异质结双极型晶体管（HBT）中的掺杂剂分布控制的制作方法

异质结双极型晶体管（hbt）中的掺杂剂分布控制
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002]
本技术要求2021年9月20日提交的美国临时专利申请序列号63/246,066 的优先权和利益，该申请由此通过引用以其整体并入本文。


背景技术：

[0003]
异质结双极型晶体管(hbt)通常是针对发射极区和基极区实现不同半导体材料的双极结晶体管(bjt)。具有与基极区的材料不同的材料的发射极区在hbt中产生异质结。hbt可具有高工作频率并且因此可在高频电路中实现，诸如射频(rf)应用。


技术实现要素：

[0004]
本文描述的示例是一种半导体器件结构，其包括半导体衬底和异质结双极型晶体管。异质结双极型晶体管包括集电极区、基极区和发射极区。基极区设置在集电极区上或上方。发射极区设置在基极区上或上方。基极区设置在半导体衬底上或上方并且包括异质外延子层。异质外延子层掺杂有掺杂剂。掺杂剂的浓度梯度从邻接和上覆异质外延子层的层中的区增加到异质外延子层中的峰值浓度而在区和峰值浓度之间不减少。
[0005]
本文描述的另一个示例是半导体处理的方法。方法包括使基极区的第一子层在集电极区上或上方外延生长，使基极区的第二子层在第一子层上或上方外延生长，以及使基极区的第三子层在第二子层上或上方外延生长。集电极区设置在半导体衬底上或上方。使第二子层外延生长包括通过第一掺杂剂掺杂第二子层。第一子层、第二子层和第三子层中的每个子层是外延生长的，包括半导体物质。第一子层中的半导体物质的浓度大于第二子层中的半导体物质的浓度。第三子层中的半导体物质的浓度大于第二子层中的半导体物质的浓度。
[0006]
本文描述的另一个示例是半导体处理的方法。方法包括在半导体衬底上或上方形成集电极区，在集电极区上或上方形成基极区，以及在基极区上或上方形成发射极区。形成基极区包括在集电极区上或上方形成第一基极子层，在第一基极子层上或上方形成第二基极子层，在第二基极子层上或上方形成第三基极子层，在第三基极子层上或上方形成第四基极子层，在第四基极子层上或上方形成第五基极子层，以及在第五基极子层上或上方形成帽盖子层。集电极区的材料为硅。第一基极子层的材料为硅锗。第二基极子层的材料为硅锗。第二基极子层中的锗浓度大于第一基极子层中的锗浓度。第三基极子层的材料为硅锗。第三基极子层中的锗浓度小于第二基极子层中的锗浓度。使第三基极子层外延生长包括通过磷掺杂第三基极子层。第四基极子层的材料为硅锗。第四基极子层中的锗浓度大于第三基极子层中的锗浓度。第五基极子层的材料为硅锗。第五基极子层中的锗浓度小于第四基极子层中的锗浓度。帽盖子层的材料是硅。
[0007]
上述总结相当广泛地概述了本公开的示例的各种特征以便可更好地理解以下详细描述。此类实施例的附加特征和优点将在下文中描述。所述的示例可容易地用作修改或设计在所附权利要求的范围内的其他示例的基础。
附图说明
[0008]
为了可详细理解上述特征的方式，参考结合附图进行的以下详细描述，其中：
[0009]
图1是根据一些示例的半导体器件结构的截面图。
[0010]
图2是根据一些示例的半导体器件结构的截面图。
[0011]
图3是根据一些示例的基极区的分层结构的截面图。
[0012]
图4和图5是描绘根据一些示例的图3的分层结构内的锗的不同目标浓度分布的图表。
[0013]
图6和图7是分别描绘根据一些示例的图3的分层结构内的磷和碳的目标浓度分布的图表。
[0014]
图8是根据一些示例的形成图3的分层结构的方法的流程图。
[0015]
图9是描绘根据一些示例的图3的分层结构内的锗、磷和碳的浓度梯度的图表。
[0016]
图10是描绘根据一些示例的集电极区、基极区和发射极区内的锗、磷、碳和硼的浓度梯度的图表。
[0017]
图11是根据一些示例的在分层结构内产生的异质外延基极子层的截面图。
[0018]
图12是根据一些示例的形成图3的分层结构的另一种方法的流程图。
[0019]
附图和所附具体描述是为了理解各种示例的特征而提供的，并且不限制所附权利要求的范围。附图中示出并在所附详细描述中描述的示例可容易地用作修改或设计在所附权利要求的范围内的其他示例的基础。在可能的情况下，可使用相同的附图标记来表示在附图中共同的相同元件。这些附图是为了清楚地示出相关元素或特征而绘制的并且不一定是按比例绘制的。
具体实施方式
[0020]
下文将参考附图描述各种特征。所示的示例可能不具有所示的所有方面或优点。结合特定示例描述的方面或优点不一定限于该示例并且可在任何其他示例中实践，即使没有如此示出或如果没有如此明确地描述。此外，本文描述的方法可以操作的特定顺序来描述，但根据其他示例的其他方法可以各种其他顺序(例如，包括各种操作的不同串行或并行性能)通过更多或更少的操作来实现。
[0021]
本公开整体涉及异质结双极型晶体管(hbt)中的掺杂剂分布控制。本文描述了用于制造hbt的半导体处理的方法，以及用于实现hbt的半导体器件结构。本文描述的各种示例可实现特定的材料系统和特定的掺杂剂。例如，一些实施例实现了掺杂有磷(p)或砷(as)以实现hbt的硅(si)发射极区和硅锗(sige)基极子层(下文中，为了简单起见，称为“si/sige系统”)。因此，这些示例实现了p型、n型、p型(pnp)hbt。应当注意，本文所述的方面可更一般地适用于不同的材料系统和不同的掺杂剂。
[0022]
已观察到用于hbt的si/sige系统具有高操作速度。硅锗基极子层中的较高锗浓度可导致较高电流增益，而陡峭锗浓度分布可实现强大的漂移场以提高器件速度。此外，在硅锗基极子层中的具有高浓度的磷掺杂可具有窄宽度而不会导致穿通现象。
[0023]
已经观察到实现用于hbt的掺杂有磷的si/sige系统的处理具有与磷浓度分布相关的挑战。首先，磷的偏析扩散可致使磷从具有较高锗浓度的硅锗层扩散到以下之间的界面：(i)该硅锗层和(ii)硅层或具有较低锗浓度的另一个硅锗层(或子层)。在任何温度下
