專利名稱：自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件及其制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用選擇性外延生長自 對準(zhǔn)抬升外基區(qū)的一種自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管及其制備方 法。
平面Si雙極晶體管是構(gòu)建模擬集成電路的傳統(tǒng)器件。但由于硅材料在速度 上的先天劣勢，歷史上高頻高速應(yīng)用領(lǐng)域一直由GaAs等III-V族化合物半導(dǎo)體 器件主宰。窄禁帶SiGe合金作為基區(qū)材料引入Si雙極晶體管得到的SiGe異質(zhì) 結(jié)雙極晶體管，在高頻性能上有了很大的提高，同時還保持了 Si基技術(shù)成本較 低的優(yōu)勢，因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于射頻微波集成電路領(lǐng)域，并部分替代了 GaAs等 化合物半導(dǎo)體器件。
雙極晶體管的基極電阻RB和集電極-基極電容CBe—直是制約器件高頻性能進
一步提高的主要寄生參數(shù)，其對器件高頻性能指標(biāo)的影響可用如下簡化的表達式 描述。
其中，&和f,分別表示器件的截止頻率和最高振蕩頻率。此外，RB還是雙極晶 體管熱噪聲的主要來源。因此，為了提高器件的高頻性能和降低器件的噪聲系數(shù)， 減小RB—直是雙極晶體管器件與工藝優(yōu)化的重要任務(wù)。采用自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，即保證 器件重?fù)诫s外基區(qū)與發(fā)射區(qū)的間距不取決于而且一般來說遠(yuǎn)小于光刻允許的最 小線寬或最小套刻間距，是減小R,;的有效途徑之一。
對于通過外延方式生長Si或SiGe基區(qū)的雙極晶體管或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管， 自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)的器件結(jié)構(gòu)滿足了較厚的重?fù)诫s外基區(qū)與發(fā)射區(qū)相對位置的 自對準(zhǔn)要求，因而成為當(dāng)今高性能自對準(zhǔn)Si雙極晶體管和SiGe異質(zhì)結(jié)雙極晶體 管工藝的標(biāo)準(zhǔn)器件結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)這種自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)器件結(jié)構(gòu)的工藝方案大致可
背景技術(shù)：
分為兩類。 一類的特點是自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)形成于基區(qū)外延之后，主要是借助平
坦化工藝實現(xiàn)自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的典型專利有US7026666-B2、 EP1139408-A和 US2005012180-A1等。另一類首先淀積重?fù)诫s的多晶抬升外基區(qū)，并利用光刻和 刻蝕工藝形成發(fā)射區(qū)窗口，然后再利用選擇性外延工藝在已形成的發(fā)射區(qū)窗口內(nèi) 生長基區(qū)外延層并與事先形成的重?fù)诫s外基區(qū)多晶懸臂對接。例如EP818829-A、 JP6291133-A、 EP911883-A等專利都屬于這一類。以上兩類技術(shù)方案的共同缺點 是工藝都比較復(fù)雜，前者需要昂貴的專用平坦化設(shè)備及工藝，后者由于其對器件 性能起決定作用的基區(qū)需要采用工藝較難控制的選擇性外延的方法來生長，從而 可能引起相關(guān)的工藝質(zhì)量控制問題，例如基區(qū)與預(yù)成形外基區(qū)之間通過選擇性外 延生長的連接基區(qū)中有可能出現(xiàn)空洞等缺陷的問題。因此，到目前為止，自對準(zhǔn) 抬升外基區(qū)雙極晶體管或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的器件結(jié)構(gòu)及其工藝實現(xiàn)方案仍有 待改進?；诖耍覀兲岢隽艘韵碌募夹g(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種對設(shè)備和工藝條件要求相對較低、可基于簡單可控 的常規(guī)工藝的自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管及其制備方法。
