專利名稱：具有雙淺溝槽隔離和低基極電阻的雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，更具體而言，涉及這樣的雙極晶體管，
在其中顯著降低了基極到集電極電容(Ccb)的寄生成分和基極電阻(Rb) 以提高晶體管性能。根據(jù)本發(fā)明，使用雙溝槽隔離方案來降低Ccb的寄生 成分和Rb。在本發(fā)明的一些實施例中，雙溝槽隔離方案還允許突出的外 部基極完全為單晶的。
背景技術(shù)：
雙極晶體管是具有兩個彼此緊鄰的p-n結(jié)的器件。典型的雙極晶體管 具有三個器件區(qū)域發(fā)射極、集電極、和置于發(fā)射極與集電極之間的基極。 理想狀況下，兩個p-n結(jié)，即，發(fā)射極-基極結(jié)和集電極-基極結(jié)，在單層 半導(dǎo)體材料中并相隔一定的距離。通過改變鄰近結(jié)的偏置來調(diào)節(jié)一個p-n 結(jié)中的電流流動稱之為"雙極晶體管作用"。
如果發(fā)射極和集電極是n型摻雜的而基極是p型摻雜的，器件為"npn" 晶體管?；蛘?，如果使用相反的摻雜配置，那么器件就是"pnp"晶體管。 因為npn晶體管的基極區(qū)域中的少數(shù)栽流子即電子的遷移率高于pnp晶體 管的基極中的空穴的遷移率，因此使用npn晶體管器件可以獲得更高頻率 的操作和更高速度的性能。因此，npn晶體管構(gòu)成了用于構(gòu)建集成電路的 大多數(shù)的雙極晶體管。
隨著雙極晶體管的垂直尺寸的縮放程度越來越大，遭遇到了嚴重的器 件操作限制。用以解決這些限制的 一個,皮積極研究的方法是使用這樣的發(fā) 射極材料構(gòu)建晶體管，該發(fā)射極材料的帶隙大于在基極中所使用的材料的 帶隙。此類結(jié)構(gòu)稱之為異質(zhì)結(jié)晶體管。包括異質(zhì)結(jié)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可同時用于多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器
件。在多數(shù)栽流子器件中，最近開發(fā)出了其中由硅(Si)形成發(fā)射極而由 鍺硅(SiGe)合金形成基極的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT) 。 SiGe合金(通 常表示為硅鍺)的帶隙小于硅。
截止頻率(fT)和最大振蕩頻率(fmax)是用于高速晶體管的操作速 度的最具代表性的量度。由此，針對高速晶體管的設(shè)計和優(yōu)化的努力直接 指向最優(yōu)化這兩個參數(shù)。影響fT和fmax的器件參數(shù)之一^極到集電極 的電容(Ccb)。如本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所公知的，Ccb以與發(fā)射極和集 電極的電阻和跨導(dǎo)相關(guān)的RC延遲的形式對fT做出了貢獻?；鶚O到集電極 電容對fmax的貢獻遠遠超過任何其它參數(shù)，這是由于它對fmax具有雙重 影響 一是直接影響fmax，而另一個則是直接來自fT的影響。另一影響 fmax的器件參數(shù)A^極電阻Rb?，F(xiàn)在的雙極晶體管中的突出的外部基極 區(qū)域主要由多晶硅構(gòu)成，而多晶硅的遷移率比晶體硅小。對于這樣的器件 結(jié)構(gòu)，Rb受到多晶硅中的較^f氐的電荷載流子遷移率的限制。
總Ccb的超過三分之二來自外部部分，或寄生電容。該寄生電容是由 在有源晶體管區(qū)域之外并被淺溝槽隔離(STI)所包圍的集電極與基極(內(nèi) 部或外部)之間的交迭所導(dǎo)致的。由于覆蓋和對準(zhǔn)容差的限制，不能通過 光刻來最小化這些區(qū)域之間的交迭。此外，從基極區(qū)域到集電極區(qū)域的摻 雜劑的輸送加強的擴散會進一步增加電容。因此，減小寄生成分的器件的 結(jié)構(gòu)優(yōu)化是用于改善汀和fmax (即，器件的操作速度)的關(guān)鍵因素。另 外，Rb受外部基極電阻的限制，而外部基極電阻主要由多晶硅構(gòu)成。多 晶硅的主要電荷栽流子遷移率遠低于晶體硅。
