專利名稱：在碳化硅中制造雙極結(jié)晶體管的方法和得到的器件的制作方法
1、發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及在碳化硅中制造雙極結(jié)晶體管的方法，特別涉及在碳化硅中制造基極和發(fā)射極接觸件自對(duì)準(zhǔn)的雙極結(jié)晶體管的方法以及得到的器件。
2、相關(guān)技術(shù)的說明雙極結(jié)晶體管(BJT)是一種公知的和常用的半導(dǎo)體電子器件。雙極結(jié)晶體管一般定義為由具有相互靠近的兩個(gè)相反p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料制成的器件。由于它們的相應(yīng)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電類型，雙極結(jié)晶體管一般稱為n-p-n或p-n-p晶體管。
在n-p-n BJT的工作中，電流載流子進(jìn)入與p-n結(jié)之一相鄰的半導(dǎo)體材料的區(qū)域中，該p-n結(jié)之一稱為發(fā)射極。大多數(shù)電荷載流子從與另一p-n結(jié)相鄰的半導(dǎo)體材料的區(qū)域離開該器件。集電極和發(fā)射極具有相同的導(dǎo)電類型，為p或n型。具有與集電極和發(fā)射極相反的導(dǎo)電類型(p或n)且公知為基極的小部分半導(dǎo)體材料設(shè)置在集電極和發(fā)射極之間。BJT的兩個(gè)p-n結(jié)形成在集電極與基極相交的部位以及基極與發(fā)射極相交的部位。
當(dāng)電流注入到基極或從基極引出時(shí)，根據(jù)BJT是n-p-n或p-n-p，大大影響能從集電極移動(dòng)到發(fā)射極的電荷載流子(即電子或空穴)的流量。通常，施加于基極的小電流可以成比例地控制通過BJT的大電流，并作為電子電路的部件提供其作用。BJT的結(jié)構(gòu)和操作在B.Streetman，SOLID STATE ELECTRONIC DEVICE，2d ed.(1980)chapter7中有詳細(xì)說明。
對(duì)于可操作和可使用的雙極結(jié)晶體管的要求之一是能用適當(dāng)?shù)匦纬伤陌雽?dǎo)體材料。最常用的半導(dǎo)體材料是硅(Si)，雖然其它半導(dǎo)體材料如砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)也引起注意。位于給定的情況和操作，這些材料具有適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。
用于雙極結(jié)晶體管的其它候選材料是碳化硅(SiC)。碳化硅具有公知的優(yōu)異半導(dǎo)體特性寬帶隙、高電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度、合理的高電子遷移率、高導(dǎo)熱性、高熔點(diǎn)、和高飽和電子漂移速度。與在其它半導(dǎo)體材料中形成的起見相比，這些特性意味著形成在碳化硅中的電子器件具有在更高溫度、高功率密度、高速度、高功率水平以及甚至在高輻射密度下工作的能力。
由于它們?cè)诟哳l率、高溫度以及高功率水平起作用的能力，高度希望碳化硅晶體管用在如雷達(dá)用的高功率射頻發(fā)射機(jī)和通信等應(yīng)用、用于高功率開關(guān)應(yīng)用以及用于如噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)控制等高溫操作。因而，幾十年來制造器件品質(zhì)碳化硅的方法以及由碳化硅形成的器件已經(jīng)倍受科學(xué)家和專家的矚目。
碳化硅在150以上不同的多型或晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶，其中最普通的是3C、4H和6H，其中“C”代表“立方體”，“H”代表“六邊形”。目前，6H多型是最完全特性化的，但是由于4H多型的更高電子遷移率，其用于功率器件更引起注意。
目前，用碳化硅材料制造器件是很困難的。碳化硅的高熔點(diǎn)致使如摻雜劑的合金化和擴(kuò)散更困難的技術(shù)，通常需要大量的其它材料進(jìn)行這種操作以便趨于在影響碳化硅所需要的高溫下?lián)舸Ｌ蓟柽€是極硬的材料，并且實(shí)際上它最普通的用途是作為研磨劑。
有人已經(jīng)在用碳化硅制造結(jié)、二極管和其它器件的嘗試上取得了某些成功。雙極結(jié)晶體管的一個(gè)例子是在授予Palmour等人的美國(guó)專利US4945394中公開了，在這里引證該文獻(xiàn)供參考。Palmour等人公開了一種在碳化硅中形成的雙極結(jié)晶體管，其中基極和發(fā)射極采用高溫離子注入法公知地形成。然而，由于發(fā)射極和基極區(qū)是采用光刻技術(shù)形成的，因此基極和發(fā)射極區(qū)隔開的精度受到限制；通常采用常規(guī)光刻技術(shù)時(shí)該間隔必須約為1-5μm或更高(通常約為2μm)，這導(dǎo)致不希望的高基極電阻以及不希望的基極-集電極電容，這兩者都將降低器件在高頻下工作的能力。而且，由于碳化硅中的雙極結(jié)晶體管呈現(xiàn)相對(duì)短的少數(shù)載流子壽命，通常為40nsec-3μsec，因此必須嚴(yán)格控制這種器件的物理尺寸。
