專利名稱：硅雙極晶體管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到硅雙極晶體管，特別是用于移動通信的低壓高頻晶體管，確切地說是涉及到這種晶體管的制造方法。
背景技術(shù)：
問題所在雙極集成電路在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中起著主要的作用。這種電路大部分用于模擬功能，例如開關(guān)電流和電壓以及高頻無線電功能(混頻器、放大器、檢波器等)。
為了獲得晶體管的良好高頻性能，基極必須做得很窄。從而出現(xiàn)物理和實際觀點方面的一些問題。必須小心地調(diào)整基極的摻雜以便得到合理的β值，發(fā)射極-基極結(jié)中的摻雜不要太高(否則將出現(xiàn)低的BVebo)，摻雜要足以承受施加在基極上的電壓而不發(fā)生“穿通”擊穿，預(yù)警電壓要高，基極電阻要低，等等。
高頻高性能雙極晶體管的一個重要特點是發(fā)射極-基極區(qū)域。多晶硅發(fā)射極改善了電流增益并縮短了發(fā)射極電荷存儲時間，而窄的基極縮短了基極渡越時間從而改善了器件的高頻性能。通常用硼的離子注入來制作基極。薄的基極摻雜的最佳形狀是方盒形，但離子注入通常得到平滑的幾乎半V形的形狀。這一問題的一個解決辦法是外延沉積一個原位摻雜的基極層，從而得到方盒形分布結(jié)構(gòu)。此方法的進一步延伸是外延生長的SiGe晶體管，其中10-30％的Ge被加入到基極中以產(chǎn)生異質(zhì)結(jié)器件，這可以改善器件的高頻性能和電流增益。
為了得到例如很適合于通信應(yīng)用的晶體管，不僅需要低的渡越時間(高的fT)，而且要求高的最高振蕩頻率(fmax)。為此，晶體管還必須具有低的收集極-基極電容和低的基極電阻。基極電阻由本征和非本征基極電阻以及接觸電阻組成。
雙極高頻晶體管通常利用論文T.H.Ning，et al.，“Self-aligned NPN bipolar transistors”，IEDM Tech.Dig.，pp.823-824，1980中所述的自對準(zhǔn)基極-發(fā)射極結(jié)構(gòu)，其中的晶體管單元能夠被做得比其它技術(shù)更小。而且，當(dāng)非本征基極接觸到靠近發(fā)射極的本征基極時，得到了降低了的基極-收集極電容和降低了的基極電阻。這一概念的一些變種是眾所周知的。
在Blouse等人的專利US 5266504中，描述了一種制造自對準(zhǔn)雙極晶體管的方法，其中的基極被外延生長，非本征基極的多晶硅層被沉積但本征基極上的被清除(未給出如何得到蝕刻選擇性的細(xì)節(jié))，并借助于沉積非晶硅層隨之以圖形化和蝕刻而形成發(fā)射極。用固相外延(SPE)方法使非晶硅重結(jié)晶，從而得到陡峭的控制良好的發(fā)射極-基極結(jié)。用延長加熱(4-8小時)的方法來進行重結(jié)晶。
在Johnson和Taylor的專利US 5593905中，描述了一種制造自對準(zhǔn)雙極晶體管的方法，其中在本征和非本征基極之間制作一個由摻雜的氧化物和氮化物的雙層組成的連接層，然后被圖形化以便僅僅覆蓋本征基極區(qū)域。然后沉積非本征基極的多晶硅，并用雙層作為蝕刻停止層，在多晶硅中開出發(fā)射極窗口。然后利用對硅有高度選擇性的蝕刻劑，用干法蝕刻方法清除此層，停止于襯底(基極)。這一蝕刻減輕了對有源區(qū)的損傷，正如多晶硅直接在硅頂部被蝕刻那樣。但此方法比之常規(guī)加工，需要額外的掩蔽層。
Norstrm的專利WO 9719465利用非晶硅和硅襯底的不同特性，以受控的方式來增加對非本征基極的摻雜，并開出性能比常規(guī)加工得到的更好的發(fā)射極窗口。
已知解決方法的問題用薄基極制造自對準(zhǔn)雙多晶硅雙極晶體管時的一個共同問題是如何制作非本征基極區(qū)(厚的重?fù)诫s材料)和本征基極區(qū)(薄的精密摻雜分布)以及如何將其與發(fā)射極的制作集成。
主要問題發(fā)生在開發(fā)射極窗口時。這通常涉及到硅襯底上多晶層的蝕刻。問題是如何停止蝕刻過程，以便多晶層被完全清除而不繼續(xù)蝕刻進入襯底。若經(jīng)由例如在多晶硅沉積和發(fā)射極窗口蝕刻之前的外延而制作薄的基極區(qū)，則問題被進一步加重。多晶層沿不同的晶體取向和晶粒邊界被擇優(yōu)蝕刻，這引起被蝕刻區(qū)域中的蝕刻殘留物(小柱)、不均勻性(小平面)、以及不平坦的邊沿。特別是當(dāng)蝕刻發(fā)射極窗口時，由于蝕刻進入襯底(本征基極)，基極可能被損傷，或本征與非本征基極之間的連接區(qū)可能被做得太薄，導(dǎo)致高的基極電阻或甚至使本征基極與非本征基極不連接，故蝕刻性質(zhì)是一個主要考慮。發(fā)射極管道也可能由于蝕刻殘留物(小柱)而出現(xiàn)，這會引起發(fā)射極漏電流。
若要求良好的摻雜分布控制，則對多晶材料的離子注入不是最佳選擇。因為被注入的粒子在多晶材料中的溝通，可能難以精密地控制摻雜分布。在相似的非晶層中進行注入，解決了此問題。