Sato的題目為"Method for Manufacturing Bipolar Transistor Having Reduced Base-Collector Parasitic Capacitance"的美國專利No,5，599,723 公開了使用SiGe形成基極，而且減小了在集電極外延層與基極電極單晶 硅膜之間形成的寄生電容，因為將其之間的距離設(shè)置為約IOOO人。為了通 過現(xiàn)有技術(shù)降低寄生電容，必須增加內(nèi)部基極的厚度，由此截止頻率汀 會更小。將通過選擇性的外延生長形成的單晶形式的硅用于基極電極，尤其是通過形成SiGe的基極，會降低基極與集電極之間的寄生電容。在珪 半導(dǎo)體襯底的表面上形成包括集電極區(qū)域的整個器件。降低寄生電容的該 方法使用選擇性外延來生長內(nèi)部基極。
Bronner等人的題目為"High Performance Vertical Bipolar Transistor Structure via Self-aligning Processing Techniques" 的美國專利 No. 5,128,271公開了自對準(zhǔn)、垂直雙極晶體管結(jié)構(gòu)和制造這樣的結(jié)構(gòu)的方法， 通過提供正確的對準(zhǔn)來獲得"減小的寄生基極集電極電容，，。在解決寄生 基極集電極電容問題方面，Bronner等人的方法與本方法類似。然而，本 發(fā)明的方法具有在Bronner等人的專利中未描述的顯著的特征。例如，本 發(fā)明分離了主淺溝槽隔離形成與次淺隔離形成以降低寄生效應(yīng)。該主要的 差異允許穩(wěn)定的(robust)制造方法和靈活的器件性能。
Khater等人的題目為"Bipolar Transistor Structure With a Shallow Isolation Extension Region Providing Reduced Parasitic Capacitance"的美 國專利No.6，864，560公開了對雙極晶體管進行結(jié)構(gòu)修改以減小Ccb寄生成 分。更具體而言，Khater等人^Hf了部分地去除集電極與基極之間的過 度的交迭區(qū)域，并在形成外部基極區(qū)域之前使用介質(zhì)填充該區(qū)域。介質(zhì)將 集電極與外部基極分離，并且作為摻雜劑擴散的阻擋層以減小Ccb的寄生 成分。雖然Khater等人公開了使用雙淺溝槽隔離方案，但是本發(fā)明通過 提供具有鄰近集電極區(qū)域的傾斜的側(cè)壁的第二淺溝槽隔離改善了以前的技 術(shù)。本發(fā)明的第二溝槽隔離區(qū)域的傾斜的側(cè)壁給出了鄰近結(jié)的最大Ccb， 但卻保持集電極區(qū)域足夠?qū)捰纱吮３值偷募姌O電阻。
此外，本發(fā)明提供了與整個突出的外部基極區(qū)域交迭的延伸的第二淺 溝槽隔離，在本發(fā)明的一些實施例中，這允許突出的外部基極區(qū)域完全由 單晶硅構(gòu)成。在該情況下，Rb會因為晶體的突出的外部基極的較高的遷 移率而降低。而且，可以通過應(yīng)力層進一步改善基極的遷移率。