自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)即由于制造工藝而使器件結(jié)構(gòu)自動(dòng)和固有地對(duì)準(zhǔn)的制造技術(shù)已經(jīng)用于真碳化硅MOSFET。例如，美國(guó)專利US5726463公開了一種具有自對(duì)準(zhǔn)柵極結(jié)構(gòu)的碳化硅MOSFET，其中柵極接觸件的自對(duì)準(zhǔn)是通過用薄氧化物層上的導(dǎo)電柵極材料填充陡峭壁溝槽并通過在介質(zhì)層中開的窗口將接觸件施加于柵極材料而實(shí)現(xiàn)的，這里引證該文獻(xiàn)供參考。設(shè)計(jì)這種技術(shù)通過減少柵極接觸件與漏區(qū)和源區(qū)的重疊而減少了雜散電容，并因此不適用于制造雙極結(jié)晶體管。
因而，本領(lǐng)域中需要一種在碳化硅中制造雙極結(jié)晶體管的方法，該方法能使基極和發(fā)射極接觸件的間隔更精確和更小。
發(fā)明的目的和概述本發(fā)明的目的是使在碳化硅中形成的雙極結(jié)晶體管中的基極和發(fā)射極接觸件的間隔更精確和更小。
本發(fā)明的另一目的是簡(jiǎn)化在碳化硅中制造雙極結(jié)晶體管的工藝。
本發(fā)明的又一目的是減少在碳化硅中制造雙極結(jié)晶體管所需要的光刻步驟的數(shù)量。
根據(jù)本發(fā)明，前述和其它目的是通過在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中制造自對(duì)準(zhǔn)雙極結(jié)晶體管的方法實(shí)現(xiàn)的，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有一般為第一導(dǎo)電類型的第一層碳化硅和一般為第二導(dǎo)電類型的第二層碳化硅層，其中第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反。
該方法包括在第二碳化硅層中形成溝槽，該溝槽具有底壁和相對(duì)的側(cè)壁；在包括溝槽底壁和側(cè)壁的第二半導(dǎo)體層上形成具有預(yù)定厚度的氧化物間隔層。形成氧化物間隔層之后，對(duì)在側(cè)壁之間的溝槽的一部分底壁上的氧化物間隔層進(jìn)行各向異性刻蝕，同時(shí)至少一部分氧化物間隔層留在側(cè)壁上，由此露出溝槽的一部分底壁。然后用第一導(dǎo)電類型的摻雜劑摻雜底壁的露出部分下面的一部分第二層，以便在第二層中形成摻雜阱區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，自對(duì)準(zhǔn)雙極結(jié)晶體管可以采用一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有一般為第一導(dǎo)電類型的第一層碳化硅和外延淀積在第一層上且一般為第二導(dǎo)電類型的第二層碳化硅層，其中第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反。在該方案中，本發(fā)明包括刻蝕第二碳化硅層以形成具有頂壁和相對(duì)側(cè)壁的至少一個(gè)柱狀物，以及與其相鄰的水平表面；在該結(jié)構(gòu)上，包括柱狀物的頂壁和側(cè)壁以及與柱狀物相鄰的水平表面，形成具有預(yù)定厚度的氧化物間隔層；從與柱狀物相鄰的水平表面各向異性刻蝕氧化物間隔層，同時(shí)一部分氧化物間隔層留在柱狀物的側(cè)壁上，由此露出水平表面；采用第一導(dǎo)電類型摻雜劑摻雜水平表面的露出部分下面的一部分第一層，在第一層中形成摻雜阱區(qū)；以及去掉氧化物間隔層。
在另一方案中，本發(fā)明包括在碳化硅中制造的雙極結(jié)晶體管，其包括具有第一導(dǎo)電類型、具有第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面以及形成晶體管的集電極的襯底；形成在襯底中的碳化硅外延層，其具有第二導(dǎo)電類型并形成晶體管的基極；形成在外延層中并具有頂壁和相對(duì)側(cè)壁的柱狀物，該柱狀物形成晶體管的基極或發(fā)射極；在與柱狀物相鄰且與柱狀物間隔預(yù)定距離的外延層中的摻雜阱區(qū)，該柱狀物由形成在相對(duì)側(cè)壁之一上的氧化物間隔層的厚度確定并在形成摻雜阱區(qū)之后除去，其中摻雜阱區(qū)具有第一導(dǎo)電類型并且形成晶體管的發(fā)射極或基極區(qū)。