因此需要一種方法，其中非本征基極接觸的硅在發(fā)射極窗口中被清除而不影響下方的基極層。
發(fā)明的概述本發(fā)明的目的是提供一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，此方法利用薄的氧化物作為開自對準(zhǔn)硅雙極晶體管中的發(fā)射極窗口時的蝕刻停止層，避免了上述問題。
根據(jù)本發(fā)明的一種情況，利用制作基極區(qū)和開發(fā)射極窗口的方法，達(dá)到了其中的此目的，此方法包含下列步驟-提供具有適當(dāng)器件隔離的硅襯底；-在所述襯底中或其頂部制作第一基極區(qū)；-在所述第一基極區(qū)上制作薄的氧化物層；-在所述薄的氧化物層的頂部制作硅層，所述硅層將作為第二基極區(qū)；-對所述硅層進行離子注入；-在所述硅層頂部制作電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)用來隔離所述晶體管的基極區(qū)和發(fā)射極區(qū)；-對這樣得到的結(jié)構(gòu)進行圖形化，以便確定發(fā)射極窗口；-對所述確定的發(fā)射極窗口區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)進行蝕刻，穿過電介質(zhì)層和硅層，其中薄的氧化物層被用作蝕刻停止層，從而形成發(fā)射極窗口；以及-隨后對結(jié)構(gòu)進行熱處理，使氧化物破裂，致使第一和第二基極區(qū)彼此接觸。
常規(guī)的加工步驟可以完成此晶體管。
附圖的簡要說明從下面給出的本發(fā)明實施方案的詳細(xì)描述以及附

圖1-9，能夠更充分地理解本發(fā)明，這些附圖僅僅是以說明的方式給出的，不是對本發(fā)明的限制。
圖1-9示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的各個加工步驟中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
優(yōu)選實施方案的描述在下列描述中，為了解釋的目的而不是為了限制的目的，提出了具體的細(xì)節(jié)，例如特定的技術(shù)和應(yīng)用，以便提供對本發(fā)明的透徹理解。但對于本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員來說，顯然可以在不同于這些具體細(xì)節(jié)的其它實施方案中實施本發(fā)明。在其它的情況下，略去了眾所周知的方法和裝置的詳細(xì)描述，以便不致由于不必要的細(xì)節(jié)而使本發(fā)明的描述難以理解。
以下描述工藝順序，它包括外延基極、非本征基極、發(fā)射極窗口的制作。
1.圖1示出了硅襯底1，最好是單晶。此襯底可以是均質(zhì)的，但通常具有不同的確定區(qū)域。在圖1中，有源區(qū)由(a)表示，而隔離區(qū)由(b)表示。有源區(qū)襯底將形成器件的收集極，且對于NPN器件，將用As、P或Sb進行n摻雜。所示器件的隔離是一種SiO2的厚度為4500的淺溝槽隔離(STI)3，但也可以采用諸如LOCOS的其它標(biāo)準(zhǔn)方法。也可以由其它的深溝槽隔離來組成隔離。此時，為了確保暴露區(qū)域中清潔的硅表面，可以用HF清洗襯底。
2.見圖2，在襯底上沉積外延基極5可以由高摻雜的硅(對于NPN晶體管是P型硼摻雜的)組成，但也可以由諸如加入有不同摻雜劑的Si/SiGe/Si之類的多層結(jié)構(gòu)組成。還可以是不摻雜的(本征的，i)，隨后進行離子注入以形成基極分布。在暴露的單晶襯底區(qū)域上，沉積的硅將外延生長，保持襯底的晶體結(jié)構(gòu)。在其它的區(qū)域上，根據(jù)下方的襯底和生長參數(shù)，晶體結(jié)構(gòu)可以是非晶的或多晶的。(可能需要氧化物上的籽晶多晶硅層。)厚度范圍為幾百例如200-1000(典型地約為800)。最好在500-700℃下，用化學(xué)氣相沉積(CVD)外延方法來沉積，但也可以用諸如分子束外延(MBE)之類的其它方法來沉積。
3.見圖3，最好用熱氧化方法，在沉積的硅層5的頂部制作薄的(優(yōu)選為10-50(最優(yōu)選為25))二氧化硅7，這可以用低溫下的快速熱氧化(RTO)或爐子氧化來進行。此層的目的是用作下面將要解釋的稍后流程中的蝕刻停止層。
4.接著，見圖4，用CVD方法沉積400-800(典型為600)的非晶硅(α-Si)。但也可以使用諸如PECVD或濺射之類的其它沉積技術(shù)。借助于選擇低于575℃的沉積溫度，可以形成非晶層。采用非晶硅的優(yōu)點已經(jīng)在引言中討論過了。
5.然后用離子注入方法對α-Si進行摻雜(對于NPN晶體管，最好是B或BF2離子注入)。圖5中用箭頭示意地示出了離子注入。選擇能量使所有的硼離子都被包含在α-Si中。在激活摻雜劑所需的常規(guī)工藝流程中的后續(xù)的熱處理(例如發(fā)射極激勵)中(見9)，氧化物將破裂，二個硅層將彼此接觸，從而形成非本征基極的厚的高摻雜硅層。
