專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制備方法，尤其涉及如何使異質(zhì)雙極型晶體管或者含有它的Bi-CMOS器件中的雜質(zhì)濃度分布非常合適。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，人們正在以迅猛的速度進(jìn)行以下技術(shù)開發(fā)，即通過(guò)讓形成在硅襯底上的雙極型晶體管包含Si/SiGe、Si/SiC等異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，而使異質(zhì)雙極型晶體管(HBT)的傳導(dǎo)特性更優(yōu)良且又可在高頻區(qū)操作。該HBT乃是一種在Si襯底上外延生長(zhǎng)SiGe層并利用該Si/SiGe異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的晶體管，利用了該結(jié)構(gòu)以后，就能得到在已往只有使用GaAs等化合物半導(dǎo)體襯底的晶體管才能操作的高頻區(qū)域下也能操作的晶體管。且因該HBT由Si襯底、SiGe層這樣的和通用硅工藝相容性極佳的材料構(gòu)成，故其優(yōu)點(diǎn)為集成度高、成本低。尤其是，若讓HBT和MOS晶體管(MOSFET)形成在同一個(gè)Si襯底上這樣來(lái)集成它們，就能得到高性能的Bi-CMOS器件，該Bi-CMOS器件作為可用在通信方面的系統(tǒng)LSI是很有前途的。
于是，到目前為止，提出并試制了含有Si/Si1-xGex或Si/Si1-yCy等異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的HBT作為Bi-CMOS器件中的雙極型晶體管。且其中，Si/Si1-xGex型HBT在可利用Si和Ge基本上以任一比例固溶的性質(zhì)和施加應(yīng)變后帶隙(band gap)變化而能連續(xù)地調(diào)整帶隙等這一方面是很有前途的。因此，人們提出了許多將僅含Si層的MOSFET和Si/Si1-xGex型HBT形成在同一個(gè)Si襯底上而形成的SiGe-BiCMOS器件。
圖12為表示已往的SiGe-BiCMOS器件的制造工序的剖面圖。如該圖所示，以(001)面為主面的Si襯底500的上部，是包括利用外延生長(zhǎng)法、離子注入法等摻入的磷等N型雜質(zhì)且深度為1μm的反向雜質(zhì)濃度分布阱(retrograde well)501。Si襯底500表面附近的那一區(qū)域的N型雜質(zhì)的濃度被調(diào)整在1×1017原子/cm3左右。還形成了將氧化硅掩埋起來(lái)的淺溝渠(shallow trench)503及由非摻雜多晶硅膜505和包圍它的氧化硅膜506構(gòu)成的深溝渠(deep trench)504作元件隔離之用，且各溝渠503、504的深度分別在0.35μm、2.0μm左右。
還有，在Si襯底500內(nèi)由溝渠503夾起的區(qū)域形成有集電層502，在Si襯底500內(nèi)由淺溝渠503將它和集電層502隔離開的區(qū)域，則形成有通過(guò)反向雜質(zhì)濃度分布阱501而和集電層502中的電極接觸的N+集電區(qū)引出層507。
還有，在Si襯底500之上，形成有包括集電區(qū)開口部分510且厚度約30nm的第一沉積氧化膜508；在Si襯底500中從集電區(qū)開口部分510露出的那一部分和第一沉積氧化膜508之上，形成有由厚度約20nm的非摻雜層(i-Si1-xGex層)和摻入了P型雜質(zhì)且厚度約40nm的摻雜層(P+Si1-xGex層)構(gòu)成的Si1-xGex層511b，且在其上方積了厚度約40nm的Si覆蓋(cap)層511a。Si/Si1-xGex層511由該Si覆蓋層511a和Si/Si1-xGex層511b構(gòu)成。在集電區(qū)開口部分510內(nèi)，Si/Si1-xGex層511為外延生長(zhǎng)在Si襯底500(即底層)上的單晶結(jié)構(gòu)，而在沉積氧化膜508上，它卻是多晶結(jié)構(gòu)。
還有，在Si/Si1-xGex層511上設(shè)有厚度約30nm的蝕刻阻止用第二沉積氧化膜512，第二沉積氧化膜512上又形成有基區(qū)接合用開口部分514及基區(qū)開口部分518。而且，還形成有將基區(qū)接合用開口部分514埋起來(lái)并延伸到第二沉積氧化膜512上方且厚度約150nm的P+多晶硅層515和第三沉積氧化膜517。
還有，P+多晶硅層515和第三沉積氧化膜517中位于第二沉積氧化膜512的基區(qū)開口部分518上方的那一部分開著口，在P+多晶硅層515的側(cè)面形成厚度約30nm的第四沉積氧化膜520，且在第四沉積氧化膜520上形成有由厚度約100nm的多晶硅形成的側(cè)壁521。還形成有將基區(qū)開口部分518掩埋起來(lái)且延向第三沉積氧化膜517之上方的N+多晶硅層529，該N+多晶硅層529起發(fā)射區(qū)引出電極之作用。上述第四沉積氧化膜520使P+多晶硅層515和N+多晶硅層529電氣絕緣，同時(shí)它還阻止雜質(zhì)由P+多晶硅層515向N+多晶硅層529擴(kuò)散；第三沉積氧化膜517使P+多晶硅層515之上面和N+多晶硅層529絕緣。
硅化鈦層524分別形成在集電區(qū)引出層507、P+多晶硅層515及N+多晶硅層529的表面，N+多晶硅層529和P+多晶硅層515的外側(cè)面被側(cè)壁523覆蓋。還有，整個(gè)襯底被層間絕緣膜525覆蓋，且還形成有穿過(guò)層間絕緣膜525并分別到達(dá)N+集電區(qū)引出層507、P+多晶硅層515即外部基區(qū)的一部分及N+多晶硅層529上即發(fā)射區(qū)引出電極上的硅化鈦層524的連接孔。再就是，還形成有掩埋該各個(gè)連接孔的鎢插塞526和連接在各個(gè)鎢插塞526上并延伸到層間絕緣膜525上的金屬布線527。
下面，對(duì)由圖12中的局部放大圖所示的發(fā)射結(jié)的結(jié)構(gòu)加以說(shuō)明。Si1-xGex層511b中位于基區(qū)開口部分518下方的那一部分起內(nèi)部基區(qū)519(真正的基極)之作用；Si覆蓋層511a中位于基區(qū)開口部分518之正下方的那一部分被摻入了從N+多晶硅層529擴(kuò)散來(lái)的硼，它起發(fā)射區(qū)530之作用。
而且，外部基區(qū)516由該Si/Si1-xGex層511中基區(qū)開口部分518下方區(qū)域以外的那一部分和P+多晶硅層515構(gòu)成。但是，在局部放大圖所示的部分中，卻是Si/Si1-xGex層511中基區(qū)開口部分518下方區(qū)域以外的那一部分起外部基區(qū)516之作用。
按上述結(jié)構(gòu)，就能形成Si/SiGe系NPN異質(zhì)雙極型晶體管，它包括由Si單晶形成的N+型發(fā)射區(qū)530、主要由Si1-xGex單晶形成的P+型內(nèi)部基區(qū)519及由Si單晶形成的集電區(qū)502。不過(guò)，與其說(shuō)用來(lái)劃分發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的是Si/SiGe結(jié)晶的交界處，不如說(shuō)是雜質(zhì)的導(dǎo)電型變化的那一部分，故正確地說(shuō)，雜質(zhì)濃度分布變化，發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的交界處也就跟著變化。特別是在用它來(lái)放大高頻信號(hào)的時(shí)候，硼(B)即內(nèi)部基區(qū)519中的P型雜質(zhì)的濃度分布極其重要，因此，在沉積Si1-xGex層511b時(shí)，要按以下所述去做。