本發(fā)明提出的選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極晶體管或異質(zhì)結(jié)雙極晶體 管的器件結(jié)構(gòu)主要包括由半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的或位于半導(dǎo)體襯底表面的、第一導(dǎo)電 類型的Si集電區(qū)，位于集電區(qū)上面、相反的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe基區(qū)，
在基區(qū)上面形成的發(fā)射區(qū)窗口及其內(nèi)側(cè)的介質(zhì)內(nèi)側(cè)墻，位于基區(qū)上面、至少部分 位于發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)側(cè)墻之間的第一導(dǎo)電類型的多晶或單晶Si發(fā)射區(qū)，和位于基 區(qū)上面、發(fā)射區(qū)窗口外面、圍繞發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)側(cè)墻并與基區(qū)大面積相連的、相反 的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe抬升外基區(qū)。上述第一導(dǎo)電類型和相反的第二導(dǎo)電 類型是指利用施主或受主雜質(zhì)慘雜半導(dǎo)體形成的主要靠電子導(dǎo)電的N型材料或主 要靠空穴導(dǎo)電的P型材料。
根據(jù)本發(fā)明用于制備選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極晶體管或異質(zhì)結(jié)雙 極晶體管的主要工藝流程包括以下主要步驟
1. 在由半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的或位于半導(dǎo)體襯底表面的、第一導(dǎo)電類型的Si集
電區(qū)上面通過外延生長的方法形成相反的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe基區(qū)；
2. 在基區(qū)上面淀積若干層介質(zhì)層、并通過光刻的手段刻出發(fā)射區(qū)窗口，接著 在發(fā)射區(qū)窗口的內(nèi)側(cè)形成介質(zhì)側(cè)墻；
3. 在腐蝕掉發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)、介質(zhì)內(nèi)側(cè)墻包圍的發(fā)射區(qū)窗口底部的介質(zhì)層之 后，在露出的基區(qū)上面淀積或外延生長并形成第一導(dǎo)電類型的多晶或單晶Si發(fā) 射區(qū)材料，然后利用光刻方法形成器件的發(fā)射極；
4. 利用選擇性腐蝕的方法去除位于基區(qū)上面、發(fā)射區(qū)窗口外、圍繞介質(zhì)內(nèi)側(cè) 墻的犧牲介質(zhì)層，再通過選擇性外延工藝在露出的基區(qū)上面、發(fā)射區(qū)窗口外、圍 繞發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)側(cè)墻生長相反的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe抬升外基區(qū)層。
所述介質(zhì)層是指半導(dǎo)體集成電路工藝中常用的絕緣介質(zhì)層氧化硅或氮化硅。 從上述器件結(jié)構(gòu)及其工藝實現(xiàn)方法可見，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1. 抬升外基區(qū)與基區(qū)在發(fā)射區(qū)窗口以外相互連接形成器件的基極，因為抬升 外基區(qū)層可以較厚并重?fù)诫s，而且在發(fā)射區(qū)窗口以外與預(yù)先形成的單晶或多晶基 區(qū)大面積相連，尤其是抬升外基區(qū)是通過發(fā)射區(qū)窗口介質(zhì)內(nèi)側(cè)墻與發(fā)射區(qū)分隔開 的，因而二者的間距并不受限于光刻的套準(zhǔn)間距，而是取決于發(fā)射區(qū)窗口介質(zhì)內(nèi) 側(cè)墻的寬度(可遠(yuǎn)小于光刻套準(zhǔn)間距)，即實現(xiàn)了抬升外基區(qū)和發(fā)射區(qū)相對位置 的自對準(zhǔn)，從而既有利于減小基極電阻，又保證了抬升外基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間相對 位置的對稱性，與常規(guī)非自對準(zhǔn)雙極晶體管或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管相比，可有效提 高器件的速度、頻率及噪聲性能。