6.見圖6，然后用在低得不足以使α-Si重結(jié)晶的溫度下沉積的低溫沉積氧化物(PETEOS)11組成的層(厚度為500-2000(典型為1000))覆蓋此結(jié)構(gòu)。此層的目的是將發(fā)射極多晶硅隔離于基極多晶。
7.見圖7，以通常方法使用光掩模13并進行圖形化，以便在結(jié)構(gòu)中央之上形成發(fā)射極窗口15。
8.見圖8，然后對PETEOS和α-Si進行各向異性蝕刻。薄的氧化物層7現(xiàn)在將用作終點探測和蝕刻停止層，且當(dāng)?shù)竭_(dá)此處時，蝕刻就被中斷。清除光抗蝕劑。在任何進一步加工之前，可以清除其余的薄氧化物。但可以通過制作形成側(cè)壁間隔的氧化物/氮化物層來繼續(xù)常規(guī)的加工，而在此情況下不必清除薄的氧化物。
9.見圖9，然后在常規(guī)工藝流程中完成得到的結(jié)構(gòu)。此常規(guī)工藝流程包括SiO216的沉積/生長、內(nèi)部間隔(SiN側(cè)壁間隔)17的制作、發(fā)射極多晶硅19的沉積和摻雜及圖形化、非本征基極的額外注入、熱激活、以及硅化物21和金屬柱23的制作(金屬化)。
本發(fā)明的優(yōu)點●在對已有基極層造成影響的危險很小的情況下，制作雙極晶體管的非本征/本征基極結(jié)構(gòu)。
●在非本征基極區(qū)上產(chǎn)生厚的高摻雜的多晶硅層。
●非晶硅被用來改善非本征基極層的摻雜分布及其蝕刻控制。
●不使用額外的掩模。
總之，本發(fā)明提供了一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，此方法利用薄的氧化物作為開自對準(zhǔn)硅雙極晶體管中的發(fā)射極窗口時的蝕刻停止層。
在制作器件隔離和沉積本征基極之后，在沉積非本征基極的非晶硅之前，在用作本征基極的硅上沉積薄的氧化物層。通過選擇劑量參數(shù)使整個劑量都處于非晶硅層之內(nèi)的B或BF2對此結(jié)構(gòu)進行注入。薄的氧化物在后續(xù)的熱處理中將破裂。在PETEOS沉積之后，用薄的氧化物作為蝕刻停止層，發(fā)射極窗口中的氧化物/非晶硅被蝕刻。常規(guī)加工使器件得以完成。
顯然，本發(fā)明可以以多種方式改變。這些改變不被認(rèn)為偏離了本發(fā)明的范圍。對本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員顯而易見的所有這些修正，被認(rèn)為包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在硅雙極晶體管制造中用來制作基極區(qū)和用來開發(fā)射極窗口的方法，其特征是下列步驟-提供具有器件隔離(3)的硅襯底(1)；-在所述襯底中或其頂部制作第一基極區(qū)(5)；-在所述第一基極區(qū)上制作薄的氧化物層(7)；-在所述薄的氧化物層的頂部制作硅層(9)，所述硅層將作為第二基極區(qū)；-在所述硅層頂部制作電介質(zhì)層(11)，所述電介質(zhì)用來隔離所述晶體管的基極區(qū)和發(fā)射極區(qū)；-對這樣得到的結(jié)構(gòu)進行圖形化，以便確定發(fā)射極窗口(15)；-對所述確定的發(fā)射極窗口區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)進行蝕刻，穿過電介質(zhì)層和硅層，其中薄的氧化物層被用作蝕刻停止層，從而形成發(fā)射極窗口；以及-隨后對結(jié)構(gòu)進行熱處理，使氧化物破裂，致使第一和第二基極區(qū)彼此接觸。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中在制作所述電介質(zhì)層之前，所述硅層被離子注入。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述襯底是單晶。
4.權(quán)利要求1-3中任何一個所述的方法，其中所述適當(dāng)?shù)钠骷綦x是淺溝槽隔離(STI)。
5.權(quán)利要求1-3中任何一個所述的方法，其中所述適當(dāng)?shù)钠骷綦x是LOCOS隔離。
6.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中所述第一基極區(qū)用適當(dāng)?shù)膿诫s方法例如離子注入方法被制作在所述襯底中。
7.權(quán)利要求1-5中任何一個所述的方法，其中所述第一基極區(qū)用硅層最好外延制作在所述襯底上。
8.權(quán)利要求1-5中任何一個所述的方法，其中所述第一基極區(qū)用適當(dāng)摻雜的多層結(jié)構(gòu)例如Si/SiGe/Si結(jié)構(gòu)制作在所述襯底上。
9.權(quán)利要求7或8所述的方法，其中在制作第一基極區(qū)之前，用HF清洗襯底。