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1表示一種包括具有淀積在其上的多個(gè)外延層的碳化硅襯底的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2表示在其上已經(jīng)淀積了氧化物層的圖1中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖3表示已經(jīng)被刻蝕形成一系列柱狀物的圖2中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明制造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖4是其上已經(jīng)淀積第二層氧化物的圖3中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖5表示各向異性刻蝕已經(jīng)去掉水平氧化物表面和阱區(qū)已經(jīng)被注入之后的圖4中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
圖6表示去掉其余氧化物表面和在其中制造雙極結(jié)晶體管的臺(tái)面隔離之后的圖5中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
圖7是JTE注入之后的圖6中所示的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖8表示淀積另一氧化物層之后的圖7中所示的結(jié)構(gòu)。
圖9表示用各向異性刻蝕法去掉水平氧化物表面之后的圖8中所示的結(jié)構(gòu)。
圖10是包括到晶體管的集電極、發(fā)射極和基極區(qū)的歐姆接觸件的完成器件的剖面圖。
圖11是包括具有淀積在其上的多個(gè)外延層的碳化硅襯底的第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖12表示形成柱狀物和阱區(qū)注入之后的圖11中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
圖13是采用圖11中所示的結(jié)構(gòu)形成的完成器件的剖面圖。
圖14表示本發(fā)明的實(shí)施例，其中襯底是半絕緣的。
圖15表示本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中襯底是半絕緣的。
詳細(xì)說明本發(fā)明涉及在碳化硅中制造雙極結(jié)晶體管的方法。如上所述，用碳化硅材料工作是很困難的，因?yàn)槠涓呷埸c(diǎn)，并且生長(zhǎng)大器件質(zhì)量單一晶體很困難。然而，碳化硅的特性(即寬帶隙、高導(dǎo)熱性、高熔點(diǎn)、高電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度、低介電常數(shù)以及高飽和電子漂移速度)使它是用于制造用在高溫、高頻率應(yīng)用中的電子器件的理想材料，這樣的產(chǎn)品從蜂窩狀基站到噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。
如上所述，雙極結(jié)晶體管(BJT)是有源的、三端半導(dǎo)體器件，其包括靠近的兩個(gè)p-n結(jié)。BJT廣義地以n-p-n或p-n-P為特征，這取決于它們各自基極、集電極和發(fā)射極的導(dǎo)電類型。為簡(jiǎn)化起見，下面只詳細(xì)說明n-p-n BJT的制造。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都應(yīng)認(rèn)識(shí)到相同的方法通過倒置所述導(dǎo)電類型可用于制造p-n-p晶體管。
本發(fā)明的方法引入了新的自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，用于對(duì)準(zhǔn)形成在碳化硅中的雙極結(jié)晶體管的基極和發(fā)射極接觸件。本發(fā)明的方法還可以采用在其上淀積一個(gè)或多個(gè)碳化硅外延層的碳化硅襯底作為起始結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)。可如授予Kong等人的美國(guó)專利US5011549中所述那樣施加碳化硅的外延層，這里引證該文獻(xiàn)供參考。