2. 除了具備選擇性外延功能的Si或SiGe外延生長設(shè)備及其相關(guān)工藝以外， 本發(fā)明只需要常用的半導(dǎo)體集成電路加工設(shè)備及常規(guī)工藝，且制備工藝簡單，有 利于降低工藝復(fù)雜性及制造成本。
3. 與EP818829-A、 JP6291133-A、 EP911883-A等專利通過選擇性外延生長器
件基區(qū)的方案相比，本發(fā)明由于只是利用選擇性外延生長或淀積抬升外基區(qū)，所 以可降低器件性能對選擇性外延質(zhì)量的依賴度和敏感度，因而能夠有效地簡化工藝控制，減少工藝控制成本。


圖1 圖14為本發(fā)明提出的選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極晶體管或異 質(zhì)結(jié)雙極晶體管的具體制備方案的工藝流程截面圖。
具體實施例方式
作為一個實施方案的實例，本發(fā)明提出的選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙 極晶體管或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的具體制備工藝步驟如下-
1. 由半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的或位于半導(dǎo)體襯底表面的、第一導(dǎo)電類型的Si集電
區(qū)12(如圖1所示)。為了減小基區(qū)與集電區(qū)之間的電容C^，可通過挖淺槽再填
充介質(zhì)材料的辦法或局部氧化的方法在集電區(qū)表面形成局部介質(zhì)區(qū)14。局部介質(zhì) 區(qū)14一般為氧化硅，但并不限于此。
2. 通過外延生長和原位摻雜的方法形成相反的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe基 區(qū)，即在Si集電區(qū)12上面得到單晶第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe基區(qū)16，在局部 介質(zhì)區(qū)14上面得到多晶第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe基區(qū)18，當(dāng)然本發(fā)明也適用 于在集電區(qū)12上不形成局部介質(zhì)區(qū)14的情況。在這種情況下，圖1中的14就 等同于12， 18等同于16。
3. 如圖2所示，依次淀積10nm-50nm氧化硅層20、 lOOnm-200nm氮化硅犧牲 層22和200nm-300nm氧化硅層24。
4. 如圖3所示，通過一步光刻，并利用各向異性刻蝕的方法，先后刻掉氧化 硅層24和氮化硅犧牲層22，利用刻蝕氮化硅和刻蝕氧化硅之間較大的刻蝕(速 率)比，可使刻蝕可靠地停止在氧化硅層20上面，從而形成發(fā)射區(qū)窗口26。為 保證發(fā)射區(qū)窗口下對應(yīng)的基區(qū)為單晶材料，發(fā)射區(qū)窗口 26的邊緣距離介質(zhì)區(qū)14 邊緣的橫向間距應(yīng)不小于光刻允許的最小套準(zhǔn)間距。
5. 通過先淀積lOOnm-300nm氧化硅層、再利用各向異性刻蝕的方法回刻，在 發(fā)射區(qū)窗口 26的內(nèi)側(cè)壁上形成氧化硅內(nèi)側(cè)墻，如圖4中的28所示。
6. 利用濕法腐蝕的方法，例如利用氫氟酸HF，去除氧化硅內(nèi)側(cè)墻包圍的發(fā)射
區(qū)窗口底部的氧化層20，從而使下面的單晶基區(qū)16暴露出來。在此過程中，發(fā) 射區(qū)窗口以外的氧化層24和發(fā)射區(qū)窗口氧化硅內(nèi)側(cè)墻28也會被腐蝕掉相應(yīng)的厚 度。但只要在前面的工藝中保證24和28的厚度遠(yuǎn)大于20的厚度，在這步腐蝕 完成之后，24和28就仍然能夠保持足夠的厚度用于隔離器件的發(fā)射極與抬升外 基區(qū)。緊接著，淀積或外延生長200nm-400nm的多晶或單晶Si層30，作為器件 的發(fā)射區(qū)材料，如圖5所示。層30要求為第一導(dǎo)電類型的重?fù)诫s材料，其雜質(zhì) 摻雜既可在淀積過程中通過原位摻雜的方式，也可在淀積之后利用大劑量離子注 入的方法來完成。
7. 在層30上淀積150nm-200nm的氧化硅覆蓋層32，如圖6所示。
8. 如圖7所示，再利用一步光刻和各向異性刻蝕先后刻掉氧化硅覆蓋層32、 多晶或單晶Si層30和氧化硅層24，并利用刻蝕氧化硅的工藝對于氮化硅刻蝕的 選擇性，使刻蝕停止在氮化硅犧牲層22上面。經(jīng)過這步刻蝕，層30的剩余部分 就成為器件的發(fā)射極電極，它與刻蝕剩下的層24和覆蓋氧化層32 —起構(gòu)成的島 狀結(jié)構(gòu)不妨稱之為發(fā)射極島。
9. 通過先淀積lOOnm-300nm氧化硅層、再利用各向異性刻蝕的方法回刻， 在發(fā)射極島的四周形成氧化硅外側(cè)墻34，參見圖8。