鑒于上述內(nèi)容，需要提供一種雙極晶體管，其中引入了這樣的結(jié)構(gòu)修 改，其能夠降低Ccb的寄生成分和Rb而對其它參數(shù)具有最小的不利影響。 典型的基于硅的雙極晶體管的Ccb的寄生成分是存在在器件的外部部分形成的基極-集電極p-n結(jié)的耗盡區(qū)域的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明，因為硅具有高介 電常數(shù)，因此可以通過在耗盡區(qū)域中采用具有降低的介電常數(shù)的材料來降 低寄生電容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種雙極晶體管，其克服了與現(xiàn)有雙極晶體管結(jié)構(gòu)相關(guān) 的上述缺陷。更具體而言，本發(fā)明提供了這樣的一種雙極晶體管，其被修 改過以減小Ccb和Rb的寄生成分而對其它晶體管W:具有最小的影響。 更具體而言，本發(fā)明提供了一種雙極晶體管，所述雙極晶體管具有雙淺溝 槽隔離配置和可選地具有應(yīng)力層的單晶硅突出的外部基極。
根據(jù)本發(fā)明，所迷雙淺溝槽隔離配置將Ccb的寄生成分減小到了低于 現(xiàn)有雙極晶體管的值。
概括地，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括
半導(dǎo)體襯底，具有在其中設(shè)置的至少一對相鄰的第一淺溝槽隔離 (STI)區(qū)域，所^目鄰的第一STI區(qū)域?qū)υ谒鲆r底中限定了有源區(qū)域；
集電極，設(shè)置在所述襯底的所述有源區(qū)域中的掩埋區(qū)域中，所述掩埋 區(qū)域具有梯度(graded)分布的摻雜劑；
基極層，設(shè)置在所述有源區(qū)域中的所述半導(dǎo)體襯底的表面的頂上；
突出的外部基極，設(shè)置在所述基極層上，所述突出的外部基極具有到 所述基極層的一部分的開口 ；
發(fā)射極，位于所述開口中并在所述突出的外部基極的一部分之上延伸， 所ii^射極與所述突出的外部基極分開并與其隔離；以及
第二淺溝槽隔離(STI)區(qū)域，在所述半導(dǎo)體襯底中從每對所述第一 淺溝槽隔離區(qū)域向內(nèi)朝向所迷集電 伸，其中所述第二STI區(qū)域具有鄰 近所述集電極的傾斜的內(nèi)部側(cè)壁表面，以及其中所述半導(dǎo)體襯底的上部被 保留在所述基極層之下。
根據(jù)本發(fā)明，所述突出的外部基極可以由多晶半導(dǎo)體材料或單晶(或 晶體)半導(dǎo)體材料構(gòu)成。在其中所述突出的外部基極由晶體半導(dǎo)體材料構(gòu)成的實施例中，可以在所述雙極晶體管之上形成應(yīng)力襯里(壓縮或拉伸)
以應(yīng)變所述突出的外部基極并改善所述突出的外部基極中的栽流子遷移率。
除了提供一種包括具有雙溝槽隔離配置的雙極晶體管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之 外，本發(fā)明還提供了一種制造這樣的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。概括地，本申請
的方法包括以下步驟
提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有在其中設(shè)置的至少 一對相鄰的 第一淺溝槽隔離(STI)區(qū)域，所勤目鄰的第一STI區(qū)域?qū)υ谒砸r底中 限定了有源區(qū)域；
在所迷半導(dǎo)體襯底的所述有源區(qū)域中形成具有梯度分布的摻雜劑的掩 埋區(qū)域；
在包括所述掩埋區(qū)域的所述半導(dǎo)體襯底的所述有源區(qū)域中形成集電
極；
在所述有源區(qū)域中的所述半導(dǎo)體襯底的表面的頂上形成基極層； 在所述半導(dǎo)體襯底中形成底切，所述底切從每對所述第一淺溝槽隔離
區(qū)域向內(nèi)朝向所述集電極延伸，其中所述底切具有鄰近所述集電極的傾斜
的內(nèi)部側(cè)壁表面；
在所述底切內(nèi)至少部分地形成氧化物；
在所述基極層上形成突出的外部基極，所述突出的外部基極具有到所 述基極層的一部分的開口；
在所述開口中形成發(fā)射極，所^射極在所述突出的外部基極的一部 分之上延伸，所ii^射極與所述突出的外部基極分開并與其隔離；以及