(即使在低温下)，在处理期间都可能发生磷的偏析扩散。可观察到磷的偏析扩散，尤其是在以大于650℃(诸如在约650℃至约800℃的范围内)的温度的处理之后。
[0024]
接下来，已经观察到在硅锗层的外延生长期间发生磷的表面偏析，该硅锗层在外延生长期间原位掺杂有磷。在硅锗层的外延生长期间的表面偏析可导致磷在硅锗层的上表面上的积累。
[0025]
此外，已经观察到磷在硅锗中具有相对高的扩散迁移率。具体地，在高热应力的时段期间，磷可能相对快速地扩散。在掺杂有磷的硅锗层的沉积之后，可在处理期间出现高热应力的时段。作为示例，在互补双极和互补金属氧化物半导体(cbicmos)应用中，掺杂有磷的硅锗层可经受退火，诸如快速热退火(rta)，其被实现以激活cmos部件中的掺杂剂。由于在cbicmos 设计中的其他器件的协整，在形成hbt的基极后，hbt可引起许多热应力。
[0026]
这些挑战中的任一者，以及在以任何组合发生时的甚至更多挑战，可导致磷的峰值浓度处于硅锗基极子层之外。这可导致pn结位于硅锗基极子层的外部，并且hbt可能无法实现预期异质结的益处。
[0027]
本文描述的各个方面解决了这些挑战。可单独地或与其他方面组合地实现任何方面以解决上述挑战中的一者或多者。通过实现本文所述的方面，可在不同掺杂剂(例如，砷(as))和/或其他材料系统的上下文中解决其他挑战。根据一些实施例，沉积分层结构以形成hbt的基极区。分层结构包括依次外延生长的至少三个子层(例如，第二子层在第一子层上外延生长，并且第三子层在第二子层上外延生长)。物质在分层结构中的扩散可导致在子层之间缺乏清晰分界，并且可导致由分层结构的子层形成更一般的异质外延层或子层。
[0028]
为了解决偏析扩散，实施第一子层、第二子层和第三子层中的每个子层的外延生长以分别实现相应子层的半导体物质的第一浓度、第二浓度和第三浓度(例如，相对于上述挑战的锗)。此外，在第二子层的外延生长期间，第二子层原位掺杂有掺杂剂(例如，相对于上述挑战的磷)，并且在每一者的相应外延生长期间，第一子层和第三子层可能不原位掺杂掺杂剂。在第一子层和第三子层的每个子层中的半导体物质的浓度大于在第二子层中的半导体物质的浓度(例如，俗称为“驼背”分布，其可以是相对于上述挑战的驼背锗分布)。在上述si/sige系统中，在这种分层结构中实现锗的浓度可致使掺杂剂(例如，磷)设置在具有较低锗浓度的子层中，其中该子层与具有较高锗浓度的子层界面接合。因此，这些界面可有助于将掺杂剂限于第二子层并且减小异质外延层外的偏析扩散。
[0029]
为了解决表面偏析，可在等于或小于650℃(或更具体地，等于或小于 600℃)的温度下执行第二子层(其掺杂有掺杂剂)和第三子层的外延生长。更具体地，第二子层和第三子层的外延生长可在570℃的温度下执行。减小外延生长的温度可减小表面偏析的发生。另外，第二子层和第三子层的外延生长可以是使用蚀刻剂气体(例如，盐酸(hcl))的选择性外延生长(seg)。随着蚀刻剂气体流的增加，执行外延生长的温度可高达650℃。增加蚀刻剂气体的流速(例如，与温度无关)可移除掺杂剂在暴露表面上的积累，由此减小掺杂剂在外延生长表面上的积累。
[0030]
为了解决高扩散迁移率，第一子层和第三子层以及可能的第二子层可掺杂有碳，诸如通过在外延生长期间的原位掺杂。碳的存在可减小另一种掺杂剂(诸如磷)的扩散。因此，第一子层和第三子层中的碳可减小掺杂剂从第二子层向外的扩散。
[0031]
这些方面中的任一者单独地或与一个或多个其他方面一起可实现在所得异质外
延层或子层内具有峰值浓度的掺杂剂的浓度分布，并且可降低或完全避免掺杂剂的峰值浓度在异质外延层或子层之外的可能性(该峰值浓度将导致pn结不正确地在异质外延层之外)。另外，相对于si/sige系统，可在硅锗基极子层中实现较高锗浓度，使得hbt可具有增加的操作速度。如上所述，在适用的情况下，上述方面可在任何材料系统和/或任何掺杂剂中实现。
[0032]
图1是根据一些示例的半导体器件结构100的截面图。在该示例中，半导体器件结构100是或包括诸如hbt的双极型晶体管。半导体器件结构100 被一般性地示出以便不模糊本文所述的方面。具体地，在一些情况下，可将多个不同的介电层或结构示出和描述为单层或结构。应当注意，在此类实例中，在一些示例内考虑了此类多个不同的介电层或结构。
[0033]
半导体器件结构100包括半导体衬底102。半导体衬底102可以是体半导体材料、绝缘体上半导体(soi)或任何其他适当的半导体衬底，并且半导体衬底102的半导体材料可以是或包括硅(si)、硅锗(sige)等或其组合。在一些示例中，半导体衬底102是硅衬底，硅衬底可在半导体处理结束时从体硅晶片单片化。
[0034]
隔离区104设置在半导体衬底102中，并且每个隔离区104至少从半导体衬底102的顶部(例如，在其上和/或在其中形成有器件)延伸到半导体衬底102中的某个深度。隔离区104可以是浅沟槽隔离(sti)、深沟槽隔离(dti)、半导体的局部氧化(locos)等。每个隔离区104包括介电材料，诸如氧化物、氮化物等或其组合。一个或多个隔离区104限定半导体衬底102上的有源区，在该有源区上、上方和/或中将形成半导体器件。
[0035]
集电极区106设置在半导体衬底102的有源区上。在所示的示例中，集电极区106是在半导体衬底102的有源区上或上方外延生长的半导体材料。在其他示例中，集电极区106可完全设置在半导体衬底102中(例如，没有形成集电极区106的一部分的外延生长材料)或至少部分地设置在半导体衬底102中。集电极区106的半导体材料是晶体(例如，单晶)，并且可以是或包括硅(si)、硅锗(sige)等或其组合。在一些示例中，集电极区106是或包括通过seg在半导体衬底102的有源区上外延生长的硅。外延生长可导致刻面(facet)被形成为外延生长材料的侧壁表面。刻面的形成可取决于外延生长条件和外延生长材料在其上生长的晶体表面的取向。
[0036]