如圖13所示，讓非摻雜i-Si1-xGex(x一定不變)在集電區(qū)(Si襯底)上外延生長(zhǎng)以后，再在其上順序地外延生長(zhǎng)摻入了硼(B)的P+Si1-xGex層(x變化)和Si覆蓋層。圖13的右側(cè)示出了為形成基區(qū)層而進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)時(shí)，B的濃度和Ge的含有率的分布情況。也就是說(shuō)，在P+Si1-xGex層的最上部，Ge的含有率幾乎為0，而使它和Si覆蓋層的組成之差幾乎消失。還有，在之后的工序中加一高溫處理后，P+Si1-xGex層中的硼就擴(kuò)散，呈硼擴(kuò)散到Si覆蓋層和i-Si1-xGex層的一部分中而不陡的B濃度分布。
然而，在上述已往的Si/SiGe異質(zhì)雙極型晶體管中，若在制造工序下抑制Si1-xGex層511b中硼(B)的擴(kuò)散蔓延，則最終可穩(wěn)定地維持一較合適的B的濃度分布，但這難以做到。而且還知道了異質(zhì)雙極型晶體管在高頻區(qū)域下的特性會(huì)因該硼(B)的擴(kuò)散蔓延而下降。于是，本案發(fā)明人等為徹底查明B的濃度分布變壞的原因，而做了以下實(shí)驗(yàn)。
圖14示出了利用SIMS測(cè)量已往的Si/SiGe異質(zhì)雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)/基區(qū)中的磷(P)、硼(B)的濃度分布和Ge的含有率后而得到的數(shù)據(jù)。圖中，橫軸表示為了方便而設(shè)定了0點(diǎn)的相對(duì)深度，縱軸表示相當(dāng)于磷(P)、硼(B)的濃度(原子/cm3)和Ge的含有率的二次離子強(qiáng)度(計(jì)數(shù)值)。由該圖可知Ge的含有率為陡峭的傾斜構(gòu)造而表示其組成良好。然而，P+Si1-xGex層中硼(B)的濃度分布則較平緩，說(shuō)明它擴(kuò)散蔓延到大部分Si覆蓋層511a中。還知硼(B)有重量互不相同的10B和11B，若利用外延生長(zhǎng)中的原位(in.situ.)摻雜法將硼(B)摻到Si1-xGex層中，則10B和11B都會(huì)存在于Si1-xGex層中；但若利用離子注入法將硼(B)摻到Si1-xGex層中，卻只會(huì)有11B存在于Si1-xGex層中。需提一下，在進(jìn)行SIMS測(cè)量時(shí)，試樣中的雜質(zhì)等原子在被濺射的區(qū)域中會(huì)有一定的寬度，故SIMS測(cè)量數(shù)據(jù)不能正確地反映出各區(qū)域的范圍和雜質(zhì)濃度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但卻能反映出各區(qū)域的范圍和雜質(zhì)濃度間的大概的趨勢(shì)。
如圖14所示，硼(B)的濃度分布的蔓延程度超出了我們的預(yù)料，其原因尚不清楚，但從圖14所示的數(shù)據(jù)和由其他實(shí)驗(yàn)得到的事實(shí)來(lái)看，發(fā)射區(qū)中磷(P)的濃度和硼(B)的濃度之間很有可能存在著某種關(guān)系。也就是說(shuō)，有發(fā)射區(qū)中磷(P)的濃度越高，P+Si1-xGex層中硼(B)的濃度分布就有擴(kuò)散蔓延更廣的傾向。并且，一致認(rèn)為磷(P)的濃度一高，硼(B)的擴(kuò)散就加快這一現(xiàn)象和點(diǎn)缺陷有關(guān)。亦即，點(diǎn)缺陷的濃度一高，B原子就不僅通過(guò)置換Si、Ge原子而擴(kuò)散，B原子還會(huì)經(jīng)過(guò)點(diǎn)缺陷而移動(dòng)。因而，進(jìn)行高溫處理時(shí)，B原子的擴(kuò)散速率就加快，而使得硼(B)的濃度分布變緩。
該現(xiàn)象可由如下的磷(P)的濃度分布而得到證實(shí)。在圖14所示的磷(P)在Si覆蓋層中的濃度分布中，在區(qū)域Re1有在Si單晶中的固溶度(約為1×1020原子/cm3)以上的磷(P)，而這些磷(P)中未固溶的部分，或有可能進(jìn)入格子間位置或有可能形成洞而導(dǎo)致產(chǎn)生點(diǎn)缺陷。也就是說(shuō)，Si1-xGex層中磷(P)的濃度一高，點(diǎn)缺陷數(shù)也就跟著增加，這是促進(jìn)硼(B)擴(kuò)散而使?jié)舛确植悸娱_來(lái)的原因。
另一方面，如圖14所示，以往的起發(fā)射區(qū)引出電極之作用的N+多晶硅層529中，被摻入了5.0×1020原子/cm3左右的磷(P)，這一濃度和在Si單晶中的固溶度相比，是相當(dāng)高的。之所以濃度這么高，是因?yàn)樵诙嗑Ч柚须s質(zhì)向粒界偏析的傾向很強(qiáng)，若不從整體上預(yù)先摻雜高濃度的磷(P)，就得不到為低電阻化而必需的雜質(zhì)活化率之故。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于采取各種手段，邊維持為使發(fā)射區(qū)引出電極、發(fā)射區(qū)的低電阻性或雙極型晶體管達(dá)到我們所希望的操作所需的雜質(zhì)濃度，邊抑制Si覆蓋層中硼(B)等P型雜質(zhì)的擴(kuò)散蔓延，由此來(lái)將異質(zhì)雙極型晶體管的基區(qū)層中的P型雜質(zhì)的濃度分布維持得很合適，而提供高頻特性等電氣特性優(yōu)良且而起雙極型晶體管之作用的半導(dǎo)體器件及其制備方法。
本發(fā)明的第一半導(dǎo)體器件，它包括含有起集電區(qū)之作用的N型第一單晶半導(dǎo)體層的襯底；形成在上述第一單晶半導(dǎo)體層上、起基區(qū)之作用的P型第二單晶半導(dǎo)體層；形成在上述第二單晶半導(dǎo)體層上、其上部含有濃度在固溶度以下的磷且至少一部分起發(fā)射區(qū)之作用的第三單晶半導(dǎo)體層；及由含有濃度比上述第三單晶半導(dǎo)體層的上述上部中的磷的濃度還高的磷的半導(dǎo)體層制成的發(fā)射區(qū)引出電極。
就這樣，因起發(fā)射區(qū)之作用的第三單晶半導(dǎo)體層中只含有濃度在固溶度以下的磷，故能抑制在第三單晶半導(dǎo)體層中產(chǎn)生點(diǎn)缺陷。因此，位于第三單晶半導(dǎo)體層下方的第二單晶半導(dǎo)體層中的P型雜質(zhì)，例如硼的擴(kuò)散就被抑制，也就能將P型雜質(zhì)在起基區(qū)層之作用的第二單晶半導(dǎo)體層中的濃度分布維持得很合適了。
本發(fā)明的第二半導(dǎo)體器件，它包括含有起集電區(qū)之作用的N型第一單晶半導(dǎo)體層的襯底；形成在上述第一單晶半導(dǎo)體層上、含有P型雜質(zhì)且起基區(qū)之作用的P型第二單晶半導(dǎo)體層；及形成在上述第二單晶半導(dǎo)體層上、至少在其上部含有P型雜質(zhì)和濃度比該P(yáng)型雜質(zhì)的濃度還高的磷且至少一部分起發(fā)射區(qū)之作用的第三單晶半導(dǎo)體層。
就這樣，憑經(jīng)驗(yàn)得知若在第三單晶半導(dǎo)體層中含有P型雜質(zhì)，就可抑制第二單晶半導(dǎo)體層中P型雜質(zhì)(例如硼)的擴(kuò)散。故P型雜質(zhì)在起基區(qū)之作用的第二單晶半導(dǎo)體層中的濃度分布被維持得很合適。另一方面，雖然第三單晶半導(dǎo)體層的上部起N型發(fā)射區(qū)之作用，但由于第三單晶半導(dǎo)體層的上部含有比同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的P型雜質(zhì)的濃度還高的磷，也就保住了作為雙極型晶體管所應(yīng)具有的作用。
通過(guò)使上述第三單晶半導(dǎo)體層的上部中P型雜質(zhì)的濃度，在上述第二單晶半導(dǎo)體層中P型雜質(zhì)的濃度以上，便可確確實(shí)實(shí)地抑制P型雜質(zhì)在第二單晶半導(dǎo)體層中擴(kuò)散。