剝離在所述半導(dǎo)體村底之上延伸的所述氧化物而至少部分地在所述底 切中留下所述氧化物，由此形成從每對所述第一STI區(qū)域向內(nèi)朝向所述集 電極延伸的第二淺溝槽隔離。


圖l是描述了本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的圖示(通過橫截面圖)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括使用了雙淺溝槽隔離方案的雙極晶體管。
圖2_21是在本申請中使用的用于形成圖1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的_^ 出處理 步驟的圖示(通過橫截面圖)。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考下面的討論和本申請的附圖更加詳細地描述本發(fā)明，其提 供了具有雙淺溝槽隔離的雙極晶體管及其制造方法。應(yīng)該注意，提供附圖 用于說明的目的，因此未按比例繪制。
在下面的描述中，為了全面理解本發(fā)明，闡述了許多具體細節(jié)例如特 定的結(jié)構(gòu)、部件、材料、尺寸、處理步驟以及技術(shù)。然而，本領(lǐng)域內(nèi)的普 通技術(shù)人員將理解，可以實踐本發(fā)明而沒有這些具體細節(jié)。在其它實例中， 為了避免模糊本發(fā)明，沒有詳細描述公知的結(jié)構(gòu)或處理步驟。
應(yīng)該理解，當(dāng)作為層、區(qū)域或襯底的部件4皮稱作"在另一部件上"或"在 另一部件之上，，時，其可以直接在其它部件上或者也可以存在中間部件。相 反，當(dāng)部件被稱作"直接在另一部件上"或"直接在另一部件之上"時，則不 存在中間部件。同樣應(yīng)該理解，當(dāng)部件被稱作"在另一部件下"或"在另一部 件之下"時，其可以直接在其它部件下或之下，或者可以存在中間部件。相 反，當(dāng)部件被稱作"直接在另一部件下"或"直接在另一部件之下"時，則不 存在中間部件。
本發(fā)明提供了具有用于降^J^極到集電極電容Ccb的寄生成分的雙淺 溝槽隔離的改善的雙極晶體管。這樣的雙淺溝槽隔離方案的使用改善了汀 和fmax而對其它雙極晶體管參數(shù)具有最小的影響。也就是，使用雙淺溝 槽隔離配置改善了器件的操作速度。
圖l是示例了本申請的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的圖示表示(通過橫截面圖)。 圖1中所示的結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底12，其具有置于其中的至少一對相 鄰的第一淺溝槽隔離(STI)區(qū)域14。相鄰的第一 STI區(qū)域l4對在襯底 12中限定了有源區(qū)域16。圖1中所示的結(jié)構(gòu)還包括在半導(dǎo)體襯底U的有 源區(qū)域16中"^殳置的集電極24、設(shè)置在有源區(qū)域16中的半導(dǎo)體襯底12的表面的頂上的基極層26、以及在基極層26上i殳置的突出的外部基極48。 應(yīng)該注意，集電極24位于具有梯度分布的摻雜劑的掩埋區(qū)域18中。根據(jù) 本發(fā)明和圖1中所示的內(nèi)容，突出的外部基極48具有到基極層26的一部 分的開口 。突出的外部基極可以包括多晶半導(dǎo)體材料或晶體半導(dǎo)體材料。 發(fā)射極54位于開口中并在突出的外部基極48的一部分之上延伸。如圖所 示，發(fā)射極54與突出的外部基極54分開并與其隔離。
而且，除了第一 STI區(qū)域之外，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)12中還存在笫二淺溝 槽隔離(STI)區(qū)域42'，其從每對第一淺溝槽隔離區(qū)域16向內(nèi)朝向集電 極24延伸。第二STI區(qū)域42，具有傾斜的內(nèi)部側(cè)壁表面45。