隔离区108、109设置在集电极区106中和/或限定该集电极区。隔离区 108从集电极区106的与半导体衬底102相对的表面延伸到集电极区106中的某个深度。隔离区109横向地限定集电极区106并且在半导体衬底102中的隔离区104之上。隔离区108、109可以是sti、dti等。隔离区108、109各自包括介电材料，诸如氧化物、氮化物等或其组合。
[0037]
第一介电层110设置在隔离区108、109和集电极区106上方。如上所述，第一介电层110可包括多个介电层，诸如沿着暴露的顶表面和侧壁表面共形地设置的蚀刻停止层(例如，氮化硅(sin)等)和设置在蚀刻停止层上的层间电介质(例如，氧化物等)。第一介电层110可通过任何适当的沉积过程来沉积。第一介电层110具有平坦顶表面(例如，远离半导体衬底102)。第一介电层110的平坦顶表面可通过使用在第一介电层110上执行的平坦化过程 (诸如化学机械抛光(cmp))来实现。开口被设置成通过第一介电层110到集电极区106。可使用光刻过程和蚀刻过程来形成开口。
[0038]
基极区112设置在集电极区106上并且在通过第一介电层110的开口中。如随后所述，基极区112包括在通过第一介电层110的开口中顺序沉积(例如，通过seg)的多个半导体
子层。基极区112的每个子层的半导体材料是晶体(例如，单晶)，并且可以是或包括硅(si)、硅锗(sige)等或其组合。如随后还描述的，在基极区112的层的沉积之后的处理(例如，高温处理，诸如退火)可导致那些层的各种物质的扩散，这可导致层之间的分界模糊或移除。
[0039]
非本征区116设置在基极区112上(例如，在基极区112的顶表面和/或刻面上)以及第一介电层110的顶表面上。非本征区116是用于与基极区112 进行电连接的导电材料。在一些示例中，非本征区116是掺杂半导体材料，诸如掺杂多晶硅或掺杂非晶硅。非本征区116可通过任何适当的沉积过程来沉积并且通过光刻和蚀刻来图案化。开口被设置成通过非本征区116到基极区112。可使用光刻过程和蚀刻过程来形成开口。
[0040]
介电间隔件118沿着开口的侧壁通过非本征区116并在基极区112上设置。介电间隔件118可通过在开口中共形地沉积一个或多个介电层并且蚀刻 (例如，各向异性蚀刻)一个或多个介电层以使得介电间隔件118保持来形成。因此，通向基极区112的开口也被设置成通过介电间隔件118。介电间隔件118可以是或包括任何适当的介电材料，诸如氮化硅(sin)、氧化硅(sio)、其组合等。
[0041]
发射极区120设置在通过介电间隔件118的开口中以及基极区112上。在所示的示例中，发射极区120是在基极区112上外延生长的半导体材料。发射极区120的半导体材料是晶体(例如，单晶)，并且可以是或包括硅(si)、硅锗(sige)等或其组合。在一些示例中，发射极区120是或包括通过seg 在基极区112上并且在通过介电间隔件118的开口中外延生长的硅。
[0042]
填充材料122设置在发射极区120上并且填充通过介电间隔件118的开口。填充材料122可以是导电材料(诸如掺杂半导体材料，如掺杂多晶硅或掺杂非晶硅)或介电材料。填充材料122可使用任何适当的沉积过程来沉积。
[0043]
第二介电层130设置在非本征区116、介电间隔件118、填充材料122和第一介电层110上方。如上所述，第二介电层130可包括多个介电层，诸如沿着暴露的顶表面和侧壁表面共形地设置的蚀刻停止层(例如，氮化硅(sin) 等)和设置在蚀刻停止层上的层间或金属间电介质(例如，氧化物等)。第二介电层130可通过任何适当的沉积过程来沉积。第二介电层130具有平坦顶表面(例如，远离半导体衬底102)。第二介电层130的平坦顶表面可通过在第二介电层130上使用平坦化过程(诸如cmp)来实现。
[0044]
集电极触点132被设置成通过第二介电层130和第一介电层110并且接触集电极区106。可使用光刻和蚀刻过程来形成通过第二介电层130和第一介电层110的开口。然后可在开口中形成集电极触点132。集电极触点132可在集电极触点132和集电极区106之间的界面处包括金属-半导体区(例如，硅化物)。集电极触点132可在开口中共形地包括一个或多个势垒和/或粘附层(例如，氮化钛、氮化钽等或其组合)，并且可包括导电填充材料(例如，金属，诸如钨(w)、铜(cu)、其组合等)。
[0045]
基极触点134被设置成通过第二介电层130并且接触非本征区116。因此，基极触点134电连接到基极区112。可使用光刻和蚀刻过程来形成通过第二介电层130的开口。然后，基极触点134可形成在开口中，类似于集电极触点 132。
[0046]
发射极触点136被设置成通过第二介电层130并且接触发射极区120和/ 或填充材料122。如果填充材料122是导电的，则发射极触点136可在不接触发射极区120的情况下接触填充材料122并且可电连接到发射极区120。可使用光刻和蚀刻过程来形成通过第二介电
层130和/或填充材料122的开口。然后，发射极触点136可形成在开口中，类似于集电极触点132。
[0047]
如上所述，在一些示例中，半导体器件结构100是或包括双极型晶体管 (并且更具体地，hbt)。随后的描述内容描述了用于形成图1所示的基极区 112的过程和材料。在其他示例中，集电极区106、基极区112和发射极区120 可并入到另一个半导体器件结构中。此外，随后的描述内容描述了pnp hbt 结构，尽管在其他示例中，npn hbt结构可使用本文所述的方面来实现。
[0048]
图2是根据一些示例的半导体器件结构200的截面图。在该示例中，半导体器件结构200是或包括诸如hbt的双极型晶体管。与图1中类似，图2 的半导体器件结构200被一般性地示出以便不模糊本文所述的方面。具体地，在一些情况下，可将多个不同的介电层或结构示出和描述为单层或结构。应当注意，在此类实例中，在一些示例内考虑了此类多个不同的介电层或结构。
[0049]
