异质结双极晶体管及其形成方法

文档序号:6890854
专利名称:异质结双极晶体管及其形成方法
技术领域
本发明涉及为半导体器件制作的接触部,具体地说涉及为异质结双极晶体管(HBT)的基极制作的、具有亚光刻尺寸的金属半导体合 金(例如硅化物或锗化物)接触部。本发明还涉及为HBT基极制作 亚光刻接触部的方法。
背景技术
非本征基极-集电极电容(Cbex)的减小提高了异质结双极晶体管 (HBT)的速度。ft (截止频率)和fmax (最大振荡频率)都取决于 Cbcx。在传统的HBT中,形成基极接触部需要非本征基极-集电极结 的较大面积。此外,非本征基极的金属接触部(例如通孔(via))不是 与发射极自对准的,而是通过光刻来限定的。这进一步增加了非本征 基极的面积,因为布图设计规则必须允许重合误差。因此,期望制作这样一种HBT,其具有与发射极自对准的基极, 而且具有小的(优选亚光刻;小于100nm)非本征基极区域,金属接 触部也与该区域自对准。非本征基极电阻还可以通过加厚非本征基极 以及将非本征基极的顶部转化为诸如硅化物的金属半导体合金来最 小化。鉴于上述内容,需要提供具有小基极-集电极电容和低非本征基 极电阻的HBT。本发明提供了具有亚光刻非本征基极的HBT,该非 本征基极由与发射极相邻的侧壁间隔件的印迹来限定。因此,非本征 基极的制作是与发射极自对准的。为了降低基极电阻,基极的非本征 部分首先通过选择性外延生长来加厚,然后将非本征基极的顶部转化 为金属半导体合金。非本征基极的金属接触部也作为硅化过程的 一部 分制作,而且与非本征基极自对准。发明内容本发明提供一种具有自对准的亚光刻非本征基极的HBT,其中 为该非本征基极制作了自对准的金属半导体合金和金属接触部。本发明的结构和方法提供了优于现有技术的若干优点。首先,本 发明将非本征基极和集电极之间的电容的寄生分量最小化,并且降低 了基极非本征电阻。其次,本发明提供了用于在非本征基极和发射极 上方形成金属半导体合金区域的自对准金属半导体合金(例如自对准 多晶硅化物)工艺,这避免了光刻。第三,本发明的方法在还是不使在本发明的第一方面,公开了一种诸如HBT的半导体结构,从 顶到底包括通过浅沟槽隔离氧化物隔离的发射极、基极、集电极。基 极具有通过先前形成在发射极的侧壁上的可用后去除(disposable)的 间隔件限定的非本征部分。非本征基极还通过外延生长加厚,而且其 上表面转化为金属半导体合金,优选转化为硅化物,该合金连接到在 浅沟槽隔离氧化物上方延伸的导线。在本发明的第二方面,公开了 一种用于制作具有自对准的亚光刻 非本征基极的HBT的方法,为该非本征基极制作了自对准的金属半 导体合金和自对准的金属接触部。所公开的HBT包括具有通过镶嵌 (damascene)工艺形成的薄侧壁间隔件(例如Si02)和厚的可用后去 除的间隔件(Si3N4)的发射极。非本征基极-集电极结区域通过形成 在发射极的薄Si02侧壁上的可用后去除的间隔件来限定。非本征基极 -集电极结的未被可用后去除的间隔件保护的部分通过活性离子蚀刻 (RIE)而被蚀刻,并在之后由氧化物代替。均厚沉积(blanket deposit) 的氧化物被化学机械抛光(CMP)抛光到发射极的高度(level),并且 还可以进一步凹进一定量。对可用后去除的间隔件进行蚀刻以暴露非 本征基极。接着,使用选择性半导体外延生长来加厚非本征基极。沉积均厚金属膜,然后通过限定器件周围的浅沟槽隔离(STI)的掩模来构图。形成金属半导体合金,例如硅化物。然后通过第二氧化物沉积和CMP 使该结构平坦化,使得发射极的顶部被暴露。在发射极的Si02侧壁上 方的未反应金属的顶部也被暴露。然后从发射极的侧壁(相对于金属 半导体合金)选择性地蚀刻未反应的金属。防止埋置在氧化物下方的 未反应金属被该蚀刻过程蚀刻,并保持其与凸起的基极区域上方的金 属半导体合金接触。然后通过通往所埋置的金属的通孔形成与基极接触的接触部。