下面參照附圖更詳細(xì)地介紹本發(fā)明，其中附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以很多不同方式實(shí)現(xiàn)并且不應(yīng)限制于這里所述的實(shí)施例。此外，提供這些實(shí)施例，以便本公開更清楚完整，并將本發(fā)明的范圍完全告之于本領(lǐng)域技術(shù)人員。在這個(gè)申請(qǐng)中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件。此外，附圖中的各個(gè)層和區(qū)都是示意性地示出的。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，形成在襯底或其它層“上”的層表示直接形成在襯底或其它層上或者插入層(一層或多層)上的層。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，關(guān)于層介紹了本發(fā)明，這些層可通過離子注入、或通過其它合適手段外延地形成。本發(fā)明不限于附圖中所示的相對(duì)尺寸和間隔。
相應(yīng)地，圖1表示包括(用表示為n+的導(dǎo)電類型)重?fù)诫s碳化硅襯底2的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1。雖然襯底2可由任何大量不同碳化硅多型(即晶體結(jié)構(gòu))形成，但襯底2優(yōu)選包括單晶4Hα-SiC材料(Si-面)。為獲得n型材料，在利用施主摻雜劑如氮的生長(zhǎng)階段期間可摻雜襯底2。
具有與襯底2相同導(dǎo)電類型的第一外延層4設(shè)置在襯底2上。用施主摻雜劑如氮以約1E14cm-3和1E16m-3之間的濃度摻雜層4。優(yōu)選，摻雜是在外延生長(zhǎng)工藝期間進(jìn)行的。層4的厚度約為3μm到約200μm，最優(yōu)選為約6μm到約20μm。在制造之后襯底2和層4一起形成晶體管的集電極區(qū)。
在層4上形成具有與襯底2和層4相反的導(dǎo)電類型的第二外延層6。用受主摻雜劑如硼或鋁以約5E17cm-3和5E18m-3之間的濃度摻雜層6。層6的厚度約為0.3μm到約5μm，最優(yōu)選約為0.7μm到約1μm。最后，導(dǎo)電類型與層6相同的外延層8形成在層6上。層8是厚度約為0.05μm到約2μm的重?fù)诫s層，并且最優(yōu)選厚度為約0.2μm到約0.5μm。用受主摻雜劑如硼或鋁以高于1E18cm-3、優(yōu)選約為1E20cm-3到1E21cm-3的濃度摻雜層8。在制造之后層6和8形成晶體管的基極區(qū)。
如這里使用的，所述術(shù)語(yǔ)“相反導(dǎo)電類型”只表示半導(dǎo)體材料的給定區(qū)域具有與材料的其它區(qū)域相比的相反n型或p型導(dǎo)電類型，而與材料的任一樣品的摻雜濃度無關(guān)。這樣，例如，n+材料和p型材料具有相反的導(dǎo)電類型，而p+材料和p型材料被認(rèn)為具有相同的導(dǎo)電類型，但是具有不同的摻雜濃度。
參見圖2，優(yōu)選采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)工藝在層8的露出表面上形成氧化物層10、優(yōu)選為二氧化硅。PECVD工藝在S.M.Sze，VLSI TECHNOLOGY 2ndEd，McGraw-Hill 1988的第六章中有介紹。在碳化硅上形成高質(zhì)量二氧化硅層的方法在美國(guó)專利US5459107中有介紹。
氧化物層10優(yōu)選具有0.2μm到3μm的厚度，最優(yōu)選具有0.6μm到1.5μm的厚度。
接著，根據(jù)常規(guī)光刻技術(shù)采用刻蝕掩模對(duì)氧化物層10進(jìn)行構(gòu)圖，并且刻蝕掉氧化物層10和層8的部分以形成柱狀物12，如圖3中所示。每個(gè)柱狀物12包括由層8形成的增高部分16和由氧化物層10形成的蓋子部分13。一旦層8被完全向下刻蝕到層6的表面(由此露出層6的表面6B)，就停止刻蝕工藝。柱狀物12限定具有沿著層6的表面6B的底壁14B和側(cè)壁14A的溝槽14。增高部分16將最大地限定完成BJT器件中的基極區(qū)。
圖3A是圖3中所示結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的頂視圖。如從圖3A明顯看出，柱狀物12實(shí)際上可具有線形結(jié)構(gòu)。其它結(jié)構(gòu)如圓形結(jié)構(gòu)也是可以的，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到的，而且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
現(xiàn)在參見圖4，優(yōu)選采用PECVD工藝穿過包括溝槽14的側(cè)壁14A的結(jié)構(gòu)1的頂表面形成氧化物間隔層18。氧化物間隔層18優(yōu)選具有約0.05μm到0.5μm之間的厚度，最優(yōu)選具有約0.1到0.25μm的厚度。如從下面的討論中可知，氧化物間隔層18的厚度將確定根據(jù)本發(fā)明制造的雙極結(jié)晶體管的基極和集電極接觸的間隔。氧化物間隔層18的厚度由淀積該層的時(shí)間量來確定。典型的淀積率因機(jī)器而不同。然而，一般情況下，氧化物間隔層18的厚度可以小心地控制到+/-0.1μm內(nèi)。如此淀積的層的厚度可通過用橢圓劑的測(cè)量來確定。