若使上述第一單晶半導(dǎo)體層為Si層，上述第二單晶半導(dǎo)體層為SiGe層或SiGeC層，上述第三單晶半導(dǎo)體層為Si層，那么，就能制備出高頻特性等電氣特性優(yōu)良的Si/SiGe或Si/SiGeC異質(zhì)雙極型晶體管。
本發(fā)明的第一半導(dǎo)體器件的制備方法，包括以下道工序工序(a)，讓起基區(qū)之作用的P型第二單晶半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)在襯底上起集電區(qū)之作用的N型第一單晶半導(dǎo)體層上；工序(b)，讓第三單晶半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)在上述第二單晶半導(dǎo)體層上；工序(c)，在上述第三單晶半導(dǎo)體層上，沉積其最下部含有濃度在讓濃度為在上述第三單晶半導(dǎo)體層中的固溶度的磷擴(kuò)散到第三單晶半導(dǎo)體層的那一濃度以下的磷，其上部含有濃度比上述最下部的還高的磷的半導(dǎo)體層；工序(d)，進(jìn)行為使上述半導(dǎo)體層內(nèi)的磷擴(kuò)散的熱處理，將濃度在固溶度以下的磷摻入上述第三單晶半導(dǎo)體層的上部，以形成雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)。
依此方法，在進(jìn)行工序(d)中的熱處理時(shí)，可抑制超過(guò)在第三單晶半導(dǎo)體層中的固溶度的磷從非晶硅層、多晶硅層等半導(dǎo)體層的最下部擴(kuò)散，故能抑制在第三單晶半導(dǎo)體層產(chǎn)生點(diǎn)缺陷。因此，便形成了其中的基區(qū)具有良好的P型雜質(zhì)濃度分布的雙極型晶體管。
在上述工序(c)下，既可使摻雜在上述半導(dǎo)體層中的磷的濃度朝著上方階梯狀地升高，也可使它朝著上方連續(xù)地升高。
本發(fā)明的第二半導(dǎo)體器件的制備方法，包括以下幾道工序工序(a)，讓起基區(qū)之作用的P型第二單晶半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)在襯底上起集電區(qū)之作用的N型第一單晶半導(dǎo)體層上；工序(b)，讓第三單晶半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)在上述第二單晶半導(dǎo)體層上；工序(c)，在上述第三單晶半導(dǎo)體層的至少上部摻入P型雜質(zhì)；工序(d)，在上述第三單晶半導(dǎo)體層上形成含有磷的半導(dǎo)體層；及工序(e)，進(jìn)行為使上述半導(dǎo)體層內(nèi)的磷擴(kuò)散的熱處理，以摻入其濃度比在上述工序(c)下?lián)饺氲缴鲜龅谌龁尉О雽?dǎo)體層上部的P型雜質(zhì)的濃度還高的磷，而形成雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)。
依此方法，由于在工序(c)下?lián)饺氲降谌龁尉О雽?dǎo)體層上部的P型雜質(zhì)的存在，而憑經(jīng)驗(yàn)在這之后進(jìn)行熱處理時(shí)抑制第二單晶半導(dǎo)體層中P型雜質(zhì)的擴(kuò)散。因此，形成了其中之基區(qū)具有良好的P型雜質(zhì)濃度分布的雙極型晶體管。
上述工序(c)，既可和上述工序(b)同時(shí)進(jìn)行，即邊摻入P型雜質(zhì)邊讓上述三單晶半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)，也可在上述工序(b)之后進(jìn)行，即將P型雜質(zhì)的離子注入到上述第三單晶半導(dǎo)體層內(nèi)。
另外，也可在上述工序(b)之后且上述工序(c)之前，再包括在上述第三單晶半導(dǎo)體層上形成絕緣層的工序和在上述絕緣層上形成含有P型雜質(zhì)的半導(dǎo)體層的工序，且上述工序(c)是通過(guò)熱處理而將P型雜質(zhì)從上述半導(dǎo)體層通過(guò)絕緣層導(dǎo)入到上述第三單晶半導(dǎo)體層中的。


圖1為剖面圖，示出了本發(fā)明第一實(shí)施形態(tài)中HBT即半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖2(a)、圖2(b)為剖面圖，示出了第一實(shí)施形態(tài)中半導(dǎo)體器件的制造工序中，在集電區(qū)開口部分形成Si/Si1-xGex層的工序。
圖3(a)、圖3(b)為剖面圖，示出了第一實(shí)施形態(tài)半導(dǎo)體器件的制造工序中，在P+多晶硅層上形成基區(qū)開口部分的工序。
圖4(a)、圖4(b)為剖面圖，示出了第一實(shí)施形態(tài)半導(dǎo)體器件的制造工序中，在基區(qū)開口部分形成N+多晶硅層的工序。
圖5(a)、圖5(b)為剖面圖，示出了第一實(shí)施形態(tài)半導(dǎo)體器件的制造工序中，將P+多晶硅層的端部圖案化的工序。
圖6示意地示出了第一實(shí)施形態(tài)中磷(P)及硼(B)在從發(fā)射區(qū)引出電極到Si襯底的縱斷面上的濃度分布。
圖7為模擬結(jié)果，是有關(guān)硼(B)在P+Si1-xGex層中的加速擴(kuò)散是如何隨多晶硅層中磷(P)的濃度而變的。
圖8為剖面圖，示出了本發(fā)明第二實(shí)施形態(tài)HBT即半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖9(a)、圖9(b)為剖面圖，示出了第二實(shí)施形態(tài)半導(dǎo)體器件的制造工序中，沉積P+多晶硅層之后，讓硼(B)擴(kuò)散，再形成基區(qū)開口部分的的工序。
圖10示意地示出了第二實(shí)施形態(tài)中磷(P)及硼(B)在Si/Si1-xGex層的縱斷面上的濃度分布。
圖11示出了夾著氧化膜讓硼(B)從P+多晶硅層擴(kuò)散到Si覆蓋層時(shí)，進(jìn)行SIMS測(cè)量時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)。
圖12為剖面圖，示出了已往的雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)。
圖13示出了已往的Si覆蓋層、P+Si1-xGex層以及i-Si1-xGex層的剖面結(jié)構(gòu)和B的濃度、Ge的含有率的分布情況。
圖14示出了在已往的Si/SiGe異質(zhì)雙極型晶體管的發(fā)射區(qū)/基區(qū)區(qū)域磷(P)、硼(B)的濃度分布，及SIMS測(cè)量所測(cè)得的Ge的二次離子強(qiáng)度的分布情況。
圖15為剖面圖，示出了本發(fā)明第一實(shí)施形態(tài)的變形例中HBT即半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
圖16為剖面圖，示出了本發(fā)明第二實(shí)施形態(tài)的變形例中HBT即半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
(第一實(shí)施形態(tài))圖1是本發(fā)明第一實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件即異質(zhì)雙極型晶體管(HBT)的剖面圖。該圖中雖僅示出了HBT的結(jié)構(gòu)，但大多數(shù)情況下還在同一個(gè)襯底上形成CMOS器件。在那種情況下，假設(shè)是在未圖示的區(qū)域形成CMOS器件的MIS晶體管。