10.權(quán)利要求7-9中任何一個所述的方法，其中所述第一基極區(qū)借助于用CVD外延或MBE進行沉積而形成。
11.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中第一基極區(qū)被制作成厚度為200-1000。
12.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中薄的氧化物層用硅的熱氧化方法，最好用RTO或低溫爐子氧化方法來制作。
13.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中薄的氧化物層被制作成厚度為10-50。
14.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中氧化物層頂部的硅層被制作成非晶硅(α-Si)層。
15.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中氧化物層頂部的硅層用CVD、PECVD或濺射方法制作。
16.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中氧化物層頂部的硅層被制作成厚度為400-800。
17.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中用使所有離子被包含在所述硅層之內(nèi)的能量，對氧化物層頂部的硅層進行離子注入。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中被制造的晶體管是npn型的，而離子是B離子或BF2離子。
19.權(quán)利要求14所述的方法，其中在低得不足以使非晶硅(α-Si)層重結(jié)晶的溫度下制作電介質(zhì)層。
20.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中的電介質(zhì)層是沉積的低溫氧化物即PETEOS。
21.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中的電介質(zhì)層被制作成厚度為500-2000。
22.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中所述確定的發(fā)射極窗口區(qū)域內(nèi)部的結(jié)構(gòu)被各向異性蝕刻方法蝕刻。
23.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中借助于利用薄的氧化物層作為終點探測，蝕刻所確定的發(fā)射極窗口區(qū)域內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
24.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中所述確定的發(fā)射極窗口區(qū)域內(nèi)部的薄氧化物層在蝕刻之后被清除。
25.前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其中包括用來完成晶體管制造的常規(guī)加工步驟包括內(nèi)部間隔制作、發(fā)射極多晶硅的沉積、摻雜和圖形化、第二基極區(qū)的額外注入、熱激活、以及金屬化。
26.用前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法制造的一種硅雙極晶體管。
全文摘要
公開了一種在硅雙極晶體管制造中用來制作基極區(qū)和用來開發(fā)射極窗口的方法，它包含下列步驟提供具有器件隔離(3)的硅襯底(1)；在所述襯底中或其頂部制作第一基極區(qū)(5)；在所述第一基極區(qū)上制作薄的氧化物層(7)；在所述薄的氧化物層頂部制作硅層(9)，所述硅層將作為第二基極區(qū)；對所述硅層進行離子注入；在所述硅層頂部制作電介質(zhì)層(11)，所述電介質(zhì)用來隔離所述晶體管的基極區(qū)和發(fā)射極區(qū)；對這樣得到的結(jié)構(gòu)進行圖形化，以便確定發(fā)射極窗口(15)；對所述確定的發(fā)射極窗口區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)進行蝕刻，穿過電介質(zhì)層和硅層，其中薄的氧化物層被用作蝕刻停止層，從而形成發(fā)射極窗口；以及隨后對結(jié)構(gòu)進行熱處理，使氧化物破裂，致使第一和第二基極區(qū)彼此接觸。
文檔編號H01L29/732GK1399793SQ00816239
公開日2003年2月26日 申請日期2000年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月26日
發(fā)明者T·約翰松, H·諾爾斯特倫 申請人:艾利森電話股份有限公司