氧化物間隔層18包括設(shè)置在基本上平行于層6的露出表面6B的柱狀物12的露出表面上的部分18C、設(shè)置在柱狀物12的側(cè)壁上的部分18A、以及設(shè)置在包括溝槽14的底壁14B的層6的露出表面6B上的部分18B。
雖然參照作為氧化物層的優(yōu)選實(shí)施例介紹了層18，但是應(yīng)該理解層18可以由可控制地淀積在碳化硅上并且適于各向異性刻蝕的任何材料形成，以便允許相鄰阱區(qū)的對(duì)準(zhǔn)和形成，如下面更詳細(xì)的說明。
如圖5所示，接著進(jìn)行各向異性刻蝕以去掉部分氧化物間隔層18。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，各向異性工藝是沿著某個(gè)軸或平面影響材料的工藝而不是別的工藝。因此，各向異性刻蝕沿著一個(gè)表面比沿著另一個(gè)表面更有效地去掉材料。例如，如圖5所示，各向異性刻蝕可從結(jié)構(gòu)的水平表面而不是垂直表面去掉材料。
如圖5所示，在各向異性刻蝕之后，已經(jīng)除去了氧化物間隔層18的水平部分18B和18C以露出柱狀物12的露出表面10C和層6的表面6B，包括溝槽14的底壁14B，而位于柱狀物12的側(cè)壁上的氧化物間隔層18的垂直部分18A基本上完好地保留下來。
接著，在層6中形成將最終形成完成器件中的發(fā)射極的n型導(dǎo)電類型的重?fù)诫s阱區(qū)20?？刹捎迷诿绹?guó)專利US4945394和5087576中所述的高溫離子注入技術(shù)形成這些阱區(qū)。離子注入通常是必須的，因?yàn)樘蓟柚械臒釘U(kuò)散系數(shù)對(duì)于雜質(zhì)的實(shí)際擴(kuò)散來說太小。采用離子注入，可用濃度為1E18到1E21cm-3的雜質(zhì)注入碳化硅。在優(yōu)選實(shí)施例中，利用晶片在升高溫度下進(jìn)行注入，并且在合適環(huán)境中在1200-1700C下激活注入物。
阱區(qū)20優(yōu)選在深入層6約0.25μm和1μm之間的距離延伸，并且最優(yōu)選約為0.3-0.6μm深。在圖5所示實(shí)施例中，阱區(qū)20不延伸穿過層6到層4的所有路徑。阱區(qū)20優(yōu)選具有1E18cm-3到約1E21cm-3的摻雜密度，并且1E20到1E21cm-3的范圍內(nèi)是最優(yōu)選的。
由于在形成阱區(qū)20期間存在氧化物間隔層19的側(cè)壁部分18A，因此阱區(qū)20的邊緣20A與增高部分16的側(cè)壁16A隔開的距離等于氧化物間隔層18的厚度。因此，基極接觸和發(fā)射極接觸的間隔由氧化物厚度限定而不是由光刻限定，并允許基極和發(fā)射極接觸更緊密地對(duì)準(zhǔn)。采用本發(fā)明的方法可實(shí)現(xiàn)0.1-0.25μm的間隔，而采用常規(guī)光刻技術(shù)需要至少1μm的間隔。利用本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的間隔減少了基極電阻和基極-集電極電容，并且能制造在更高頻率下工作的器件。
參見圖6，采用常規(guī)濕刻蝕技術(shù)剝離其余氧化物層18A和10。接著，通過反應(yīng)離子刻蝕刻蝕掉層6的周邊，以便形成包括層6、阱區(qū)20、和增高部分16的臺(tái)面24。為了隔離基極-集電極結(jié)和隔離在同一襯底上制造的器件，進(jìn)行臺(tái)面隔離。
這些步驟之后，露出層4的周邊表面4C。如圖7所示，接著進(jìn)行結(jié)端部延展(JTE)注入，在層4的露出的周邊表面4C下面產(chǎn)生p型區(qū)22。P型區(qū)22用于以控制方式擴(kuò)散晶體管的耗盡區(qū)。
然后對(duì)完成結(jié)構(gòu)1進(jìn)行退火以激活注入的摻雜劑原子。退火溫度優(yōu)選在約1200℃和1800℃之間。該器件可在1分鐘到18小時(shí)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行退火，優(yōu)選在三分鐘到14分鐘內(nèi)退火。
前面已經(jīng)介紹了雙極結(jié)晶體管的基本結(jié)構(gòu)的制造，下面參照?qǐng)D8-10介紹器件上的歐姆接觸的形成。首先，沿著結(jié)構(gòu)1的頂表面形成PECVD氧化物層26(圖8)，然后進(jìn)行各向異性刻蝕以從臺(tái)面24而不是從周邊表面4C去掉氧化物層26的水平部分26C(圖9)。各向異性刻蝕之后，露出增高部分14的表面14C，與阱區(qū)20的表面14B一樣。最后，將發(fā)射極接觸28施加于阱區(qū)28的表面14B，并且將基極接觸30施加于增高部分14的表面14C。