在本发明的另一实施例中,为了避免基极在线后端(BEOL, back-end of the Iine)处理过程中基极的进一步金属半导体形成,如硅 化作用,去除保护未反应金属的电介质,而且将该金属转化为半导体 合金。本发明的该方面是按照自对准的方式通过以下加工步骤执行的 沉积均厚半导体层如硅层,通过退火和将埋置的导电金属与沉积的半 导体层反应而将埋置的导体金属转化为金属半导体合金如硅化物,最 后使用蚀刻来去除任何未反应的半导体(例如湿四甲基氢氧化胺 (TMAH)蚀刻)。通过氧化物沉积和CMP来〗吏该结构平坦化。4吏 用通往在该氧化物上方延伸的金属半导体合金的通孔形成到基极的 接触部。要注意,优选的金属半导体合金包括硅化物或锗化物,硅化物最优选。


图1-13是示出本发明制作包括自对准硅化物和金属接触部的、 具有自对准亚光刻非本征基极的HBT的基本加工步骤的图示(通过 截面视图)。图14-19是示出结合图1-13示出的基本加工步骤可以可选地用 在本发明中的其它加工步骤的图示(通过截面视图)。现在通过引用下面的讨论,更为详细地描述提供具有自对准亚光刻非本征基极的HBT以及制作该HBT的方法的本发明。在该讨论中, 参考示出本发明的实施例的各个图。由于本发明的实施例的图是为了 图解目的而提供的,因此其中包含的结构不是按比例绘制的。在下面的描述中,提出了很多的具体细节,例如特定结构、部件、 材料、尺寸、加工步骤和技术,以提供对本发明的全面理解。但是本 领域的技术人员应当理解,本发明可以用可行的可替换过程选项来实 现而不需要这些具体的细节。在其它实例中,为了避免使本发明模糊, 没有详细描述公知的结构或加工步骤。应当理解,如果将作为层、区域或衬底的元件称为"在另一个元 件上"或"在另一个元件上方",则该元件可以直接位于该另一个元件 上,或者还可以存在中间元件。相反,如果将元件称为"直接在另一 个元件上"或"直接在另一个元件上方",则不存在中间元件。还应当 理解,如果将元件称为"在另一个元件下方"或"在另一个元件之下", 则该元件可以直接位于该另一个元件下方或之下,或者还可以存在中 间元件。相反,如果将元件称为"直接在另一个元件下方"或"直接在 另一个元件之下",则不存在中间元件。如上所述,提供一种诸如HBT的半导体结构,其从顶至底包括 通过浅沟槽隔离氧化物隔离的发射极、基极和集电极。基极具有通过 先前形成在发射极侧壁上的可用后去除的间隔件限定的非本征部分。 非本征基极还通过外延生长加厚,而且其上表面转化为金属半导体合金,优选转化为硅化物,该合金连接到在浅沟槽隔离氧化物上方延伸 的导线(例如金属)。制作上述半导体结构的本发明的基本方法例如在图1-13中示出。 参考图1,起始的半导体衬底包括半导体晶片例如硅101、通过浅沟 槽隔离(STI)氧化物102隔开的集电极区域(C) 100、由在集电极 区域100上方形成的由单晶半导体膜区域103和在STI氧化物102上方形成的多晶半导体膜103A组成的基极(B)、在基极上方使用镶嵌 工艺形成的发射极(E) 104。在本发明的高度优选的实施例中,晶片 101包括块体硅,半导体膜103和103A包括SiGe。HBT基极(B )通常通过非选择性半导体外延生长而形成。在本 发明的一个实施例中,采用非选择性SiGe外延生长。在单晶半导体 集电极区域100上方形成基极层作为单晶半导体膜103,该集电极区 域100用作半导体外延生长的模板。要注意,单晶半导体膜103的一 部分用作本发明结构的非本征基极。在STI氧化物102上方,基极层 作为多晶半导体103A沉积,因为该氧化物是非晶的,并且不会提供 用于外延生长的模板。HBT发射极(E ) 104通常通过将多晶Si沉积 在氧化物105中形成的沟槽内来形成。通过CMP除去沉积在氧化物 105上方的过量的多晶Si。该镶嵌工艺的细节可以在2006年7月26 日提交的美国申请11/460,013(代理人案巻号FIS920050312US1)中找 到,在此通过引用将其公开内容全部合并于此。