如該圖所示，以(001)面為主面的Si襯底100的上部，是包括利用外延生長(zhǎng)法、離子注入法等摻入的磷等N型雜質(zhì)且深度為1μm的反向雜質(zhì)濃度分布阱101。位于Si襯底100表面附近的那一區(qū)域的N型雜質(zhì)的濃度被調(diào)整在1×1017原子/cm3左右。還形成了將氧化硅掩埋起來(lái)的淺溝渠(shallow trench)103及由非摻雜多晶硅膜105和包圍它的氧化硅膜106構(gòu)成的深溝渠(deep trench)104作元件隔離之用，且各溝渠103、104的深度分別在0.35μm、2.0μm左右。
還有，在Si襯底100內(nèi)由溝渠103夾起的區(qū)域形成有集電區(qū)102，在Si襯底100內(nèi)由淺溝渠103將它和集電區(qū)102隔離開的區(qū)域，則形成有通過(guò)反向雜質(zhì)濃度分布阱101和集電區(qū)102中的電極接觸的N+集電區(qū)引出層107。
還有，在Si襯底100之上，形成有包括集電區(qū)開口部分110且厚度約30nm的第一沉積氧化膜108，在Si襯底100的上面從集電區(qū)開口部分110露出的那一部分和第一沉積氧化膜108之上，形成有由厚度約30nm的非摻雜層(i-Si1-xGex層)和摻雜了P型雜質(zhì)且厚度約60nm的摻雜層(P+Si1-xGex層)構(gòu)成的Si1-xGex層111b，且在其上積了厚度約30nm的Si覆蓋(cap)層111a。Si/Si1-xGex層111由該Si/Si1-xGex層111b和Si覆蓋層111a構(gòu)成(參看部分放大圖)。在Si襯底100中從集電區(qū)開口部分110露出的那一部分上，Si/Si1-xGex層111為沿著底層的Si襯底100的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的單晶結(jié)構(gòu)；而在第一沉積氧化膜108上，它卻是多晶結(jié)構(gòu)。而且，主要是Si1-xGex層111b中的中央部分(后述的基區(qū)開口部分118的下方區(qū)域)的下部成為內(nèi)部基區(qū)119，Si覆蓋層111a的中央部分成為發(fā)射區(qū)。再就是，Si1-xGex層的大部分被摻雜了硼(B)等濃度在2×1018原子/cm3左右的P型雜質(zhì)。
在Si/Si1-xGex層111及第一沉積氧化膜108上形成有厚度約30nm的蝕刻阻止用第二沉積氧化膜112，第二沉積氧化膜112上又形成有基區(qū)接合用開口部分114及基區(qū)開口部分118。而且，還形成有將基區(qū)接合用開口部分114掩埋起來(lái)并延伸到第二沉積氧化膜112上方且厚度約150nm的P+多晶硅層115和第三沉積氧化膜117。外部基區(qū)116由該Si/Si1-xGex層111中基區(qū)開口部分118下方區(qū)域以外的那一部分和P+多晶硅層115構(gòu)成。
還有，P+多晶硅層115和第三沉積氧化膜117中位于第二沉積氧化膜112的基區(qū)開口部分118上方的那一部分開著口，在P+多晶硅層115的側(cè)面形成厚度約30nm的第四沉積氧化膜120，且在第四沉積氧化膜120上形成有由厚度約100nm的多晶硅形成的側(cè)壁121。
這里，本實(shí)施形態(tài)的特征為形成了由將基區(qū)開口部分118掩埋起來(lái)并延伸到第三沉積氧化膜117之上方且厚度約100nm的N-多晶硅層129b和厚度約200nm的N+多晶硅層129a構(gòu)成的發(fā)射區(qū)引出電極129(參考部分放大圖)。這樣，就不用直接在Si覆蓋層111a上形成P多晶硅層129a，而通過(guò)在二者間加上N-多晶硅層129b，就能夠抑制高濃度的磷(P)過(guò)多地?fù)饺氲絊i覆蓋層111a中了。在本實(shí)施形態(tài)中，由于N+多晶硅層129a中磷(P)的擴(kuò)散，而在Si覆蓋層111a中摻入了沿襯底深度方向分布為7×1020原子/cm3到1×1020原子/cm3的磷(P)。
上述第四沉積氧化膜120使P+多晶硅層115和發(fā)射區(qū)引出電極129電氣絕緣，同時(shí)它還阻止雜質(zhì)由P+多晶硅層115向發(fā)射區(qū)引出電極129擴(kuò)散；第三沉積氧化膜117使P+多晶硅層115之上面和發(fā)射區(qū)引出電極129絕緣。而且，發(fā)射區(qū)引出電極129和P+多晶硅層115的外側(cè)面被側(cè)壁123覆蓋。
還有，硅化鈦層124分別形成在集電區(qū)引出層107、P+多晶硅層115及發(fā)射區(qū)引出電極129的表面。需提一下，P+多晶硅層115外側(cè)面的結(jié)構(gòu)和圖12所示已往的HBT的結(jié)構(gòu)不同，是P+多晶硅層115和發(fā)射區(qū)引出電極129的圖案化順序不同之故。
還有，整個(gè)襯底被層間絕緣膜125覆蓋，且還形成有穿過(guò)層間絕緣膜125并分別到達(dá)N+集電區(qū)引出層107、P+多晶硅層115即外部基區(qū)的一部分及發(fā)射區(qū)引出電極129上的硅化鈦層124的連接孔。再就是，還形成有掩埋該各個(gè)連接孔的鎢插塞126和連接在各個(gè)鎢插塞126上并延伸到層間絕緣膜125上的金屬布線127。
順便提一下，上述各層的厚度值都是典型值，可根據(jù)HBT的種類、用途等選用一適當(dāng)?shù)暮穸取?br> 下面，對(duì)圖1中的部分放大圖所示的發(fā)射結(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。Si1-xGex層111b中位于基區(qū)開口部分118下方的那一部分起內(nèi)部基區(qū)119(真正的基極)之作用；Si覆蓋層111a中位于基區(qū)開口部分118之正下方的那一部分被摻入了從發(fā)射區(qū)引出電極129擴(kuò)散來(lái)的硼，它起發(fā)射區(qū)130之作用。
而且，外部基區(qū)116由Si/Si1-xGex層111中基區(qū)開口部分118下方區(qū)域以外的那一部分和P+多晶硅層115構(gòu)成。但是，在局部放大圖所示的那一部分中，卻是Si/Si1-xGex層111中基區(qū)開口部分118下方區(qū)域以外的那一部分起外部基區(qū)116之作用。
按上述結(jié)構(gòu)，就能形成Si/SiGe系NPN異質(zhì)雙極型晶體管，它包括由Si單晶形成的N+型發(fā)射區(qū)130、主要由Si1-xGex單晶形成的P+型內(nèi)部基區(qū)119及由Si單晶形成的集電區(qū)102。不過(guò)，與其說(shuō)用來(lái)劃分發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的是Si/SiGe結(jié)晶的交界處，還不如說(shuō)是雜質(zhì)的導(dǎo)電型變化的那一部分，故正確地說(shuō)，雜質(zhì)濃度分布變化，發(fā)射區(qū)/基區(qū)/集電區(qū)的交界處也就跟著變化。特別是因內(nèi)部基區(qū)119中的硼(B)即P型雜質(zhì)的濃度分布極其重要，故在沉積Si1-xGex層111b時(shí)，要象已往那樣，按對(duì)圖13所做的說(shuō)明那樣去做。
接著，參考圖2(a)～圖5(b)說(shuō)明為制出圖1所示的結(jié)構(gòu)的制造工序。圖2(a)～圖5(b)為表示第一實(shí)施形態(tài)中Si/SiGe-HBT的制造工序的剖面圖。需提一下，可在同一個(gè)襯底上形成CMOS器件，也可只形成HBT。
首先，在圖2(a)所示的工序下，或在以(001)面為主面的Si襯底100的上部，邊摻入N型雜質(zhì)邊讓Si單晶外延生長(zhǎng)；或外延生長(zhǎng)后再進(jìn)行高能量離子注入，而來(lái)形成深度約1μm的N型反向雜質(zhì)濃度分布阱101。不過(guò)，也可不進(jìn)行外延生長(zhǎng)而通過(guò)直接向Si襯底100的一部分注入離子來(lái)形成反向雜質(zhì)濃度分布阱101。此時(shí)，為使Si襯底100表面附近的那一區(qū)域成為HBT的集電區(qū)，而把N型雜質(zhì)的濃度調(diào)整在1×1017原子/cm3左右。