半导体器件结构200包括半导体衬底202，类似于图1中的半导体衬底 102。隔离区204(诸如dti、sti等)设置在半导体衬底202中，并且每个隔离区204至少从半导体衬底202的顶部(例如，在其上和/或在其中形成有器件)延伸到半导体衬底202中的某个深度。隔离区204可类似于图1中的隔离区104。一个或多个隔离区204限定半导体衬底202上的有源区，在该有源区上、上方和/或中将形成半导体器件。
[0050]
集电极区206设置在半导体衬底202的有源区上或上方。在所示的示例中，集电极区206是在半导体衬底202的有源区上或上方外延生长的半导体材料。在其他示例中，集电极区206可完全设置在半导体衬底202中(例如，没有形成集电极区206的一部分的外延生长材料)或至少部分地设置在半导体衬底202中。集电极区206可类似于图1中的集电极区106。
[0051]
隔离区208、210(例如，sti等)设置在集电极区206中和/或限定该集电极区。隔离区208从集电极区206的与半导体衬底202相对的表面延伸到集电极区206中的某个深度。隔离区210横向地限定集电极区206并且在半导体衬底202中的隔离区204之上。隔离区208、210可类似于图1中的隔离区108、109。
[0052]
基极区212设置在集电极区206上或上方，并且至少部分地设置在隔离区208和至少一个隔离区210上或上方。如随后描述的，基极区212包括多个半导体子层，该多个半导体子层顺序地沉积(例如，通过毯式外延生长) 在集电极区206上或上方，并且至少部分地沉积在隔离区208和至少一个隔离区210上或上方。例如，基极区212可通过毯式沉积来外延生长并且使用光刻技术来蚀刻以形成具有图2所示的结构的基极区212。基极区212的每个子层的半导体材料是晶体(例如，单晶)，并且可以是或包括硅(si)、硅锗(sige) 等或其组合。如随后还描述的，在基极区212的层的沉积之后的处理(例如，高温处理，诸如退火)可导致那些层的各种物质的扩散，这可导致层之间的分界模糊或移除。
[0053]
第一介电层214设置在隔离区210上或上方并且至少部分地设置在集电极区206上或上方。如上所述，第一介电层214可包括多个介电层，诸如沿着暴露的顶表面和侧壁表面共形地设置的蚀刻停止层(例如，氮化硅(sin) 等)和设置在蚀刻停止层上的层间电介质(例如，氧化物等)。第一介电层214 可通过任何适当的沉积过程来沉积。第一介电层214和基极区212的相应顶表面基本上共面。例如，可执行诸如cmp的平坦化过程以平坦化第一介电层 214和基极区212。
[0054]
发射极区220设置在基极区212上或上方。在所示的示例中，发射极区 220是在基极区212上外延生长的半导体材料。发射极区220的半导体材料是晶体(例如，单晶)，并且可以是或包括硅(si)、硅锗(sige)等或其组合。在一些示例中，例如，发射极区220是或包括通过毯式外延生长过程在基极区212上外延生长并且使用光刻技术来蚀刻以形成具有图2所示的结构的发射极区220的硅。
[0055]
第二介电层230设置在第一介电层214、基极区212和发射极区220上或上方。如上所述，第二介电层230可包括多个介电层，诸如沿着暴露的顶表面和侧壁表面共形地设置的蚀刻停止层(例如，氮化硅(sin)等)和设置在蚀刻停止层上的层间或金属间电介质(例如，氧化物等)。第二介电层230可通过任何适当的沉积过程来沉积。第二介电层230具有平坦顶表面(例如，远离半导体衬底202)。第二介电层230的平坦顶表面可通过在第二介电层230 上使用平坦化过程(诸如cmp)来实现。
[0056]
集电极触点232被设置成通过第二介电层230和第一介电层214并且接触集电极区206。集电极触点232电连接到集电极区206。基极触点234被设置成通过第二介电层230并且接触基极区212。因此，基极触点234电连接到基极区212。发射极触点236被设置成通过第二介电层230并且接触发射极区 220。因此，发射极触点236电连接到发射极区220。集电极触点232、基极触点234和发射极触点236可像图1中的集电极触点132、基极触点134和发射极触点136那样形成。
[0057]
如上所述，在一些示例中，半导体器件结构200是或包括双极型晶体管(并且更具体地，hbt)。随后的描述内容描述了用于形成图2所示的基极区 212的过程和材料。在其他示例中，集电极区206、基极区212和发射极区220 可并入到另一个半导体器件结构中。此外，随后的描述内容描述了pnp hbt 结构，尽管在其他示例中，npn hbt结构可使用本文所述的方面来实现。
[0058]
图3示出了根据一些示例的基极区312的分层结构的截面图。基极区312 的第一基极子层332设置在集电极区306上或上方。基极区312的第二基极子层334设置在第一基极子层332上或上方。基极区312的第三基极子层336 设置在第二基极子层334上或上方。基极区312的第四基极子层338设置在第三基极子层336上或上方。基极区312的第五基极子层340设置在第四基极子层338上或上方。基极区312的帽盖子层342设置在第四基极子层338 上或上方。发射极区320设置在帽盖子层342上或上方。
[0059]
在一些示例中，图3的集电极区306、基极区312和发射极区320可分别是图1中的集电极区106、基极区112和发射极区120。在一些示例中，图3 的集电极区306、基极区312和发射极区320可分别是图2中的集电极区206、基极区212和发射极区220。
[0060]
第一基极子层332具有厚度352(例如，在垂直于半导体衬底102的主表面的方向上)。第二基极子层334具有厚度354。第三基极子层336具有厚度 356。第四基极子层338具有厚度358。第五基极子层340具有厚度360。帽盖子层342具有厚度362。
[0061]
在一些示例中，第二、第三和第四基极子层334、336、338的厚度354、 356、358大致相等。在一些示例中，第一和第五基极子层332、340的厚度 352、360大致相等。在一些示例中，第二、第三和第四基极子层334、336、 338的厚度354、356、358中的每一者小于第一和第五基极子层332、340的厚度352、360中的每一者。在一些示例中，帽盖子层342的厚度362大于厚度352、354、356、358、360。在一些示例中，第二、第三和第四基极子层 334、336、338的