参考图2,通过传统的蚀刻而使发射极104凹进,通过诸如化学 汽相沉积的传统技术在凹进的发射极104上方沉积氮化硅盖层106。 此后,选择性地蚀刻氧化物105,以暴露发射极(E)的侧壁和基极 (B)。参考图3,在发射极的每一侧上形成薄Si()2间隔件107。均 厚沉积和蚀刻SbN4层以形成Si3N4间隔件108,如图4所示。在用于 形成间隔件108的蚀刻过程中,也对盖层106进行蚀刻以形成发射极 盖层106,。之后,间隔件108印迹的宽度W将限定非本征基极的横向尺寸。 如图5所示,使用活性离子蚀刻(RIE)来从未被间隔件108或发射 极104掩蔽的区域蚀刻半导体膜103和103A。选择RIE化学(chemistry〕 以主要蚀刻硅或SiGe,并且对电介质如二氧化珪(Si02)和氮化硅 (Si3N4)有选择性。举例来说,具有HBr化学的RIE可以具有大于 1:100的典型蚀刻选择性(即,氧化物蚀刻比硅蚀刻慢100倍)。蚀 刻还去除一些集电极(C)材料。类似的集电极材料去除过程的细节 可以在美国申请序列号No. 6,864,560中找到。蚀刻进入集电极中的量不是关键性的。要注意,在图5中,附图标记109表示通过本发明的 该步骤产生的蚀刻区域。参考图6,均厚沉积氧化物或其它类似的绝缘体110,并且执行 化学机械抛光(CMP )来使表面平坦化。将绝缘体110向下抛光到发 射极盖层106,的高度。然后使绝缘体110进一步下凹到发射极盖层 106,线以下,但是保持在STI102线以上。参考图7,选择性地去除氮化硅间隔件108以暴露半导体膜103 的顶表面。注意,在去除间隔件108的过程中,也将发射极盖层106' 从该结构中去除。先前被间隔件108占据的被蚀刻区域在图7中由附 图标记lll表示。由于半导体膜103 (也形成非本征基极103e)通常 做得很薄(大约30nm或更低)以实现HBT中的高增益,形成非本 征基极103e的暴露的半导体膜103必须在形成诸如硅化物的金属半 导体合金之前加厚。半导体膜103的暴露部分通过选择性半导体如Si 或SiGe外延生长来加厚(即附加的半导体112仅沉积在暴露的半导 体表面上方,而没有沉积在电介质表面上方),如图8所示。由于发 射极104也被暴露,因此在发射极104的顶上也形成附加的半导体 112,。半导体112可以是原位(in-situ)掺杂的(即,掺杂剂原子在外延 生长过程中添加到半导体晶格中)。但是原则上,还可以使用离子注 入来对半导体112掺杂,可能需要发射极遮盖来阻挡掺杂剂对发射极 104掺杂。也可以采用其它方法来对半导体112掺杂。例如,可以之 后在该过程中选择性地对半导体112掺杂,或者可以在发射极顶部形 成阻挡掩模,然后可以采用原位掺杂沉积工艺来选择性地形成半导 体。参考图9,金属膜113如Ti、 Co、 Ni、 Pt、 W或其合金均厚沉 积在该结构上。用稍大于用于限定集电极的掩模(浅沟槽隔离掩模) 的掩模(未示出)来对金属113构图。参考图10,通过使金属113与半导体表面112以及发射极104 的顶表面反应而形成诸如硅化物或锗化物的金属半导体合金115。金属113的不与半导体表面接触的部分,例如在Si02间隔件107上方和 在绝缘体110上方的部分不转化为金属半导体合金。金属与半导体表 面的反应典型地通过快速热退火(RTA)进行。选择金属层113的厚 度以使得发射极上方的所有添加的半导体112,与一些顶部发射极材 料104反应以形成金属半导体合金115。这避免了在发射极(E)上 方形成p-n结,因为发射极(E) 104具有不同于基极(B) 103的掺 杂剂极性。参考图11,诸如氧化物或氮化物的绝缘体116均厚沉积在该结 构上。通过CMP抛光该结构,使得发射极(E)顶上的金属半导体 合金115被暴露。覆盖Si02间隔件107的金属113的顶部边缘也被暴 露。