10. 利用濕法腐蝕的方法，如利用熱磷酸作為腐蝕液，選擇性地腐蝕掉氮化 硅犧牲層22。這里采用濕法腐蝕的原因，就是利用腐蝕液的流動性以及濕法腐蝕 氮化硅與腐蝕氧化硅的選擇性，在隔離氧化層20和24、氧化層內(nèi)側(cè)墻28和氧化 層外側(cè)墻34以及發(fā)射極上面的氧化硅覆蓋層32的保護下，將氮化硅犧牲層22 暴露在外面的部分以及隱蔽在氧化硅外側(cè)墻34和氧化硅層24下面的部分一起腐 蝕干凈，如圖9所示。
11.如圖10所示，利用濕法腐蝕的辦法，例如利用氫氟酸HF作為腐蝕液， 將發(fā)射區(qū)窗口以外、覆蓋在單晶基區(qū)16和多晶基區(qū)18上面的氧化硅層20腐蝕 干凈，而氧化硅層20在氧化硅內(nèi)側(cè)墻28下面的部分得以保留。在此過程中，凡 是暴露在濕法腐蝕液中的氧化硅層，包括氧化硅覆蓋層32、氧化硅外側(cè)墻34、
氧化硅層24以及發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)側(cè)墻28，也都會被腐蝕掉相應(yīng)的厚度。但只要在 前面的工藝保證24、 28、 32和34的厚度遠(yuǎn)大于20的厚度，在這步腐蝕完成之 后，這些氧化硅層就仍然能夠保持足夠的厚度用于隔離器件的發(fā)射極與抬升外基 區(qū)。
12. 利用選擇性外延工藝在發(fā)射區(qū)窗口以外的單晶基區(qū)16和多晶基區(qū)18上 面分別生長和淀積第二導(dǎo)電類型的單晶Si或SiGe抬升外基區(qū)層36和多晶Si或 SiGe抬升外基區(qū)層38。在選擇性外延過程中，層36和層38都通過原位重?fù)诫s 并相互連接、并與單晶基區(qū)16和多晶基區(qū)18相連接成為器件的基極電極，如圖 ll所示。
13. 利用濕法腐蝕的辦法，例如利用氫氟酸HF作為腐蝕液，腐蝕掉氧化硅覆 蓋層32和氧化硅外側(cè)墻34。然后再通過先淀積100nm-300nm氧化硅層、再利用 各向異性刻蝕的方法回刻，在發(fā)射極島的四周形成新的氧化硅外側(cè)墻40，如圖 12所示?？梢?，氧化硅外側(cè)墻40、氧化硅層24、發(fā)射區(qū)窗口氧化硅內(nèi)側(cè)墻28 及其下面保留的部分氧化硅層20起到了隔離發(fā)射極30和抬升外基區(qū)36和38的 作用，而器件的重?fù)诫s發(fā)射極30和單晶基區(qū)16的交界面邊緣與重?fù)诫s抬升外基 區(qū)36的間距不受限于光刻的套準(zhǔn)間距，而是取決于發(fā)射區(qū)窗口氧化硅內(nèi)側(cè)墻28 的寬度(可遠(yuǎn)小于光刻套準(zhǔn)間距)，即實現(xiàn)了抬升外基區(qū)和發(fā)射區(qū)的自對準(zhǔn)。
14. 下面可采用常規(guī)工藝，包括通過形成自對準(zhǔn)硅化物，完成器件制備的前 端工藝。如圖13中的42和44分別代表在發(fā)射極30和抬升外基區(qū)38上面形成 的鈦硅化物、鈷硅化物或鎳硅化物，而氧化硅外側(cè)墻40在這里起到了自對準(zhǔn)隔 離42和44的作用。再后來，如圖14所示，可采用常規(guī)的后端工藝，包括介質(zhì) 層46的淀積，光刻、刻蝕接觸孔以及金屬化(48和50分別為發(fā)射極和基極引出 電極連線)等等，最終完成器件制備的工藝流程。
注意考慮到本發(fā)明對集電極引出方式?jīng)]有任何限制，因此在以上具體實施 方案工藝流程圖中均未顯示集電區(qū)的引出電極。實際上，如果整個襯底都是集電 區(qū)的話，集電極可從重?fù)诫s的襯底背面引出；如果集電區(qū)只是位于相反導(dǎo)電類型
襯底的表面，.則集電極可利用通常的重?fù)诫s埋層及集電極Sinker等結(jié)構(gòu)和工藝， 最終利用金屬連線從正面引出。
權(quán)利要求
1.一種選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的結(jié)構(gòu)，其特征在于，在半導(dǎo)體襯底或位于半導(dǎo)體襯底表面形成第一導(dǎo)電類型的Si集電區(qū)，位于集電區(qū)上面、相反的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe基區(qū)，在基區(qū)上面形成的發(fā)射區(qū)窗口及其內(nèi)側(cè)的介質(zhì)內(nèi)側(cè)墻，位于基區(qū)上面、至少部分位于發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)側(cè)墻之間的第一導(dǎo)電類型的多晶或單晶Si發(fā)射區(qū)，和位于基區(qū)上面、發(fā)射區(qū)窗口外面、圍繞發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)側(cè)墻并與基區(qū)大面積相連的、相反的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe抬升外基區(qū)。