厚度354、356、358可在约2nm至约10nm的范围内。在一些示例中，第一和第五基极子层332、340的厚度352、360可在约5nm至约 40nm的范围内。在一些示例中，帽盖子层342的厚度362可在约10nm至约 50nm的范围内。尽管已经给出了各种厚度和层厚度之间的关系作为示例，但针对给定子层可实现任何合适的厚度。
[0062]
基极子层332、334、336、338、340和帽盖子层342各自是适当的半导体材料并且各自也是晶体(例如，单晶)。基极子层332、334、336、338、340 也可掺杂适当的掺杂剂。基极子层332、334、336、338、340通过与集电极区306、帽盖子层342和/或发射极区320不同或通常不包括在其中的至少一种半导体物质来沉积(例如，外延生长)。至少一种半导体物质导致基极子层 332、334、336、338、340(或所得的异质外延层，如随后所述)与例如帽盖子层342和/或发射极区320形成异质结。在si/sige系统的上下文中描述的示例中，半导体物质是锗。因此，在下面锗的上下文中的浓度或浓度梯度的描述更普遍地适用于半导体物质。类似地，基极区312和发射极区320掺杂有在异质结处或附近形成pn结的掺杂剂。在以下在pnp hbt(使用si/sige系统)的上下文中描述的示例中，用于掺杂基极区312的基极子层332、334、 336、338、340中的一者或多者的掺杂剂是n型掺杂剂，更具体地说是磷。其他n型掺杂剂，诸如si/sige系统中的砷(as)或其他材料系统的其他n型掺杂剂，可用于掺杂基极区312。在npn hbt的上下文中的其他示例中，p型掺杂剂(例如，具有与n型掺杂剂相反的导电类型)可用于掺杂基极区312。因此，下面在磷的上下文中的浓度或浓度梯度的描述更一般地适用于掺杂剂 (例如，电导率掺杂剂，诸如n型掺杂剂或p型掺杂剂)。
[0063]
在一些示例中，第一和第五基极子层332、340是硅锗si
1-x
ge
x
，其中0 ≤x≤1；第二和第四基极子层334、338是硅锗si
1-y
gey，其中0≤y≤1；第三基极子层336是硅锗si
1-z
gez，其中0≤z≤1；并且集电极区306、帽盖子层 342和发射极区320各自是硅。在一些示例中，第三基极子层336掺杂有磷。另外，在一些示例中，第二和第四基极子层334、338以及可能的第三基极子层336各自掺杂有碳。在一些示例中，诸如在实现除磷之外的掺杂剂的情况下，可省略碳。
[0064]
图4和图5是描绘根据一些示例的图3的分层结构内的锗的不同目标浓度分布的图表。图6和图7是分别描绘根据一些实施例的图3的分层结构内的磷和碳的目标浓度分布的图表。各种目标浓度是子层的相应外延生长过程被设计为实现的浓度，尽管物质的扩散实际上可能不会导致通过外延生长过程在相应子层中均匀地实现目标浓度。锗的浓度可能是由通过外延生长过程形成相应子层的锗的结晶沉积引起的。在相应外延生长过程期间，原位掺杂可能会导致磷浓度和碳浓度。
[0065]
参考图4和图5，第一基极子层332中的目标锗浓度(例如，x)小于第二基极子层334中的目标锗浓度(例如，y)。第二基极子层334中的目标锗浓度(例如，y)大于第三基极子层336中的目标锗浓度(例如，z)。例如，第三基极子层336中的目标锗浓度(例如，z)可小于、等于或大于第一基极子层332中的目标锗浓度(例如，x)，浓度x由区402示出。类似地，第五基极子层340中的目标锗浓度(例如，x)小于第四基极子层338中的目标锗浓度(例如，y)。第四基极子层338中的目标锗浓度(例如，y)大于第三基极子层336中的目标锗浓度(例如，z)。第三基极子层336中的目标锗浓度 (例如，z)可小于、等于或大于第五基极子层340中的目标锗浓度(例如， x)，该浓度x也由区402示出。帽盖子层342和集电极区306中的目标锗浓度为零。尽管在第一和第五基极子层332、340中的目标锗浓度被指示为相等，但在一些情况下，
这些目标浓度可能不相等，并且尽管在第二和第四基极子层334、338中的目标锗浓度被指示为相等，但在一些情况下，这些目标浓度可能不相等。
[0066]
图4中的基极子层332-340中的目标锗浓度在相应子层的整体中是均匀的。图5中的第二、第三和第四基极子层334、336和338中的目标锗浓度在相应子层的整体中是均匀的。在图5中，第一基极子层332中的目标锗浓度从集电极区306和第一基极子层332之间的界面增加(例如，线性增加)到第一基极子层332和第二基极子层334之间的界面。类似地，在图5中，第五基极子层340中的目标锗浓度从第四基极子层338和第五基极子层340之间的界面减少(例如，线性减少)到第五基极子层340和帽盖子层342之间的界面。
[0067]
在第一和第五基极子层332、340中的目标锗浓度的x的值(例如，当如图5中不均匀时的峰值目标浓度)可在约0.15至约0.25的范围内。第二和第四基极子层334、338中的目标锗浓度的y的值可在约0.2至约0.35的范围内。第三基极子层336中的目标锗浓度的z的值可在约0.15至约0.3的范围内。
[0068]
参考图6，第三基极子层336中的目标磷浓度大于第一、第二、第四和第五基极子层332、334、338、340中的每一者中的目标磷浓度。在一些示例中，第一、第二、第四和第五基极子层332、334、338、340和帽盖子层342中的每一者中的目标磷浓度基本上为零。在一些示例中，第三基极子层336中的目标磷浓度在约8
×
10
18
cm-3
至约8
×
10
19
cm-3
的范围内。
[0069]