大量金屬和金屬組合物都適合于這些歐姆接觸。例如，鎳或鎳-鈦組合物是到n型碳化硅的合適歐姆接觸，而鋁或鋁-鈦組合物是到p型碳化硅的可用歐姆接觸。此外，硅化鈷(CoSi2)已經(jīng)表明可用做到p型碳化硅的歐姆接觸材料。合適的歐姆接觸結(jié)構(gòu)在美國(guó)專利US5323022和5409859中有介紹。用常規(guī)方式對(duì)接觸28、30、32進(jìn)行高溫退火，以便形成歐姆接觸，并且進(jìn)行濕刻蝕以去掉未反應(yīng)的金屬。
由于圖1-10中所示實(shí)施例中的襯底2是導(dǎo)電的，因此集電極接觸32施加于襯底2的底表面。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，本發(fā)明可以采用非導(dǎo)電襯底如半絕緣碳化硅或藍(lán)寶石(Al2O3)來實(shí)現(xiàn)，在這種情況下集電極接觸32不應(yīng)當(dāng)施加于襯底2的底表面，而是施加于層4的另一表面，如圖14所示。在這種情況下，n+區(qū)50應(yīng)該具有約1-20μm(優(yōu)選約1-5μm)的厚度，并且優(yōu)選以約1E18cm-3的濃度摻雜。希望這個(gè)實(shí)施例具有較低的焊盤電容，因此具有更好的高頻性能。
本發(fā)明的另一實(shí)施例示于圖11-13中，其中圖11中所示的外延結(jié)構(gòu)11用做開始結(jié)構(gòu)。如圖11所示，結(jié)構(gòu)11包括其上淀積n型外延層4的4H碳化硅的重?fù)诫sn型襯底2，n型外延層4也是碳化硅的。如利用圖1中所示的結(jié)構(gòu)一樣，襯底2和層4形成雙極結(jié)晶體管的集電極，并在層4上形成p型外延層6。然而，不象圖1中所示結(jié)構(gòu)那樣，在層6上淀積n型導(dǎo)電類型的重?fù)诫s外延層7。用施主摻雜劑如氮以1E18到1E21cm-3的濃度摻雜層7。層7具有約為0.05μm到約2μm的厚度，最優(yōu)選約為0.2μm到約0.5μm。
處理結(jié)構(gòu)10的步驟與上述參照?qǐng)D1-4所述的相同，即用氧化物掩模涂敷該結(jié)構(gòu)，該掩模被刻蝕掉以形成柱狀物12，柱狀物12包括由頂部外延層(在這種情況下為層7)形成的增高部分15，之后例如通過PECVD在結(jié)構(gòu)10的頂表面上形成氧化物層18。
在氧化物層18的各向異性刻蝕之后，并如圖12所示，在該結(jié)構(gòu)中形成重?fù)诫s阱區(qū)21，以便阱區(qū)21的邊緣與柱狀物12隔開的距離約等于氧化物層18的厚度。然而，在圖11-13所示的實(shí)施例中，阱區(qū)21被摻雜以具有p型導(dǎo)電類型。在一個(gè)實(shí)施例中，阱區(qū)21延伸穿過層6并且部分進(jìn)入層4。因而，阱區(qū)21與由層6形成的p型區(qū)23一起形成晶體管的基極。
處理的其余步驟與上述關(guān)于圖6-10中所示的相同，除了如圖13所示，發(fā)射極接觸形成在增高部分15的露出表面上，而形成到阱區(qū)21的頂表面的基極接觸。
如圖15所示，圖11-13中所述的實(shí)施例可采用非導(dǎo)電或半絕緣襯底來實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，可在層4中形成的n+阱區(qū)上的器件的頂表面上形成到n型層4的集電極接觸32’。
上述用于進(jìn)行刻蝕步驟的優(yōu)選技術(shù)包括利用三氟化氮(NF3)的反應(yīng)離子刻蝕。三氟化氮在碳化硅刻蝕工藝中呈現(xiàn)大量?jī)?yōu)點(diǎn)。在Palmour等人的Surface Characteristic of Monocrystalline Beta-SiC DryEtched in Fluorinated Gases，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，Vol.76，1987，第185頁(yè)中更詳細(xì)地介紹了采用NF3的反應(yīng)離子刻蝕，這里引證該技術(shù)供參考。在美國(guó)專利US4865685和4981551中也介紹了用于刻蝕碳化硅的合適技術(shù)。
前面已經(jīng)介紹了與硅、砷化鎵或其它半導(dǎo)體材料不同的本發(fā)明的在碳化硅(所有多型)中制造雙極結(jié)晶體管(BJT)的方法。這里公開的實(shí)施例借助氧化物形成而不是光刻技術(shù)對(duì)準(zhǔn)基極和發(fā)射極接觸，允許基極和發(fā)射極接觸相互更緊密和更精確地定位。由于碳化硅是具有在比其它常規(guī)半導(dǎo)體高的溫度下工作的能力的寬帶隙半導(dǎo)體，因此根據(jù)本發(fā)明制造的晶體管也呈現(xiàn)在高溫的優(yōu)異工作特性。而且，根據(jù)本發(fā)明制造的晶體管還具有在更高功率水平和更高頻下工作的能力。本發(fā)明的方法可用于制造n-p-n或p-n-p晶體管。
在說明書和附圖中，已經(jīng)借助例子介紹了本發(fā)明的優(yōu)選和示意實(shí)施例，但本發(fā)明不限于這些例子，本發(fā)明的范圍在所附權(quán)利要求書中限定。