接著，形成掩埋起了氧化硅的淺溝渠103、和由非摻雜多晶硅膜105及包圍它的氧化硅膜106構(gòu)成的深溝渠104，作元件隔離之用。且使各溝渠103、104的深度分別在0.35μm、2.0μm左右。Si襯底100內(nèi)被淺溝渠103夾起的區(qū)域成為集電區(qū)102。在Si襯底100內(nèi)由淺溝渠103將它和集電區(qū)102隔離開的區(qū)域，則形成有用以和集電區(qū)接觸的N+集電區(qū)引出層107。
接著，在圖2(b)所示的工序下，借使用了正硅酸乙酯(TEOS)和氧氣的化學(xué)汽相沉積法(CVD)且這時(shí)的處理溫度為680℃，來(lái)在晶圓上形成厚度約30nm的第一沉積氧化膜108，再借使用了氟酸等的濕蝕刻在第一沉積氧化膜108上形成集電區(qū)開口部分110。用氨水和過(guò)氧化氫的混合溶液處理Si襯底100中從集電區(qū)開口部分110露出的那一部分，并在在該部分形成了厚度1nm左右的保護(hù)氧化膜的狀態(tài)下，將晶圓移到UHV-CVD裝置中的反應(yīng)室內(nèi)。移入后，就進(jìn)行在氫氣氣氛下的熱處理來(lái)將保護(hù)氧化膜除去。接著，邊加熱到550℃邊引進(jìn)乙硅烷(Si2H6)和鍺烷(GeH4)，而在Si襯底100中從集電區(qū)開口部分110露出的表面及第一沉積氧化膜108上，選擇性地外延生長(zhǎng)由圖1中的局部放大圖所示厚度約30nm的非摻雜層(i-Si1-xGex層)，再接著，邊繼續(xù)加熱到550℃邊將添加了摻雜用硼烷(B2H6)的乙硅烷(Si2H6)和鍺烷(GeH4)之氣體引進(jìn)反應(yīng)室內(nèi)，而在i-Si1-xGex層上外延生長(zhǎng)厚約60nm的P+Si1-xGex層。這樣，就形成了總厚度約90nm的Si1-xGex層111b。形成Si1-xGex層111b后，將供向反應(yīng)室內(nèi)的氣體切換為乙硅烷并繼續(xù)供給，而在Si1-xGex層111b中的P+Si1-xGex層上外延生長(zhǎng)厚度約30nm的Si覆蓋層。Si/Si1-xGex層111由該Si1-xGex層111b和Si覆蓋層111a構(gòu)成。P+Si1-xGex層中的硼(B)的濃度為2×1018原子/cm3。這時(shí)，先不把雜質(zhì)導(dǎo)入Si覆蓋層111a中。而且，主要是Si/Si1-xGex層111b中的中央部分的下部成為內(nèi)部基區(qū)119。
接著，在圖3(a)所示的工序下，在晶圓上形成用來(lái)阻止蝕刻且膜厚30nm的第二沉積氧化膜112以后，再使用形成在第二沉積氧化膜112上的抗蝕光罩Pr1，干蝕刻第二沉積氧化膜112而形成圖案，最終形成基區(qū)接合用開口部分114。此時(shí)，Si/Si1-xGex層111的中央部分被第二沉積氧化膜覆蓋，且Si/Si1-xGex層111中的一部分和第一沉積氧化膜108中的一部分從基區(qū)接合用開口部分114露出來(lái)。接著，為抑制應(yīng)力在活性區(qū)/分離連接區(qū)的影響，而使用形成基區(qū)接合用開口部分114時(shí)所用的抗蝕光罩Pr1，進(jìn)行硼(B)等P型雜質(zhì)的離子注入，而形成在表面附近的濃度為3×1017原子/cm3左右的結(jié)漏防止層113。
接著，在圖3(b)所示的工序下，先借CVD法在晶圓上沉積硼的摻雜濃度大于或者等于1×1020原子/cm3(高濃度)且厚度約150nm的P+多晶硅層115，再沉積厚度約100nm的第三沉積氧化膜117。之后，通過(guò)干蝕刻將第三沉積氧化膜117和P+多晶硅層115圖案化，而在第三沉積氧化膜117和P+多晶硅層115的中央部分形成通到第二沉積氧化膜112的基區(qū)開口部分118。該基區(qū)開口部分118比第二沉積氧化膜112的中央部分小，所以該基區(qū)開口部分118不會(huì)跨越基區(qū)接合用開口部分114。經(jīng)此工序，就形成了由P+多晶硅層115和Si/Si1-xGex層111的中央部分以外的部分構(gòu)成的外部基區(qū)116。在本實(shí)施形態(tài)中，此時(shí)，不蝕刻圖中所示的第三沉積氧化膜117和P+多晶硅層115的兩端而將它們保留下來(lái)。借此，可使附著在已被蝕刻的側(cè)壁上的殘余物極少。
接著，在圖4(a)所示的工序下，先靠CVD法在整個(gè)晶圓上沉積厚度約30nm的第四沉積氧化膜120和厚度約150nm的的多晶硅膜。再通過(guò)各向異性干蝕刻，蝕刻第四沉積氧化膜120及多晶硅膜，而在P+多晶硅層115及第三沉積氧化膜117的側(cè)面上形成其間夾著第四沉積氧化膜120且由多晶硅形成的側(cè)壁121。之后，利用氟酸等進(jìn)行濕蝕刻，而將第二沉積氧化膜112及第四沉積氧化膜120中露出來(lái)的部分除去。此時(shí)，位于Si/Si1-xGex層111上部的Si覆蓋層從基區(qū)開口部分118中露出來(lái)。另外，由于濕蝕刻為各向同性，故第二沉積氧化膜112及第四沉積氧化膜120在橫向上也被蝕刻，而擴(kuò)大了基區(qū)開口部分118的尺寸。
接著，在圖4(b)所示的工序下，先沉積厚度約100nm的N-多晶硅層129b(沉積時(shí)為非晶態(tài))和厚度約200nm的N+多晶硅層129a，再通過(guò)干蝕刻將N-多晶硅層129b和N+多晶硅層129a圖案化，以形成發(fā)射區(qū)引出電極129。此時(shí)，因沉積多晶硅膜時(shí)是原位摻雜，故N+多晶硅層129a中被摻雜了濃度約7×1020原子/cm3的磷(P)，N-多晶硅層129a中被摻雜了濃度約7×1019原子/cm3的磷(P)。之后，進(jìn)行溫度925℃、時(shí)間15秒的熱處理，讓磷(P)從N-多晶硅層129b擴(kuò)散到Si覆蓋層111a中，而在Si覆蓋層111a中摻入沿襯底的深度方向濃度分布為從2×1019原子/cm3到1×1017原子/cm3左右的磷(P)，以此形成發(fā)射區(qū)130。
接著，在圖5(a)所示的工序下，通過(guò)干蝕刻將第三沉積氧化膜117、P+多晶硅層115及第二沉積氧化膜112圖案化，而將外部電極116的形狀決定下來(lái)。
接著，在圖5(b)所示的工序下，先在晶圓上形成厚度約120nm的沉積氧化膜，再進(jìn)行干蝕刻而在發(fā)射區(qū)引出電極129和P+多晶硅層115的側(cè)面形成側(cè)壁123。通過(guò)此時(shí)的干蝕刻(過(guò)分蝕刻over etching)來(lái)除去第一沉積氧化膜108露出來(lái)的那一部分，以使發(fā)射區(qū)引出電極129、P+多晶硅層115及N+集電區(qū)引出層107的表面露出來(lái)。
之后，為制得圖1所示的結(jié)構(gòu)，還要進(jìn)行以下處理。首先，用濺鍍法在整個(gè)晶園上沉積厚度約40nm的Ti膜，再進(jìn)行溫度675℃、時(shí)間30秒的RTA，而在發(fā)射區(qū)引出電極129、P+多晶硅層115及N+集電區(qū)引出層107露出來(lái)的表面上形成硅化鈦層124。然后，僅選擇Ti膜中未反應(yīng)的部分并將它除去，再進(jìn)行使硅化鈦層124的結(jié)晶構(gòu)造發(fā)生變化的退火處理。
接著，在整個(gè)晶圓上形成層間絕緣膜125，再形成穿過(guò)層間絕緣膜125并分別到達(dá)發(fā)射區(qū)引出電極129、P+多晶硅層115及N+集電區(qū)引出層107上的硅化鈦層124的連接孔。之后，將鎢膜埋入各個(gè)連接孔中而形成鎢插塞126，再在整個(gè)晶圓上沉積鋁合金膜并將它圖案化而形成連接在各鎢插塞126上并延伸到層間絕緣膜125上的金屬布線127。