参考图7，第二和第四基极子层334、338以及可能的第三基极子层336 中的目标碳浓度大于第一和第五基极子层332、340中的每一者中的目标碳浓度。第三基极子层336中的目标碳浓度可等于或小于第二和第四基极子层334、 338中的目标碳浓度，如区702所示。在一些示例中，第一和第五基极子层 332、340和帽盖子层342中的每一者中的目标碳浓度基本上为零，并且在一些示例中，第一和第五基极子层332、340和帽盖子层342中的任一者或每一者可包括碳。在一些示例中，第二、第三和第四基极子层334、336、338中的目标碳浓度在约7.5
×
10
19
cm-3
至约1.5
×
10
20
cm-3
的范围内。
[0070]
下面的表1和表2列出了物质的厚度和目标浓度以说明一些示例。其他示例可实现其他厚度、其他目标浓度和/或其他物质。
[0071]
[0072][0073][0074]
图8是根据一些示例的形成图3的分层结构的方法的流程图。在框802 处，使基极区312的第一基极子层332沉积在集电极区306上或上方。在框 804处，使基极区312的第二基极子层334沉积在第一基极子层332上或上方。在框806处，使基极区312的第三基极子层336沉积在第二基极子层334上或上方。在框808处，使基极区312的第四基极子层338沉积在第三基极子层336上或上方。在框810处，使基极区312的第五基极子层340沉积在第四基极子层338上或上方。在框812处，使基极区312的帽盖子层342沉积在第五基极子层340上或上方。
[0075]
在一些示例中，框802-812的沉积中的每一者是外延生长，并且更具体地，在一些示例中是seg并且在其他示例中是毯式外延生长。外延生长可通过低压化学气相沉积(lpcvd)或任何其他适当过程来实现。在外延生长期间可使用任何适当的过程状况和前体气体以实现子层332-342的目标厚度和子层 332-342中的物质的目标浓度。
[0076]
继续其中基极子层332-340是硅锗的上述示例，用于使这些基极子层 332-340外延生长的seg可包括含硅前体气体、含锗前体气体和蚀刻剂气体。在一些示例中，用于使这些基极子层332-340选择性地生长的配方包括使用二氯甲硅烷(sih2cl2)和/或硅烷(sih4)作为含硅前体气体(并且可能还作为共蚀刻剂气体)，使用锗烷(geh4)作为含锗前体气体，
以及使用盐酸(hcl) 作为蚀刻剂气体。此外，可在给定层的外延生长期间实现含掺杂剂气体以对该层进行原位掺杂。在一些示例中，磷化氢(ph3)或砷化氢(ash3)可在第三基极子层336的外延生长期间使用以便通过磷对第三基极子层336进行原位掺杂。在一些示例中，含碳气体(诸如单甲基硅烷(csih6)、二甲基硅烷 (c2h8si)或三甲基硅烷(c3h
10
si))可在相应的第二、第三和/或第四基极子层334、336、338的外延生长期间使用以便通过碳对该子层进行原位掺杂。 seg可实现各种气体的目标流速和其他过程状况以实现基极子层332-340中的各种子层的目标厚度和目标浓度，诸如以上所述。
[0077]
此外，继续其中帽盖子层342是硅的上述示例，用于使帽盖子层342外延生长的seg可包括含硅前体气体和蚀刻剂气体。在一些示例中，用于使帽盖子层342选择性生长的配方包括使用二氯甲硅烷(sih2cl2)作为含硅前体气体(并且还作为共蚀刻剂气体)以及使用盐酸(hcl)作为蚀刻剂气体。seg 可实现各种气体的目标流速和其他过程状况以实现帽盖子层342的目标厚度和目标浓度，诸如以上所述。
[0078]
当沉积时，基极区312的子层332-342内的物质可扩散。图9是描绘根据一些示例的子层332-342内的物质的浓度的图表。图9示出锗浓度梯度902 和磷浓度梯度904。子层332-342使用与相对于图4和/或5和图6所示和描述的内容一致的目标浓度来沉积。在子层332-342的沉积之后并且没有显著的附加处理(例如，没有任何高温处理)的情况下，示出图9中的物质的浓度梯度。锗浓度梯度902以线性标度示出并且在n值的上下文中描述，si
1-n
gen并且0≤n≤1。磷浓度梯度904以对数标度示出。应当注意，本文对浓度梯度的增加和减少的描述不考虑用于获得和表示相应浓度梯度的信号中的噪声的影响。
[0079]
锗浓度梯度902从第一基极子层332和集电极区306之间的界面增加到第二基极子层334中的峰值浓度910。然后，从峰值浓度910，锗浓度梯度902 减少到第三基极子层336中的谷值浓度912。从谷值浓度912，锗浓度梯度902 增加到第四基极子层338中的峰值浓度914，并且然后从峰值浓度914减少到第五基极子层340和帽盖子层342之间的界面。在一些示例中，集电极区306 在例如第一基极子层332的沉积之前不包括大量的锗，因为集电极区306可能尚未直接暴露于含锗前体或材料。预期集电极区306在第一基极子层332 的沉积之前可能具有痕量或非大量的锗，这是由于例如间接或非大量暴露于锗。在第一基极子层332的沉积之后，锗可从第一基极子层332到集电极区 306中扩散某个量，如锗浓度梯度902所示。
[0080]
磷浓度梯度904从第一基极子层332内的区增加(例如，以超过一个数量级)到第三基极子层336内的峰值浓度922。从峰值浓度922，磷浓度梯度 904减少(例如，以超过一个数量级)到第五基极子层340内的区。磷浓度梯度904通过第三基极子层336中的峰值浓度922近似于高斯分布。
[0081]
如图4和/或图5以及图6和图9所示，在第三基极子层336中掺杂的磷设置在两个界面之间，其中第三基极子层336中的锗浓度相对于相邻子层(例如，第二和第四基极子层334、338)中的锗浓度较低。相对于图4、图5和图6，第三基极子层336中的目标锗浓度低于第二和第四基极子层334、338 中的每个子层中的目标锗浓度，并且第三基极子层336掺杂有磷。相对于图9，增加的锗浓度梯度902是从第三基极子层336到第二基极子层334(例如，从谷值浓度912到峰值浓度910)，并且增加的锗浓度梯度902是从第三基极子层336到第四基极子层338(例如，从谷值浓度912到峰值浓度914)。磷的峰值浓度922也设置在第三基极子