根據(jù)本發(fā)明和圖l中所示，第二STI區(qū)域42，位于基極層26之下，具 有位于其間的半導(dǎo)體層即襯底12的上部。而且，如圖l中所示，第二STI 區(qū)域42，位于突出的外部基極48的整個區(qū)域之下。
下面將參考本申請的方法描述，更加詳細地解釋未在上面具體提及的 而在圖1中標(biāo)記的雙極晶體管結(jié)構(gòu)的其它部件。
現(xiàn)在參考圖2-21，圖2-21是圖示表示，其示例了在形成圖1中所示出 的結(jié)構(gòu)時所4吏用的本發(fā)明的處理步驟(通過橫截面圖)。
圖2示出了初始結(jié)構(gòu)10，其包括具有在其中形成的第一淺溝槽隔離區(qū) 域14的半導(dǎo)體襯底12、以及構(gòu)圖的硬掩模15，構(gòu)圖的硬掩模15位于不會 形成雙極晶體管的襯底12的區(qū)域上。也就是，構(gòu)圖的硬掩模15保護了在 其中不會形成雙極晶體管的襯底12的部分，而暴露襯底12的有源區(qū)域。 有源區(qū)域16是在一對相鄰的第一淺溝槽隔離區(qū)域14之間的襯底12的區(qū) 域，在其中將形成雙極晶體管。
初始結(jié)構(gòu)10的半導(dǎo)體襯底12包括任何半導(dǎo)體材料，其包括，例如， Si、 SiC、 SiGeC、 Ge、 SiGe、 Ga、 GaAs、 InAs、 InP、以及其它III/V族 或II/VI族化合物半導(dǎo)體。這里也可以考慮分層的半導(dǎo)體例如Si/SiGe、和 絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)。典型地，半導(dǎo)體襯底12為包含Si的半導(dǎo)體例 如Si、 SiC、 SiGe、 SiGeC、或絕緣體上硅。半導(dǎo)體襯底12可以是無應(yīng)變 的、應(yīng)變的或在其中包括應(yīng)變和無應(yīng)變區(qū)域。半導(dǎo)體襯底12可以是本征的或可以通過例如但不局限于B、 As或P來摻雜。
利用本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所^^的技術(shù)將第一淺溝槽隔離區(qū)域14形 成到村底12中。例如，通過光刻、蝕刻、可選地形成溝槽襯里、溝槽填充 和平坦化來形成第一淺溝槽隔離。溝槽填充包括例如高密度氧化物或來自 例如正硅酸乙酯(TEOS)的前體的氧化物的介質(zhì)材料。遍及本發(fā)明使用 術(shù)語"淺"來表示在形成淺溝槽隔離區(qū)域時使用的溝槽的深度(從襯底 的上表面測量)為約0.3 pm或更小，更典型地溝槽深度為約250-350nm 或更小。
在處理半導(dǎo)體襯底12之后，利用常規(guī)淀積方法在襯底12和第一淺溝 槽隔離區(qū)域14的表面上形成例如氧化物、氮氧化物、氮化物或其多層的石更 掩模材料的覆蓋(blanket)層。示例性地，可以通過化學(xué)氣相淀積(CVD )、 等離子體增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)、原子層淀積(ALD)，蒸發(fā)、 物理氣相淀積(PVD)、和其它類似的淀積方法來形成硬掩模材料的覆蓋 層。典型地，硬掩才莫材料為氧化物。
在襯底12和第一淺溝槽隔離區(qū)域14上淀積石更掩才莫材料的覆蓋層之后， 光刻和蝕刻來構(gòu)圖硬掩模材料，以在襯底12上開口其中將隨后形成雙極晶 體管的有源區(qū)域16。在本發(fā)明的該步驟中，形成了上述的構(gòu)圖的硬掩才莫l5。 該光刻步驟包括，向硬掩才莫材料的表面施加光致抗蝕劑(未示出)，將光 致抗蝕劑暴露到希望的輻射圖形，并利用常規(guī)抗蝕劑顯影劑顯影曝光的抗 蝕劑。蝕刻步驟包括任何干法蝕刻方法例如反應(yīng)離子蝕刻、離子束蝕刻、 等離子體蝕刻或激光燒蝕。雖然典型地使用干法蝕刻方法，但是還可以考 慮化學(xué)濕法蝕刻方法用于蝕刻硬掩模材料。在蝕刻之后，剝離抗蝕劑以提 供圖2中所示的初始結(jié)構(gòu)10。