通過(guò)上述工序，便能形成其結(jié)構(gòu)如圖1所示的HBT，亦即，在該HBT中，集電區(qū)由Si襯底100中被摻入了磷(P)的阱層(反向雜質(zhì)濃度分布阱101)形成；基區(qū)由摻入了硼(B)的P+Si1-xGex層形成；發(fā)射區(qū)由摻雜了磷(P)的Si覆蓋層111a形成。
根據(jù)本實(shí)施形態(tài)中的HBT及其制備方法，因在含有高濃度磷(P)的N+多晶硅層129a和Si覆蓋層111a之間，夾了含有低濃度磷(P)的P-多晶硅層129b，故可抑制因高濃度的磷(P)擴(kuò)散到Si覆蓋層111a(發(fā)射區(qū)130)中而引起內(nèi)部基區(qū)119中的硼(B)的濃度分布向四方蔓延。
圖6示意地示出了本實(shí)施形態(tài)中磷(P)及硼(B)在從發(fā)射區(qū)引出電極129到Si襯底100的縱斷面上的濃度分布。如該圖所示，在發(fā)射區(qū)引出電極129中的N+多晶硅層129a中，磷(P)的濃度是一個(gè)足以活性化的值，這就保證了發(fā)射區(qū)引出電極129的低電阻性，該低電阻性是要想得到我們所希望的HBT特性所必不可少的。另一方面，在形成在Si覆蓋層111a上部的發(fā)射區(qū)130中，卻摻雜了濃度在固溶度以下卻足以使它起發(fā)射區(qū)之作用的磷(P)。并且成為內(nèi)部基區(qū)119的P+Si1-xGex層中的硼(B)的濃度分布，不會(huì)蔓延到Si覆蓋層111a、i-Si1-xGex層中，而很陡峭。究竟是怎樣得到這樣的雜質(zhì)濃度分布的呢，這可由以下模擬來(lái)證實(shí)。
圖7示出了為查明硼(B)在P+Si1-xGex層中的加速擴(kuò)散是否隨構(gòu)成發(fā)射區(qū)引出電極129的多晶硅層中的磷(P)的濃度而變化所進(jìn)行的模擬的結(jié)果。該圖中，橫軸表示相對(duì)深度，縱軸表示磷(P)或硼(B)的濃度(原子/cm3)。還做了以下假定即為隔板(spacer)的i-Si1-xGex層的厚度為40nm；為基區(qū)的P+Si1-xGex層的厚度為40nm；Si覆蓋層的厚度也為40nm。且為擴(kuò)散而進(jìn)行的熱處理的條件是溫度925℃、時(shí)間15秒。但是，因難以模擬多晶硅層中由于擴(kuò)散而帶來(lái)的雜質(zhì)的濃度分布，故假設(shè)多晶硅層內(nèi)雜質(zhì)的濃度一定不變。還有，在該圖的右側(cè)，用多晶硅層(DPS)中磷的濃度(原子/cm3)來(lái)表示硼(B)和磷(P)的各個(gè)數(shù)據(jù)。例如，數(shù)據(jù)B(DPS 7E20)，表示將濃度7×1020原子/cm3的磷(P)摻入到P-多晶硅層129b中時(shí)，摻雜在P+Si1-xGex層(內(nèi)部基區(qū))中的硼(B)是如何擴(kuò)散的；數(shù)據(jù)P(DPS 7E20)，則表示將濃度7×1020原子/cm3的磷(P)摻入到N-多晶硅層129b中時(shí)，該磷(P)在Si覆蓋層111a內(nèi)是如何擴(kuò)散的。
由圖7可知在和Si覆蓋層相鄰的多晶硅層中摻入濃度約7×1020原子/cm3的磷(P)時(shí)，來(lái)自P+Si1-xGex層的硼的擴(kuò)散就加快，而在Si覆蓋層內(nèi)出現(xiàn)硼(B)的峰值。還有，在和Si覆蓋層相鄰的多晶硅層中摻入濃度約2×1020原子/cm3的磷(P)時(shí)，則在該Si覆蓋層不出現(xiàn)硼(B)的峰值，但硼(B)卻蔓延到Si覆蓋層及i-Si1-xGex層內(nèi)，特別是當(dāng)HBT中Si覆蓋層的厚度為10nm時(shí)，在Si覆蓋層最頂部一定存在濃度約3×1017原子/cm3的硼(B)，這不理想。與此相對(duì)，若在和Si覆蓋層相鄰的多晶硅層中摻入充其量濃度也僅約7×1019原子/cm3的磷(P)時(shí)，便可抑制硼(B)由P+Si1-xGex層向Si覆蓋層及i-Si1-xGex層擴(kuò)散，而保住了硼(B)濃度分布的陡峭性。且因在Si覆蓋層也摻入了濃度約2×1019原子/cm3的磷(P)，故HBT操作所需的那一濃度的雜質(zhì)摻入到了所有區(qū)域中。
換言之，若按上述制造工序去做，在Si覆蓋層111a的正上方，沉積含濃度約7×1019原子/cm3之低的磷(P)的N-多晶硅層129b，并在其上方沉積含濃度約7×1020原子/cm3之高的磷(P)的N+多晶硅層129a，即可實(shí)現(xiàn)圖6所示的雜質(zhì)濃度分布。
N-多晶硅層129b中的磷(P)的濃度，在讓濃度為它在Si覆蓋層111a中的固溶度的磷擴(kuò)散的那一濃度以下為宜。一般認(rèn)為這是因?yàn)槿粼赟i覆蓋層111a內(nèi)摻雜固溶度以上的磷(P)，就會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)缺陷，而該點(diǎn)缺陷又會(huì)助長(zhǎng)硼的擴(kuò)散。這里，磷在Si單晶中的固溶度約為1×1020原子/cm3左右，而磷(P)在各種半導(dǎo)體中的固溶度卻是一由半導(dǎo)體材料而定的固有值。另一方面，若N-多晶硅層129b中磷(P)的濃度過(guò)低，就不能獲得使磷(P)擴(kuò)散所需的驅(qū)動(dòng)力，故N-多晶硅層129b中磷(P)的濃度又必須在能使磷(P)擴(kuò)散到Si覆蓋層111a內(nèi)的那一濃度以上。此時(shí)，Si覆蓋層111a的上端部和N-多晶硅層129b中磷的濃度差，可由圖7所示的模擬求得，也可通過(guò)SIMS法測(cè)量試樣而求得。例如，對(duì)得到了圖7所示的磷(P)(DPS 7E19)的數(shù)據(jù)的試樣而言，在Si覆蓋層111a的上端部磷(P)的濃度約為2×1019原子/cm3，而在N-多晶硅層129b中磷(P)的濃度則約為6×1019原子/cm3。至于其他試樣，只要是這次模擬中所用的試樣，N-多晶硅層129b中磷(P)的濃度就必須在要摻雜到Si覆蓋層111a中的磷(P)的濃度的3倍左右。但是，二者間的濃度差，會(huì)因多晶硅或非晶硅(沉積時(shí)一般非晶硅為多)的沉積條件、底層Si覆蓋層111a和N-多晶硅層129b層間的交界層的狀態(tài)例如有無(wú)自然氧化膜、厚度如何等而異。也就是說(shuō)，可利用各有關(guān)制造工序下的試樣來(lái)做實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)來(lái)定出N-多晶硅層129b中合理的磷(P)的濃度范圍。
還有，N-多晶硅層129b的厚度范圍，視它和N+多晶硅層129a中磷(P)的濃度之間的關(guān)系而定，只要在這個(gè)范圍下，Si覆蓋層111a中不會(huì)摻雜有由于磷(P)從N+多晶硅層129a擴(kuò)散而在固溶度以上的磷(P)，且得到整個(gè)發(fā)射區(qū)引出電極129所必需的低電阻性即可。
需提一下，不僅可為N+多晶硅層129a、N-多晶硅層129b這樣的雙層；還可為3層以上的多晶硅層，例如在N+多晶硅層129a、N-多晶硅層129b之間形成磷的濃度也在二者間的第三多晶硅層等；也可這樣摻雜磷，即讓多晶硅中磷的濃度從固溶度以下連續(xù)地變化到超過(guò)固溶度。
(第二實(shí)施形態(tài))圖8為本發(fā)明第二實(shí)施形態(tài)中半導(dǎo)體器件即異質(zhì)雙極型晶體管(HBT)的剖面圖。該圖中雖僅示出了HBT的結(jié)構(gòu)，但一般多半還在同一個(gè)襯底上形成CMOS器件，在那種情形下，應(yīng)視為在未圖示的區(qū)域也有形成有CMOS器件的MIS晶體管。
如該圖所示，本實(shí)施形態(tài)中的HBT的結(jié)構(gòu)基本上和上述第一實(shí)施形態(tài)中的HBT的結(jié)構(gòu)一樣，只是發(fā)射區(qū)引出電極129的結(jié)構(gòu)、Si覆蓋層111a內(nèi)雜質(zhì)濃度的分布等不一樣。因此，在以下的說(shuō)明中，和第一實(shí)施形態(tài)相同的地方就不做什么說(shuō)明了，而僅說(shuō)明和第一實(shí)施形態(tài)不同的地方。
