SiGe:C npn電晶體異質接面雙極性晶體管（HBT）是 BiCMOS IC 中針對高速類比和混合訊號應用的核心技術，它具有以下特性︰基極中少數固有電子高度的機動性、SiGe:C能使偏移所提供的附加性能增強，以及利用硼輕鬆取得清晰的p型外形。

另一方面，高速互補（npn與pnp電晶體）技術（CBiCMOS）要求pnp與npn HBT具有相似的性能。先對SiGe pnp基極外形中所做的平衡措施進行識別[1]，以免造成少數載波的傳輸性能下降。但由於常見摻雜質（如磷和砷）在較大程度上分離的狀況，n型SiGe基極摻雜工程技術目前仍是一項挑戰。

針對此挑戰，因此提出了使用標準和原子層摻雜（ALD）技術的摻雜工程技術概論，並顯示了與硼對等的摻雜外形可透過使用ALD的砷和磷來取得。

實驗

SiGe︰C 磊晶

減壓化學氣相沉積技術（RPCVD）使用於SOI圖案基版上沉積SiGe:C薄膜。SiH4、GeH4和甲基矽甲烷氣體分別用於矽、鍺和碳。AsH3和PH3是雜性氣體，通常，氫氣和氮氣中的沉積壓力均為 40Torr。

增長順序為︰在一個矽緩衝薄膜層上覆蓋約25奈米濃度傾斜的SiGe:C層（鍺莫爾定律為0至16％）、約30奈米濃度的SiGe:C基極層，以及一個會在600℃時增加的濃度為0.2％的碳層。雜質透過共同沉積（標準型）或ALD覆蓋雜區、20奈米濃度的SiGe隔離薄膜層（無雜質）導入基極中，最後在 650℃的氫氣中沈積矽保護層。

在ALD製程中，增長過程會受到中斷，氣體轉化為氮氣，而且表面也會暴露在PH3或AsH3中。可以對暴露的時間和溫度進行調整，以獲取所需的雜質量。SiGe:C隔離層會在氮氣中繼續增長。可調整SiH4/GeH4莫爾比例以保持平整的鍺外形。SIMS用來確定SiGe:C和雜質的外形。

《圖一　磷摻雜在550℃氮氣中增長的SIMS外形》

標準摻雜

在550℃的氫氣中使用PH3進行標準摻雜，會形成約20nm/dec的較大陡度磷外形，而降低SiGe:C隔離層的增長溫度也不實際，因為氫氣表面鈍化會大幅降低成長率和合成率。

然而根據業界研究指出[2]，當溫度較低時，氮氣中的SiGe外延會比氫氣中的成長率高。在類似的增長溫度下會出現更大程度的磷合成和更清晰的峰值濃度，如(圖一)。然而，陡度也會對後摻雜過程帶來負面影響，並產生相似長度的過渡時間。此外，如果在雜製程結束後繼續增長，則GeH4會受到很大抑制，這是第一次發現GeH4抑制。

在雜過程中提升SiH4/GeH4莫爾分率會降低抑制水準，然而，一般認為該過程無法順利進行。在基極外型中添加其他勢壘會對厄利電壓和截止頻率產生很大影響。Murota早先發現氫氣中添加的SiGe中的PH3將會導致SiH4抑制[3]。在氮氣中，由於缺少氫氣，可能會導致GeH4與SiH4對比出現更大的抑制。

由於砷雜具有更低的擴散率，所以與磷相比它具有更大的優勢。然而，沈積過程會在圖案基片上進行，導致基極窗口單晶 epi 中的最小雜質合成，同時大多數的砷也會被合成至多晶矽層中。而化學加載效應是砷優先移植的原因所在。

《圖二　在500℃氮氣中增長的SiGe:C隔離層的磷ALD的SIMS外形》

ALD原子層摻雜

Tillack et al[4] 深入研究了硼和磷的ALD製程，在所用的方法中，暴露時間和溫度分別設置為60秒和550℃，以取得中間的E19/cm3峰值濃度。SiGe:C隔離層會在600至500℃的在溫度範圍內增長，以監控隔離效應。溫度高於550℃時，陡度會增至36nm/dec；溫度降至500℃時，陡度則為 6nm/dec；(圖三)顯示了具有分別在500℃和650℃時增長的SiGe隔離層和矽保護層的ALD製程的基極外形，以及三個只在製程吞吐率方面略有下降的連續進程的製程再現性。

除碳之外，砷的 ALD 會以與磷相同的形式執行；(圖四)顯示了雙層上的SIMS外形，其中SiGe隔離層的增長溫度為530至500℃。不同於標準摻雜的是，砷的ALD會導致基極窗口中進行更大程度的砷合成，這些窗口具有約4E19/cm3的峰值濃度以及多晶矽面中更高的合成率，另一方面也證實了標準摻雜過程中的化學加載效應。砷外形的陡度與磷相似，同時也注意到SiGe隔離層中輕微的SiH4抑制和表面上大量累積的砷。

《圖三　在500℃和530℃氮氣中增長的SiGe隔離層的砷ALD的SIMS外形》

結論

標準和ALD摻雜製程可優化SiGe基極層中的n型摻雜外形，ALD顯示了陡度範圍在6nm/dec以內的磷和砷的最佳剖面圖，以下將於這些剖面圖中提供後發射佈植退火效應的對比結果，以及DC和RF性能。

---本文作者皆任職於NS美國國家半導體---

＜參考資料︰

[1] G. Zang, J.D. Cressler, G. Niu, A. Pinto, Solid-Sate Electronics, 44, 1949-1956 (2000) ；

[2] P.Meunier-Beillard, M. Caymax, K.Van Nieuwenhuysen, G. Boumen. B. Brijs, M. Hopstaken, L. Greenen, W. Vandervorst , Applied Surface Science, 224, 31-35 (2004) ；

[3] J. Murota, M. Sakuraba, B. Tillack, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 809, (2004)；

[4] B. Tillack, Y. Yamamoto, D. Bolze, B. Heneman, H. Ruker, D. Knoll, D. Wolansky. J. Murota, W. Mehr, , Extended Abstracts of the 2005 International SiGe Technology and Device Meeting, p. 25J-2。＞