2. —種選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的制備方 法，基于常用的半導(dǎo)體集成電路加工設(shè)備及常規(guī)工藝，其特征在于，其主要包括 以下工藝步驟1) 在由半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的或位于半導(dǎo)體襯底表面的、第--導(dǎo)電類型的Si集 電區(qū)上面通過外延生長的方法形成相反的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe基區(qū)；2) 在基區(qū)上面淀積若干層介質(zhì)層、并通過光刻的手段刻出發(fā)射區(qū)窗口，接 著在發(fā)射區(qū)窗口的內(nèi)側(cè)形成介質(zhì)側(cè)墻；3) 在腐蝕掉發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)、介質(zhì)內(nèi)側(cè)墻包圍的發(fā)射區(qū)窗口底部的介質(zhì)層之 后，在露出的基區(qū)上面淀積或外延生長并形成第一導(dǎo)電類型的多晶或單晶Si發(fā) 射區(qū)材料，然后利用光刻方法形成器件的發(fā)射極；4) 利用選擇性腐蝕的方法去除位于基區(qū)上面、發(fā)射區(qū)窗口外、圍繞介質(zhì)內(nèi) 側(cè)墻的犧牲介質(zhì)層，再通過選擇性外延工藝在露出的基區(qū)上面、發(fā)射區(qū)窗口外、 圍繞發(fā)射區(qū)窗口內(nèi)側(cè)墻生長相反的第二導(dǎo)電類型的Si或SiGe抬升外基區(qū)層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體 管的制備方法，其特征在于，所述抬升外基區(qū)是利用選擇性外延工藝形成的，且 用于容納選擇性外延工藝生長或淀積的抬升外基區(qū)的空間是通過選擇性腐蝕預(yù) 先光刻、刻蝕成形的氮化硅犧牲層提供的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體 管的制備方法，其特征在于，所述選擇性腐蝕預(yù)先光刻、刻蝕成形的氮化硅犧牲層是在將被腐蝕氮化硅層與基區(qū)和將被腐蝕氮化硅層與發(fā)射極材料隔離開的氧 化硅隔離層、氧化硅內(nèi)、外側(cè)墻以及發(fā)射極上面的氧化硅覆蓋層的保護下進行的; 從而提供容納選擇性外延工藝生長或淀積的抬升外基區(qū)的空間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的制備方法，其特征在于，所述選擇性腐蝕預(yù)先光刻、刻蝕成形的氮化硅犧 牲層采用熱磷酸濕法腐蝕工藝。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶 體管的制備方法，其特征在于，所述介質(zhì)層是指半導(dǎo)體集成電路工藝中常用的絕 緣介質(zhì)層氧化硅或氮化硅。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述選擇性外延自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶 體管的制備方法，其特征在于，所述抬升外基區(qū)是利用選擇性外延工藝形成的單 晶或單晶和多晶復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于半導(dǎo)體器件制備技術(shù)領(lǐng)域一種自對準(zhǔn)抬升外基區(qū)雙極或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管及其制備方法。首先在基區(qū)上面淀積多層介質(zhì)層，接著通過刻蝕形成發(fā)射區(qū)窗口，然后在窗口內(nèi)形成介質(zhì)內(nèi)側(cè)墻。接下來在淀積或生長并刻蝕形成發(fā)射極材料的基礎(chǔ)上，對上述多層介質(zhì)層進行選擇性腐蝕，并在選擇性腐蝕介質(zhì)犧牲層后騰出的位置內(nèi)利用選擇性外延的方法形成抬升外基區(qū)，且通過發(fā)射區(qū)窗口介質(zhì)內(nèi)側(cè)墻的隔離作用實現(xiàn)抬升外基區(qū)與發(fā)射區(qū)位置的自對準(zhǔn)，從而有效地減少了器件的基極電阻，進而可改善器件的速度、頻率以及噪聲性能。
文檔編號H01L29/10GK101359682SQ20081022224
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者軍 付, 陽 徐, 王玉東, 志 蔣, 平 許, 錢佩信 申請人:清華大學(xué)