在本實(shí)施形態(tài)中，發(fā)射區(qū)引出電極129僅由N+多晶硅層形成，在發(fā)射區(qū)130即Si覆蓋層111a的上部卻摻雜了其濃度在它在Si單晶中的固溶度以上的磷(P)。不過(guò)，在Si覆蓋層111a的上部也摻雜了濃度較高的硼(B)。如后所述，由于該硼(B)的存在，而使成為內(nèi)部基區(qū)的P+Si1-xGex層中的硼(B)的濃度分布很陡峭。
圖9(a)、圖9(b)示出了本實(shí)施形態(tài)中半導(dǎo)體器件的制造工序的一部分。在本實(shí)施形態(tài)中，也進(jìn)行第一實(shí)施形態(tài)中從圖2(a)到圖3(a)的工序，只是在本實(shí)施形態(tài)中，第二沉積氧化膜112的厚度約為10nm。
在圖9(a)所示的工序下，先利用CVD法在晶圓上沉積非摻雜多晶硅膜，再向多晶硅膜中注入條件是摻雜量為3×1015原子/cm2的硼(B)離子，而形成被高濃度地?fù)诫s了硼(B)且厚度約150nm的P+多晶硅層115。接著，再沉積厚度約100nm的第三沉積氧化膜117，之后，再讓P+多晶硅層115中的硼(B)在溫度950℃、時(shí)間15秒的條件下擴(kuò)散。通過(guò)該熱處理，P+多晶硅層115中的硼(B)便通過(guò)第二沉積氧化膜112而被摻雜到Si覆蓋層111a中。
接著，在圖9(b)所示的工序下，通過(guò)干蝕刻將第三沉積氧化膜117和P+多晶硅層115圖案化，而在第三沉積氧化膜117和P+多晶硅層115的中央部分形成通到第二沉積氧化膜112的基區(qū)開口部分118。因該基區(qū)開口部分118比第二沉積氧化膜112的中央部分小，故該基區(qū)開口部分118不會(huì)跨越基區(qū)接合用開口部分114。經(jīng)此工序，就形成了由P+多晶硅層115和Si/Si1-xGex層111的中央部分以外的部分構(gòu)成的外部基區(qū)116。
這之后要進(jìn)行的工序沒(méi)有表示出來(lái)，但基本上是要進(jìn)行從圖4(a)到圖5(b)所示的工序的。只不過(guò)是在形成發(fā)射區(qū)引出電極129時(shí)，要先沉積N+多晶硅層，再將它圖案化而已。
圖10示意地示出了在本實(shí)施形態(tài)中的Si/Si1-xGex層111的縱斷面上，磷(P)及硼(B)的濃度分布。如該圖所示，在Si覆蓋層111a的上部，高濃度地?fù)诫s了從P+多晶硅層115通過(guò)第二沉積氧化膜112擴(kuò)散了的硼(B)。也就是說(shuō)，在和Si覆蓋層111a內(nèi)的發(fā)射區(qū)引出電極129的界面上，硼(B)的濃度極低，之后，硼(B)的濃度卻朝著下方急劇地增大，在離和Si覆蓋層111a內(nèi)的發(fā)射區(qū)引出電極129的界面幾納米的位置上，硼(B)的濃度出現(xiàn)了峰值。還有，成為內(nèi)部基區(qū)119的P+Si1-xGex層中的硼(B)的濃度分布，沒(méi)大蔓延到Si覆蓋層111a、i-Si1-xGex層中，而很陡峭。需提一下，即使在Si覆蓋層111a的上部高濃度地?fù)诫s了硼(B)，因摻雜了濃度更高的磷(P)，而使發(fā)射區(qū)130成為高濃度的N型。結(jié)果，它作為NPN型雙極型晶體管使用時(shí)，性能一點(diǎn)都不會(huì)下降。為什么得到了這樣的雜質(zhì)濃度分布，可由以下模擬來(lái)證實(shí)。
圖11示出了在本實(shí)施形態(tài)的半導(dǎo)體器件的制造工序下，讓硼(B)從P+Si1-xGex層擴(kuò)散到Si覆蓋層(其間夾著氧化膜)時(shí)，進(jìn)行SIMS測(cè)量所測(cè)得的數(shù)據(jù)。該圖中，橫軸表示相對(duì)深度，縱軸表示磷(P)或者硼(B)的濃度(原子/cm3)。而且，設(shè)P+多晶硅層中硼(B)的濃度為1×1020原子/cm3；硼擴(kuò)散時(shí)，夾在P+多晶硅層和Si覆蓋層間的氧化膜的厚度為10nm。不過(guò)，圖11中的數(shù)據(jù)是將P+多晶硅層圖案化，且形成了引出電極以后所測(cè)得的數(shù)據(jù)。再就是，為擴(kuò)散的熱處理的條件是溫度950℃、時(shí)間15秒。需提一下，因沒(méi)得到正確的磷(p)的數(shù)據(jù)，所以沒(méi)有圖示出來(lái)，但可認(rèn)為圖中虛線所示的分布即為它。
由圖11可知，所得到的磷(P)和硼(B)的濃度分布基本上和上述圖10相對(duì)應(yīng)。也就是說(shuō)，抑制了硼(B)從P+Si1-xGex層向它兩側(cè)的Si覆蓋層和i-Si1-xGex層擴(kuò)散，而使硼(B)的濃度分布很陡峭。亦即，硼(B)向Si覆蓋層111a及集電區(qū)102的擴(kuò)散得到了抑制。如圖11所示，因在本實(shí)施形態(tài)所示的制造工序下，進(jìn)行離子注入時(shí)，僅向P+多晶硅層115摻雜了重量較大的11B，故圖11中出現(xiàn)的硼(B)的峰值，不是由于硼(B)從P+Si1-xGex層擴(kuò)散而引起的，而是由于它從P+多晶硅層115擴(kuò)散而引起的。需提一下，由于SIMS測(cè)量的特點(diǎn)是在被濺射的區(qū)域中會(huì)有一定的寬度，故雖然看起來(lái)P+Si1-xGex層中硼的濃度分布向四方蔓延著，但實(shí)際上分布是比較陡峭的。
也就是說(shuō)，憑經(jīng)驗(yàn)證實(shí)了若按上述制造工序去做，讓硼(B)從P+多晶硅層擴(kuò)散到Si覆蓋層111a(其間夾著第二氧化膜112)，那么，為內(nèi)部基區(qū)的P+Si1-xGex層中的硼(B)的濃度分布就很陡峭。
但是，硼(B)在P+Si1-xGex層中的濃度分布很陡峭的理由還沒(méi)有找到。本案發(fā)明人的推論如下通過(guò)讓高濃度、即濃度在它在Si單晶中的固溶度以上的磷(P)從由N+多晶硅層構(gòu)成的發(fā)射區(qū)引出電極129擴(kuò)散到Si覆蓋層111a，那么，即使在Si覆蓋層111a內(nèi)產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，該點(diǎn)缺陷也會(huì)被從P+多晶硅層115擴(kuò)散到Si覆蓋層111a的硼(B)占據(jù)，這樣，P+Si1-xGex層即內(nèi)部基區(qū)的硼(B)的擴(kuò)散就得以抑制。
因此，最好在Si覆蓋層111a的至少上部，摻雜其濃度比P+Si1-xGex層(內(nèi)部基區(qū))的還高的硼，在整個(gè)Si覆蓋層111a上摻雜硼也是可以的。
需提一下，最好是，Si覆蓋層111a中，摻雜了硼(B)的那一區(qū)域被包含在該區(qū)域中被摻雜了其濃度比硼(B)的還高的磷的區(qū)域中。因?yàn)檫@樣能確保高耐壓性。
(其他實(shí)施形態(tài))需提一下，在本實(shí)施形態(tài)中，通過(guò)離子注入而向P+多晶硅層115中注入了硼(B)，但也可以通過(guò)原位摻雜法，向P+多晶硅層115中摻雜硼(B)。
還有，將硼(B)高濃度地?fù)诫s到Si覆蓋層111a的上部的方法，并不限于本實(shí)施形態(tài)中所說(shuō)明的方法。例如，可以在讓Si覆蓋層111a外延生長(zhǎng)的時(shí)候(第一實(shí)施形態(tài)中圖2(a)所示的工序)，通過(guò)原位摻雜法向Si覆蓋層111a的上部高濃度地?fù)诫s硼(B)，但未圖示制造工序。和上述第二實(shí)施形態(tài)中的制造方法相比，此法的好處是可將雜質(zhì)在Si覆蓋層111a中的濃度分布控制得很穩(wěn)定。
