发
射极、基极和集电极的电极引出层。
为20～30nm，当基区宽度小于20nm，则基区中的电子以弹道输运的方式通过，容易发生速度
过冲效应，此时基区的Ge组分渐变的方式就失效了，但是当基区宽度超过30nm时，基区的渡
越时间会随之增大，频率性能降低；而发射区和集电区则要求有比较大的宽度，由此可以减
小发射区的串联电阻及减小集电区的电容，器件的频率就会提高，因而工艺上发射区和集
电区的典型宽度为100-200nm。
1016cm-3的Si薄层4和掺杂浓度N5为1×1015cm-3的Si薄层5，即在所述基区区域内从左至右生
长有5层Si，所述基区的宽度为25nm，按照前述生长过程中每个Si薄层宽度相等，则每个Si
薄层的宽度为5nm，至此在基区区域范围内，从左至右形成了掺杂浓度由大到小的渐变区域
或者掺杂浓度由高至低的浓度梯度，由此在基区区域内引入了一个由浓度梯度所导致的自
建电场，即在基区中形成了有利于电子输运的加速电场，进一步减小了基区渡越时间，提高
了器件的频率特性。
为1×1015cm-3，具体结构请参见图2a所示；至此，表面的本征硅层厚度可作为后续发射区、
基区和集电区的厚度，通常在30～50nm，过厚会导致后续工艺难度增大；
持平为止，并对生长的AlGaN区域进行第一次原位(in-situ)掺杂，掺杂杂质原子为磷(P)或
砷(As)，掺杂浓度典型值为1×1017cm-3，然后再刻蚀(如采用现有的干法刻蚀或者等离子刻
蚀方式)掉两个AlGaN区域之间的硅区域，具体结构请参见图2d所示；
W2并包裹住Si薄层1的Si薄层2，……，如此依次下去，在所刻蚀硅区域内的最右侧部分生长
一层掺杂浓度为Nn、宽度为Wn并包裹住Si薄层n-1的Si薄层n，且满足W1＝W2＝W3＝…Wn＝WB/
n，N1>N2>...>Nn，至此在刻蚀好的WB基区范围内，前述n个Si薄层共同形成了从左至右掺杂
浓度由大到小渐变的P型重掺杂Si层，具体结构请参见图2e所示，由此在基区中形成了有利
于电子输运的加速电场；其中Si层的掺杂(即原位掺杂)杂质为硼，在所述刻蚀硅区域内的
19 -3
最左侧部分，硼的掺杂浓度为1×10 cm ；
域具有相同的厚度，具体结构请参见图2f所示；
1019cm-3；
口与下方发射区、基区和集电区相对，且每个电极窗口的宽度小于下方对应发射区、基区和
集电区宽度，即发射区的电极窗口与发射区相对且宽度小于发射区宽度，基区的电极窗口
与基区相对且宽度小于基区宽度，集电区的电极窗口与集电区相对且宽度小于集电区宽
度，然后刻蚀每个电极窗口区域内的隔离氧化层，最终保留相邻电极窗口之间的4个隔离氧
化层，具体结构请参见图2g所示；
结构请参见图2h所示；其中，所述金属硅化物为TiSi2或CoSi2或NiSi2等。
述步骤S5中刻蚀好的WB基区宽度为25nm，按照前述生长方式从左至右生长有5层Si，具体所
述P型重掺杂Si层从左至右包括掺杂浓度N1为1×1019cm-3、宽度为W1为5nm的Si薄层1，掺杂
浓度N2为1×1018cm-3、宽度W2为5nm的Si薄层2，掺杂浓度N3为1×1017cm-3、宽度W3为5nm的Si
薄层3，掺杂浓度N4为1×1016cm-3、宽度为W4为5nm的Si薄层4，以及掺杂浓度N5为1×1015cm-3、
宽度W5为5nm的Si薄层5，由此每个Si薄层中掺杂浓度从左至右成等比数列由小到大渐变，
且每个Si薄层的宽度相等。
层极薄的SiON氧化层作为缓冲层，以提高在缓冲层上的AlGaN层的界面特性；SiON主要有三
方面的优点：1)具有较高的介电常数，可减小埋氧层界面处的表面局部电场，提高器件的击
穿电压；2)改善AlGaN/埋氧层的界面特性，可以大大减小界面处的泄漏电流；3)SiON中的氮
元素对Si基区中重掺杂的硼离子有较好的阻挡作用，防止硼粒子在热退火处理中向埋氧层
及埋氧层之下的Si衬底扩散；
长极薄的SiON氧化层，用来改善AlGaN与掩埋层的界面态，然后继续填充AlGaN，因为AlGaN
的晶格常数大于Si的晶格常数，这样在Si基区中会产生一个单轴压应力，与单轴张应力一
样，也会大幅提高Si基区中电子的迁移率，减小基区渡越时间，提高器件的频率；由于发射
区和集电区的AlGaN禁带宽度也很大，因而又可以提高器件的击穿电压；由于此时发射结和
集电结具有相同的结面积，较之传统的垂直型(纵向)HBT结构，具有更小的集电结结面积，
因此频率特性更加优良；另外，基区的Si可以采用选择性外延技术，每次以不同掺杂浓度分
多次外延生长，从左至右每次的掺杂浓度不断减小，这样在基区从左至右就实现了浓度由
高至低的浓度梯度，由此在基区内引入了一个由浓度梯度所导致的自建电场，进一步减小
了基区渡越时间，提高了器件的频率特性；
干扰性，因此利用极薄的金属硅化物层，可以分别与发射区、基区和集电区的半导体材料形
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