權(quán)利要求
1.一種在具有第一層碳化硅和第二層碳化硅的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中制造自對(duì)準(zhǔn)雙極結(jié)晶體管的方法，該方法包括在第二碳化硅層中形成溝槽，該溝槽具有底壁和相對(duì)的側(cè)壁；在包括溝槽底壁和側(cè)壁的第二半導(dǎo)體層上保形地淀積具有預(yù)定厚度的間隔層；從側(cè)壁之間的溝槽的一部分底壁各向異性刻蝕間隔層，由此露出溝槽的一部分底壁，而至少一部分間隔層留在側(cè)壁上；用摻雜劑摻雜底壁的露出部分下面的區(qū)域，以便在底壁下面形成摻雜阱區(qū)；和去掉間隔層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第二層包括基極區(qū)，阱區(qū)包括發(fā)射極區(qū)，第一層包括該雙極結(jié)晶體管的集電極區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第二層包括發(fā)射極區(qū)，阱區(qū)包括基極區(qū)，第一層包括雙極結(jié)晶體管的集電極區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在第二碳化硅層中形成溝槽的步驟包括刻蝕一部分第二層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中摻雜底壁的露出部分下面的區(qū)域的步驟包括高溫離子注入。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括刻蝕一部分第二層以形成含有晶體管的臺(tái)面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中刻蝕一部分第二層的步驟之后進(jìn)行以下步驟在臺(tái)面上形成氧化物層；和各向異性刻蝕氧化物層以露出接觸表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，還包括提供到基極、發(fā)射極和集電極區(qū)的歐姆接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第二層包括重?fù)诫s、p型碳化硅層。
10.一種在具有第一導(dǎo)電類型的第一層碳化硅和外延地淀積在第一層上的第二導(dǎo)電類型的第二層碳化硅的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中制造自對(duì)準(zhǔn)雙極結(jié)晶體管的方法，其中第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反，該方法包括刻蝕第二半導(dǎo)體層以形成具有與第一碳化硅層相對(duì)的第一表面和相對(duì)的側(cè)壁的至少一個(gè)柱狀物、以及與柱狀物相鄰的水平表面；在柱狀物的第一表面、相對(duì)側(cè)壁以及與柱狀物相鄰的水平表面上形成具有預(yù)定厚度的間隔層；從與柱狀物相鄰的水平表面各向異性刻蝕間隔層，而至少一部分間隔層留在柱狀物的側(cè)壁上，由此露出水平表面；用第一導(dǎo)電類型的摻雜劑摻雜水平表面的露出部分下面的一部分第二層，以便在第二層中形成摻雜阱區(qū)；和去掉間隔層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中第二層包括基極區(qū)，阱區(qū)包括發(fā)射極區(qū)，第一層包括該雙極結(jié)晶體管的集電極區(qū)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中第二層包括發(fā)射極區(qū)，阱區(qū)包括基極區(qū)，第一層包括雙極結(jié)晶體管的集電極區(qū)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在第二碳化硅層中形成柱狀物的步驟包括刻蝕一部分第二層。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中摻雜一部分第一層的步驟包括高溫離子注入。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括刻蝕一部分第二層以形成含有晶體管的臺(tái)面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中刻蝕一部分第二層的步驟之后進(jìn)行以下步驟在臺(tái)面上形成氧化物層；和各向異性刻蝕氧化物層以露出接觸表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，還包括提供到基極、發(fā)射極和集電極區(qū)的歐姆接觸。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中第二層包括重?fù)诫s、p型碳化硅層。