在上述各個(gè)實(shí)施形態(tài)中，基區(qū)層都是由Si1-xGex層(0≤x＜1)構(gòu)成的，不過(guò)，也可以代替Si1-xGex層，而用Si1-x-yGexCy(0≤x，y＜1)、Si1-yGey(0≤y＜1)來(lái)構(gòu)成基區(qū)層。還有，至少發(fā)射區(qū)、集電區(qū)中之一個(gè)也可由Si1-xGex層、Si1-x-yGexCy或者Si1-yGey構(gòu)成。
圖15示出了其中形成了Si1-x-yGexCy層的異質(zhì)雙極型晶體管(HBT)的剖面圖。它是用Si1-x-yGexCy層代替第一實(shí)施形態(tài)中的Si1-xGex層后而得到的，是一個(gè)變形例。該變形例中的HBT的結(jié)構(gòu)基本上和上述第一實(shí)施形態(tài)中的HBT的結(jié)構(gòu)一樣，只有以下幾點(diǎn)不一樣，在Si襯底100的上面從集電區(qū)開口部分110露出來(lái)的那一部分和第一沉積氧化膜108上，形成了由厚度約30nm的非摻雜層(i-Si1-x-yGexCy層)和摻雜了P型雜質(zhì)且厚度約60nm的摻雜層(P+Si1-x-yGexCy層)構(gòu)成的Si1-x-yGexCy層151b。而且還在它上面積了厚度約30nm的Si覆蓋層151a。該Si1-x-yGexCy層151b和Si覆蓋層151a構(gòu)成了Si/Si1-x-yGexCy層151(參看部分放大圖)。在Si襯底100中從集電區(qū)開口部分110露出的那一部分上，Si/Si1-x-yGexCy層151為沿著底層的Si襯底100的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的單晶結(jié)構(gòu)；而在第一沉積氧化膜108上，它卻是多晶結(jié)構(gòu)。而且，主要是Si1-x-yGexCy層151b中的中央部分(后述的基區(qū)開口部分118的下方區(qū)域)的下部成為內(nèi)部基區(qū)119，Si覆蓋層151a的中央部分成為發(fā)射區(qū)。再就是，Si1-x-yGexCy層的大部分被摻雜了濃度為2×1018原子/cm3左右的硼(B)等P型雜質(zhì)。圖15所示的其他部分都和第一實(shí)施形態(tài)一樣，故表示符號(hào)和圖1一樣而省略說(shuō)明。這時(shí)，在每個(gè)制造工序中，外延生長(zhǎng)Si1-x-yGexCy層來(lái)代替第一實(shí)施形態(tài)中外延生長(zhǎng)Si1-xGex層。
圖16示出了其中形成有Si1-x-yGexCy層的異質(zhì)雙極型晶體管(HBT)的剖面圖。它是用Si1-x-yGexCy層代替第二實(shí)施形態(tài)中的Si1-xGex層后而得到的，是一個(gè)變形例。如該圖所示，該變形例中的HBT的構(gòu)造基本上和上述第一實(shí)施形態(tài)的變形例中的HBT的結(jié)構(gòu)一樣，只是發(fā)射區(qū)引出電極129的結(jié)構(gòu)、和Si覆蓋層151a內(nèi)雜質(zhì)的濃度分布不同。下面，對(duì)和第一實(shí)施形態(tài)的變形例相同的結(jié)構(gòu)就不再做說(shuō)明了，而僅說(shuō)明和第一實(shí)施形態(tài)的變形例不同的地方。
在該變形例中，發(fā)射區(qū)引出電極129僅由N+多晶硅層構(gòu)成，在為Si覆蓋層151a之上部的發(fā)射區(qū)130中，摻雜了濃度在它在Si單晶中的固溶度以上的磷(P)。不過(guò)，在Si覆蓋層151a之上部也摻雜了濃度較高的硼(B)。如后所述，由于該硼(B)的存在，而使成為內(nèi)部基區(qū)的P+Si1-x-yGexCy層中的硼(B)的濃度分布很陡峭。這時(shí)，在每個(gè)制造工序中，外延生長(zhǎng)Si1-x-yGexCy層來(lái)代替第二實(shí)施形態(tài)中外延生長(zhǎng)Si1-xGex層。
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件，被應(yīng)用到用在電子產(chǎn)品中的雙極型晶體管等器件上，特別是處理高頻信號(hào)的器件上。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，它包括含有起集電區(qū)之作用的N型第一單晶半導(dǎo)體層的襯底；形成在所述第一單晶半導(dǎo)體層上、含有P型雜質(zhì)且起基區(qū)之作用的P型第二單晶半導(dǎo)體層；及形成在所述第二單晶半導(dǎo)體層上、其上部起發(fā)射區(qū)之作用的并由Si構(gòu)成的第三單晶半導(dǎo)體層；所述第三單晶半導(dǎo)體層中起發(fā)射區(qū)之作用的上部含有P型雜質(zhì)以及N型雜質(zhì)，所述上部含有的P型雜質(zhì)的濃度高于所述第二單晶半導(dǎo)體層中含有的P型雜質(zhì)的濃度，所述上部含有的N型雜質(zhì)的濃度高于所述上部含有的P型雜質(zhì)的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一單晶半導(dǎo)體層為Si層；所述第二單晶半導(dǎo)體層為SiGe層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一單晶半導(dǎo)體層為Si層；所述第二單晶半導(dǎo)體層為SiGeC層。
4.一種半導(dǎo)體器件的制備方法，它包括工序(a)，讓起基區(qū)之作用的P型第二單晶半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)在襯底上的起集電區(qū)之作用的N型第一單晶半導(dǎo)體層上；工序(b)，讓第三單晶半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)在所述第二單晶半導(dǎo)體層上；工序(c)，在所述第三單晶半導(dǎo)體層的至少上部摻入P型雜質(zhì)；工序(d)，在所述第三單晶半導(dǎo)體層上形成含有磷的半導(dǎo)體層；和工序(e)，通過(guò)進(jìn)行使所述半導(dǎo)體層內(nèi)的磷擴(kuò)散的熱處理，以在所述第三單晶半導(dǎo)體層上部中摻入濃度高于在所述工序(c)中所摻入的P型雜質(zhì)的磷，而使所述第3單晶半導(dǎo)體層的上部成為發(fā)射區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件的制備方法，其中所述工序(c)和所述工序(b)同時(shí)進(jìn)行，即一邊摻入P型雜質(zhì)一邊讓所述第三單晶半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件的制備方法，其中所述工序(c)在所述工序(b)之后進(jìn)行，即將P型雜質(zhì)的離子注入到所述第三單晶半導(dǎo)體層內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件的制備方法，其中在所述工序(b)之后且所述工序(c)之前，還進(jìn)一步包括在所述第三單晶半導(dǎo)體層上形成絕緣層的工序，和在所述絕緣層上形成含有P型雜質(zhì)的半導(dǎo)體層的工序；所述工序(c)是通過(guò)熱處理而將P型雜質(zhì)從所述半導(dǎo)體層通過(guò)所述絕緣層導(dǎo)入到所述第三單晶半導(dǎo)體層中而進(jìn)行的。
全文摘要
集電區(qū)(102)上形成有起基區(qū)之作用且由i－Si
文檔編號(hào)H01L21/8249GK1641885SQ20051000389
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2001年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月12日
發(fā)明者大西照人, 淺井明 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社