还可以在使金属113与半导体表面反应之前沉积绝缘体116,然 后在由电介质116覆盖金属113的情况下执行RTA步骤。参考图12,相对于金属半导体合金115和绝缘体选择性地蚀刻 SiO2间隔件107上的未反应金属113。在图12中,附图标记117表示 在去除未反应金属113之后产生的间隙。举例来说,对于诸如Ni硅 化物(NiSi)和Co硅化物(CoSi2)的金属半导体合金,用于去除未 反应金属的普通蚀刻化学是在65。C下10:1的11202:112804蚀刻10分 钟。绝缘体110上的未反应金属113未被蚀刻,因为它被绝缘体116 保护。参考图13,诸如氧化物或氮化物的绝缘体118均厚沉积在该结 构上。绝缘体118还填充通过蚀刻金属113留下的间隙117。用CMP 对使结构平坦化。通过光刻和RIE限定通向埋置导电延伸部113、发 射极和集电极(未示出)的接触通孔,并填充金属119。为了避免基极在要求提高的温度(大约400°C )的线后端工艺中 进一步的金属半导体合金形成(例如硅化),将未反应的金属113转 化为金属半导体合金。现在,通过参考下面的讨论以及图14-19,详 细描述本发明的这一方面。本发明的这一方面从首先提供如图10所示的结构开始。然后, 膜216均厚沉积在村底上,从而提供例如在图14中所示的结构。沉积之后,对膜216抛光以暴露发射极的顶部,包括覆盖在Si()2间隔件 107上的金属113的边缘。膜216的目的是掩蔽金属113的覆盖在绝 缘体110上的那部分,而金属113的覆盖在Si02间隔件107上的那部 分被蚀刻从而形成被蚀刻的区域117,(图15)。膜216还可以由诸如 聚酰亚胺或甚至光致抗蚀剂的材料构成。这些材料通过旋涂而沉积, 并趋向于自平坦化(即表面拓朴结构被该膜去掉(wash out))。不使 用CMP来进行平坦化,而是可以蚀刻这些材料直到发射极的上表面 被暴露为止。可以使用的典型的蚀刻技术包括氧等离子体和活性离子 蚀刻。如上所述以及在图15中示出的,相对于金属半导体合金115和 形成蚀刻区域117,的绝缘体选择性地蚀刻SK)2间隔件107上的未反 应金属113。蚀刻化学的细节在上面参考图12时已描述过。下面如图16所示,剥去膜216以暴露金属113。硅(或其它类 似的半导体)的均厚膜218沉积在该结构上。硅(或其它类似的半导 体)膜218与金属113反应,以形成硅化物(或其它金属半导体合金) 219,如图17所示。硅化物(或其它金属半导体合金)219的形成是 通过类似于用于形成金属半导体合金115的快速热退火来执行的。硅 化物(或其它金属半导体合金)219只在存在金属113的地方形成。 在未被金属113覆盖的区域中,硅(或其它类似的半导体)膜218不 反应。通过选择性蚀刻去除未反应的半导体材料,例如硅。举例来说, 可以使用四甲基氩氧化胺(TMAH)来蚀刻未反应的硅,而很少蚀刻 Si02、 Si3N4和大多数硅化物。本发明的其余加工步骤在图18和19中示出。具体地说,电介质 膜220均厚沉积在该结构上并被平坦化。第二电介质膜221沉积在被 平坦化的电介质膜220上,并且形成到基极、发射极和集电极(未示 出)的通孔。该通孔被填充诸如W、 Cu、 Al或CuAl的金属222,以 形成到该器件的接触部。虽然具体示出本发明并参考优选实施例描述了本发明,但是本领 域的技术人员应当理解,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以在形式和细节上改变上述和其它方面。因此,期望本发明不限于所 描述和图示的确切形式和细节,而是落入所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种异质结双极晶体管(HBT),包括从顶到底包括发射极、基极、集电极的叠层;与所述基极相邻的非本征基极,其中所述非本征基极的横向尺寸由牺牲间隔件的印迹限定;所述非本征基极上方的金属半导体合金区域;以及连接到所述金属半导体合金区域的边缘的埋置导线。