19.一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中制造自對(duì)準(zhǔn)雙極結(jié)晶體管的方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有第一導(dǎo)電類型的第一層碳化硅、與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第二層碳化硅、以及外延地淀積在第二層上的第一導(dǎo)電類型的第二層碳化硅，該方法包括在第二碳化硅層中形成溝槽，該溝槽具有底壁和相對(duì)的側(cè)壁；在包括溝槽底壁和側(cè)壁的第二半導(dǎo)體層上保形地淀積具有預(yù)定厚度的間隔層；從側(cè)壁之間的溝槽的一部分底壁各向異性刻蝕間隔層，由此露出溝槽的一部分底壁；用第一導(dǎo)電類型的摻雜劑摻雜底壁的露出部分下面的一部分第二層，以便在第二層中形成摻雜阱區(qū)；和去掉間隔層。
20.一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中制造自對(duì)準(zhǔn)雙極結(jié)晶體管的方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有第一導(dǎo)電類型的第一層碳化硅、與第一導(dǎo)電類型相反并外延地淀積在第一層上的第二導(dǎo)電類型的第二層碳化硅以及外延地淀積在第二層上的第一導(dǎo)電類型的第二層碳化硅，該方法包括刻蝕第二半導(dǎo)體層以形成具有頂壁和相對(duì)側(cè)壁的至少一個(gè)柱狀物、以及與柱狀物相鄰的水平表面；在包括柱狀物的頂壁和側(cè)壁以及與柱狀物相鄰的水平表面的結(jié)構(gòu)上淀積具有預(yù)定厚度的間隔層；從與柱狀物相鄰的水平表面各向異性刻蝕間隔層，而至少一部分間隔層留在柱狀物的側(cè)壁上，由此露出水平表面；用第一導(dǎo)電類型的摻雜劑摻雜水平表面的露出部分下面的一部分第二層，以便在第二層中形成摻雜阱區(qū)；和去掉間隔層。
21.一種在碳化硅中制造的雙極結(jié)晶體管，包括具有第一導(dǎo)電類型、具有頂表面和底表面以及形成晶體管的集電極區(qū)的襯底；淀積在襯底上的碳化硅外延層，其具有與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型；形成在外延層上并具有頂壁和相對(duì)側(cè)壁的柱狀物，該柱狀物形成晶體管的基極區(qū)；與柱狀物相鄰的外延層中的摻雜阱區(qū)，其與柱狀物間隔的距離由淀積在相對(duì)側(cè)壁之一上的間隔層的厚度確定，形成摻雜阱區(qū)之后去掉該間隔層，該摻雜阱區(qū)具有第一導(dǎo)電類型并形成晶體管的發(fā)射極區(qū)。
22.一種在碳化硅中制造的雙極結(jié)晶體管，包括具有第一導(dǎo)電類型、具有頂表面和底表面以及形成晶體管的集電極區(qū)的襯底；淀積在襯底上的碳化硅外延層，其具有與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型；形成在外延層上并具有頂壁和相對(duì)側(cè)壁的柱狀物，該柱狀物具有第一導(dǎo)電類型并形成晶體管的發(fā)射極區(qū)；與柱狀物相鄰的外延層中的摻雜阱區(qū)，其與柱狀物間隔的距離由淀積在相對(duì)側(cè)壁之一上的間隔層的厚度確定，形成摻雜阱區(qū)之后去掉該間隔層，該摻雜阱區(qū)具有第二導(dǎo)電類型并形成晶體管的基極區(qū)。
全文摘要
提供一種在具有一般為第一導(dǎo)電類型的第一層碳化硅和一般為與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第二層碳化硅的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中制造自對(duì)準(zhǔn)雙極結(jié)晶體管的方法。該方法包括在第二碳化硅層中形成柱狀物，該柱狀物具有側(cè)壁并限定第二層的相鄰水平表面；在包括側(cè)壁和水平表面的第二半導(dǎo)體層上形成具有預(yù)定厚度的氧化物層。形成氧化物層之后，各向異性刻蝕與側(cè)壁相鄰的一部分水平表面上的氧化物層，而至少一部分氧化物層留在側(cè)壁上，由此露出一部分水平表面。然后用第一導(dǎo)電類型的摻雜劑摻雜水平表面的露出部分下面的一部分第二層，以便在第二層中形成摻雜阱區(qū)，該阱區(qū)與側(cè)壁相隔的距離由氧化物層的厚度確定。還公開了得到的器件。
文檔編號(hào)H01L29/24GK1461497SQ00820065
公開日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2000年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月11日
發(fā)明者R·辛, A·K·阿加瓦爾, S·－H·亞 申請(qǐng)人:克里公司