层336中。通过使磷设置在增加的锗浓度的这些界面之间或这些增加的锗浓度梯度之间，可更好地将偏析扩散的影响包含在基极子层332-340(其将形成随后描述的异质外延基极子层)内，这可帮助防止在基极子层332-340之外出现磷的峰值浓度。
[0082]
类似地，在第三基极子层336中掺杂的磷被设置在各自掺杂有碳的第二和第四基极子层334、338之间。碳的存在可减小磷扩散迁移率，诸如在热应力的时段期间。因此，通过使磷设置在掺杂有碳的子层之间，扩散的影响(特别是当在热应力期间发生时)可减小以使得更多的磷保留在第三基极子层336 内。因此，如所述的碳掺杂可帮助防止磷的峰值浓度在基极子层332-340的外部出现。
[0083]
在基极区312的子层332-342的沉积之后，可在例如包括半导体衬底102 的晶片上执行附加处理。例如，可对晶片进行高温处理。具体地，在某个处理中，可对晶片执行退火处理(诸如快速热退火)。可实现退火过程以激活例如cmos部件的掺杂剂。示例性退火过程包括在氢气(h2)中850℃烘烤两分钟，以及在1,080℃的温度下的氮气(n2)尖峰快速热退火(rta)，以用于 cmos源极/漏极激活和发射极驱动。这种高温处理可导致基极区312中的物质的进一步扩散。由于在cbicmos设计中的其他器件的协整，在形成基极区312之后，基极区312可引起许多热应力。图10是描绘根据一些实施例的集电极区306、基极区312和发射极区320内的物质的浓度的图表。图10所示的物质的浓度是在后续处理之后获得的，诸如直到从晶片的其余部分单片化管芯，该管芯是或包括半导体衬底102、202的管芯。
[0084]
物质的扩散可能导致在沉积的基极子层332-340之间失去清晰分界。如图 10所示，物质的扩散可导致由于物质在基极子层332-340之间的扩散而形成的更一般的异质外延基极子层1002。图11示出了根据一些示例的基极区312 的分层结构中的所得异质外延基极子层1002的截面图。如图所示，异质外延基极子层1002设置在集电极区306上或上方，并且帽盖子层342设置在异质外延基极子层1002上或上方。异质外延基极子层1002具有的厚度1102为基极子层332-340的组合(例如，相加)厚度352、354、356、358、360。
[0085]
返回参考图10并且从图9的示例继续，图10示出了锗浓度梯度1004、磷浓度梯度1006、碳浓度梯度1008和硼浓度梯度1010。此处使用硼作为p 型掺杂剂的示例。锗浓度梯度1004以线性标度示出并且在n值的上下文中描述，si
1-n
gen并且0≤n≤1。磷浓度梯度1006、碳浓度梯度1008和硼浓度梯度 1010以对数标度示出。应当注意，本文对浓度梯度的增加和减少的描述不考虑用于获得和表示相应浓度梯度的信号中的噪声的影响。
[0086]
锗浓度梯度1004从异质外延基极子层1002和集电极区306之间的界面增加到异质外延基极子层1002中的峰值浓度1012。从峰值浓度1012，锗浓度梯度1004减少到异质外延基极子层1002中的平台浓度1014，并且从平台浓度1014继续减少到异质外延基极子层1002和帽盖子层342之间的界面。在一些示例中，锗浓度梯度1004可从峰值浓度1012连续减少到异质外延基极子层1002和帽盖子层342之间的界面。在其他示例中，锗浓度梯度1004 可(1)在异质外延基极子层1002中从峰值浓度1012减小到谷值浓度，(2) 在异质外延基极子层1002中从谷值浓度增加到第二峰值浓度，(3)从第二峰值浓度减少到异质外延基极子层1002和帽盖子层342之间的界面。在一些示例中，在异质外延基极子层1002中不具有锗的谷值浓度可避免在异质外延基极子层1002中存在势垒。锗的谷值浓度可在异质外延基极子层1002中产生电子迁移率的减小并且因此可产生势垒。
[0087]
磷浓度梯度1006从集电极区306内的区增加(例如，以近似一个数量级) 到异质外
延基极子层1002中的峰值浓度1020。异质外延基极子层1002中的峰值浓度1020位于从帽盖子层342和异质外延基极子层1002之间的界面远离一定深度的位置，诸如大于从界面的异质外延基极子层1002的厚度1102 的10％、20％和/或25％。从峰值浓度1020，磷浓度梯度1006减少(例如，以近似一半数量级)到异质外延基极子层1002和帽盖子层342之间的界面并且继续减少到帽盖子层342内的区。
[0088]
从另一个角度来看，磷浓度梯度1006从帽盖子层342的中点(例如，中深度)增加到异质外延基极子层1002中的峰值浓度1020而在其间没有减少。更集中地，在靠近异质外延基极子层1002的帽盖子层342的区内(例如，靠近或邻接异质外延基极子层1002的帽盖子层342的10％、20％、和/或25％) 到异质外延基极子层1002中的峰值浓度1020，磷浓度梯度1006不减少。磷浓度梯度1006可在短深度(例如，平台浓度)内停止增加，或者增加速率可减少(例如，以对数标度)，具体地，在帽盖子层342和异质外延基极子层1002 之间的界面处。图10示出了在帽盖子层342和异质外延基极子层1002之间的界面处的磷浓度梯度1006的小部分1022，其中在增加速率在异质外延基极子层1002中的进一步深度处增加之前，增加速率有所减少。如图所示，从靠近异质外延基极子层1002的帽盖子层342的区到帽盖子层342与异质外延基极子层1002之间的界面没有设置磷浓度梯度1006的峰值浓度。此外，从靠近异质外延基极子层1002的帽盖子层342的区到从帽盖子层342与异质外延基极子层1002之间的界面远离一定深度设置的峰值浓度1020没有设置磷浓度梯度1006的峰值浓度。
[0089]
碳浓度梯度1008从集电极区306与异质外延基极子层1002之间的界面增加(例如，以小于一个数量级)到异质外延基极子层1002中的峰值浓度1030。从峰值浓度1030，碳浓度梯度1008减少(例如，以小于一个数量级)到异质外延基极子层1002和帽盖子层342之间的界面。
[0090]