2. 根据权利要求1的HBT,其中所述金属半导体合金是NiSi、 CoSi2、 PtSi2中的一种。
3. 根据权利要求1的HBT,还包括位于所述非本征基极的顶上 的半导体外延层。
4. 根据权利要求1的HBT,其中所述基极包括SiGe,所述非 本征基极包括SiGe。
5. 根据权利要求3的HBT,其中所述半导体外延层包括外延 SiGe。
6. 根据权利要求1的HBT,其中所述埋置导线包括Ti、 Co、 Ni、 Pt、 W或金属半导体合金中的一种。
7. 根据权利要求1的HBT,还包括与所述集电极相邻的浅沟槽 隔离区,所述埋置导线位于所述浅沟槽隔离区上方。
8. —种异质结双极晶体管(HBT),包括 从顶到底包括发射极、基极、集电极的叠层; 与所述基极相邻的非本征基极,其中所述非本征基极的横向尺寸由牺牲间隔件的印迹限定;所述非本征基极上方的硅化物区域;以及 连接到所述硅化物区域的边缘的埋置硅化物线。
9. 根据权利要求8的HBT,其中所述硅化物区域是NiSi、CoSi2、 PtSiz中的一种。
10. 根据权利要求8的HBT,其中所述埋置硅化物线是NiSi、CoSi2、 PtSh中的一种。
11. 根据权利要求8的HBT,还包括位于所述非本征基极的顶 上的半导体外延层。
12. 根据权利要求8的HBT,其中所述基极包括SiGe,所述非 本征基极包括SiGe。
13. 根据权利要求11的HBT,其中所述半导体外延层包括外延SiGe。
14. 根据权利要求8的HBT,还包括与所述集电极相邻的浅沟 槽隔离区,所述埋置硅化物线位于所述浅沟槽隔离区上方。
15. —种形成异质结双极晶体管(HBT)的方法,包括 形成由浅沟槽隔离(STI)氧化物隔离的集电极区域; 在集电极和所述STI氧化物上方形成基极层,其中该基极层在集电极上方是单晶体,而在STI氧化物上方是多晶体;在所述基极层上方形成发射极,其中所述发射极被完全包围在所述集电极区域中;在所述发射极侧壁上形成氧化物侧壁间隔件; 形成与所迷发射极相邻的牺牲侧壁间隔件; 通过蚀刻所迷基极层的未掩蔽区域来限定非本征基极区域; 形成平坦化的第一电介质;使所述第一电介质下凹到所述发射极的上表面之下; 去除所述牺牲侧壁间隔件以暴露所述非本征基极区域的上表面; 沉积金属,并使所述金属反应以形成金属半导体合金; 在所述金属和所述金属半导体合金上沉积第二电介质,并通过化 学机械抛光使第二电介质平坦化;以及选择性地蚀刻所述氧化物侧壁间隔件上的所述金属。
16. 根据权利要求15的方法,还包括形成到被第二电介质覆盖 的所述金属的通孔。
17. 根据权利要求15的方法,还包括通过选择性外延生长来加 厚所述非本征基极区域。
18. 根据权利要求15的方法,包括去除所述第二电介质以暴露 所述金属,并将所述暴露的金属转化为金属半导体合金。
19. 根据权利要求15的方法,其中被所述第二电介质覆盖的所 述金属包括Ti、 Co、 Ni、 Pt和W中的一种。
20. 根据权利要求16的方法,其中所述选择性外延生长包括生 长SiGe。
全文摘要
公开了一种具有自对准的亚光刻非本征基极区域的异质结双极晶体管结构,包括为该基极制作的自对准的金属半导体合金和自对准的金属接触部。非本征基极区域的横向尺寸由牺牲间隔件的印迹限定,其厚度通过选择性外延生长来控制。采用与传统的硅加工兼容的方法为非本征基极制作了自对准的半导体金属合金和自对准的金属接触部。
文档编号H01L29/737GK101221982SQ200810002829
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月9日 优先权日2007年1月10日
发明者弗朗索瓦·帕杰蒂, 盖伊·M.·科恩 申请人:国际商业机器公司
再多了解一些
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1