硼浓度梯度1010在发射极区320中基本上均匀并且基本上通过帽盖子层 342。硼浓度梯度1010在靠近异质外延基极子层1002的帽盖子层342中减少并且继续减少到异质外延基极子层1002中。硼浓度梯度1010在通过异质外延基极子层1002的后续深度处是低的。
[0091]
磷浓度(如磷浓度梯度1006所示)等于帽盖子层342和异质外延基极子层1002之间的界面处或附近的硼浓度(如硼浓度梯度1010所示)。在对应于磷浓度梯度1006的峰值浓度1020的深度处，磷浓度大于硼浓度(诸如以一个或多个数量级)。通过远离异质外延基极子层342的帽盖子层1002并且贯穿发射极区320，硼浓度(如硼浓度梯度1010所示)大于磷浓度(如磷浓度梯度1006所示)，诸如以一个或多个数量级。这些硼浓度和磷浓度可导致在异质外延基极子层1002内形成pn结。
[0092]
为了说明扩散的影响，提供了处于各种峰值浓度、谷值浓度和平台浓度的说明性浓度。对于锗，在(1)第一基极子层332和集电极区306、(2)第五基极子层340和帽盖子层342、(3)异质外延基极子层1002和集电极区306 和(4)异质外延基极子层1002和帽盖子层342之间的界面处，锗的浓度约为0(例如，n≈0)。图9中的峰值浓度910处的锗浓度约为0.28(例如，n ≈0.28)；谷值浓度912处的锗浓度约为0.212(例如，n≈0.212)；并且峰值浓度914处的锗浓度约为0.237(例如，n≈0.237)。图10中的峰值浓度1012 处的锗浓度约为0.28(例如，n≈0.28)，并且平台浓度1014处的锗浓度约为 0.243(例如，n≈0.243)。
[0093]
对于磷，在图9中的第一基极子层332和集电极区306之间的界面处，磷浓度等于或小于10
17
cm-3
，并且在第五基极子层340和帽盖子层342之间的界面处，磷浓度等于或小于
10
17
cm-3
。在图9中的峰值浓度922处，磷浓度约为2
×
10
19
cm-3
。在图10中的异质外延基极子层1002和集电极区306之间的界面处，磷浓度约为2
×
10
18
cm-3
,，并且在异质外延基极子层1002和帽盖子层 342之间的界面处(例如，靠近部分1022)，磷浓度为大约5
×
10
18
cm-3
。在图 10中的峰值浓度1020处，磷浓度约为1
×
10
19
cm-3
。
[0094]
图12是根据一些示例的形成图3的分层结构的另一种方法的流程图。类似于图8中，在框802处，使基极区312的第一基极子层332沉积在集电极区306上或上方。在框804处，使基极区312的第二基极子层334沉积在第一基极子层332上或上方。在框1202处，使基极区312的第三基极子层336 沉积在第二基极子层334上或上方，其中过程温度小于或等于650℃并且在一些示例中小于或等于600℃(诸如约570℃)。在框1204处，使基极区312的第四基极子层338沉积在第三基极子层336上或上方，其中过程温度小于或等于650℃并且在一些示例中小于或等于600℃(诸如约570℃)。在框810处，使基极区312的第五基极子层340沉积在第四基极子层338上或上方。在框 812处，使基极区312的帽盖子层342沉积在第五基极子层340上或上方。第一、第二和第五基极子层332、334、340和帽盖子层342的外延生长(例如， seg)的温度可以是任何适当温度，诸如大于650℃。
[0095]
已经观察到，将第三和第四基极子层336、338的外延生长(例如，seg) 温度减小至小于或等于650℃(并且更具体地，小于或等于600℃)可减小第三基极子层336掺杂(例如，原位掺杂)的磷的表面偏析的发生。使用该较低温度来使第三和第四基极子层336、338外延生长可减小磷在外延生长表面上的积累。因此，减小磷的这种积累可进一步促进如图10所示的磷浓度梯度，其中磷的峰值浓度不在异质外延基极子层之外。
[0096]
此外，已经观察到硅锗的生长速率随着外延生长温度的减少而减少并且随着锗浓度的增加而增加。因此，在一些示例中，与以上描述一致的针对第三和第四基极子层336、338实现较高锗浓度以实现较高生长速率可至少在一定程度上抵消或克服由温度降低导致的生长速率降低。
[0097]
作为示例，在图12的框802、804、810中的用于使第一、第二和第五基极子层332、334、340沉积的seg可使用630℃的外延生长温度；在图12的框1202、1204中的用于使第三和第四基极子层336、338沉积的seg可使用 570℃的外延生长温度；并且在图12的框812中的用于使帽盖子层342沉积的seg可使用750℃的外延生长温度。
[0098]
另外，在第三和第四基极子层336、338的seg期间，增加蚀刻剂气体(诸如盐酸(hcl))的流速可从外延生长表面移除磷的积累。因此，蚀刻剂气体还可减小表面偏析的发生。对于较高温度(诸如在600℃和650℃之间)，可使用蚀刻剂气体的较高流速。在一些实施例中，蚀刻剂气体的流速可在约15 标准立方厘米(sccm)至约40sccm的范围内。在一个示例中，框1202处的 seg在650℃的温度下以25sccm的蚀刻剂气体的流速执行，并且框1204处的seg在650℃的温度下以40sccm的蚀刻剂气体的流速执行。在另一个示例中，框1202处的seg在600℃的温度下以25sccm的蚀刻剂气体的流速执行，并且框1204处的seg在600℃的温度下以15sccm的蚀刻剂气体的流速执行。蚀刻剂气体的流速可随着增加的外延生长温度而增加，并且可取决于由外延生长实现的锗浓度而变化。
[0099]
上述方面的另一个益处是，对于si/sige系统，可实现硅锗子层中的较高锗浓度。在没有本文所述的方面的情况下，具有较高锗浓度可导致磷的较大的偏析扩散和表面偏析。通过上述方面，可减轻这些挑战的影响，同时实现硅锗子层中的增加的锗浓度。具有这
种增加的锗浓度可导致hbt的增加的电子迁移率和较高的操作速度。
[0100]
尽管已经详细描述了各种示例，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可在其中进行各种改变、替换和更改。