應(yīng)該注意，有源區(qū)域16的尺寸即寬度與隨后將形成的最終的外部基極 的寬度相同。典型地，有源區(qū)域16的寬度為約750到約1500nm，更典型 地為1000nm。圖3示出了在半導(dǎo)體襯底12的有源區(qū)域16中形成掩埋區(qū) 域18之后形成的結(jié)構(gòu)。在其中將隨后形成集電極的村底12的有源區(qū)域16 中形成掩埋區(qū)域18。根據(jù)本發(fā)明，掩埋區(qū)域18具有用于控制第二淺溝槽隔離的側(cè)壁的最終傾斜的梯度摻雜劑分布。具體地，梯度分布使掩埋區(qū)域
18的頂部處的蝕刻速率大于掩埋區(qū)域18的底部處的蝕刻速率。這可以通 過利用蝕刻速率隨摻雜劑濃度變化并且對村墊12的材料非常具有選擇性 的濕法蝕刻來實現(xiàn)。掩埋區(qū)域18包括Ge、 P和As中的一種，并且這些摻 雜劑以在本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所/^p的范圃內(nèi)變化的濃度存在于掩埋區(qū)域 18中。
可以通過離子注入或通過在集電極外延生長期間使用原位摻雜來形成 掩埋區(qū)域18。選擇離子注入和原位摻雜的條件，以形成具有梯度摻雜劑分 布的掩埋區(qū)域18。
接下來，利用上述的常規(guī)光刻在圖3中所示的結(jié)構(gòu)上形成構(gòu)圖的光致 抗蝕劑20。如圖4中所示，構(gòu)圖的光致抗蝕劑20具有開口 22，其暴露了 包括掩埋區(qū)域18的襯底12的有源區(qū)域16的一部分。然后，通過選擇性離 子注入，利用構(gòu)圖的光致抗蝕劑作為離子注入4iH莫，在半導(dǎo)體襯底12中形 成集電極選擇性注入(SIC) 24。典型地，集電極24包括在本發(fā)明的該步 驟期間注入到半導(dǎo)體襯底12中的P或As。
在形成集電極24之后，利用本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員公知的常規(guī)抗蝕劑剝 離方法剝離構(gòu)圖的光致抗蝕劑20。在本發(fā)明的此處，使用低溫(在約450 。C至約700。C的量級上)外延生長方法在村底12暴露的表面上和笫一淺溝 槽隔離區(qū)域14的頂部上形成基極層26。可選的基極覆層28可以被設(shè)置在 基極層26頂部。例如，圖5示出了包括基極層26和可選的基極覆層28 的產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。
包括Si、 SiGe或Si和SiGe的組合的基極層26在半導(dǎo)體襯底12的暴 露的表面的頂上為單晶26a而在第一淺溝槽隔離區(qū)域14的頂上為多晶 26b。優(yōu)選但非必須地，基極層26包括SiGe。在本發(fā)明的該步驟中形成的 基極層26的厚度典型地具有約400到約6000A的外延生長之后的厚度。 應(yīng)該注意，在半導(dǎo)體襯底12的頂部上的基極層26的厚度比在第一淺溝槽 隔離區(qū)域14的頂部上的基極層26的厚度大。
在形成基極層26之后，可選地，在基極層26的單晶區(qū)域26a的頂上形成由包含Si的材料構(gòu)成的基極覆層28。典型地，當(dāng)基極層26包括SiGe 時，存在基M層28。當(dāng)存在時，利用上述低溫外延生長方法形成基M 層28。 1jfeL覆層28典型地具有約5至約15nm的厚度。
在形成圖5中所示的結(jié)構(gòu)之后，利用包括例如CVD、 PECVD、 PVD、 蒸發(fā)、化學(xué)溶液淀積和其它相似的淀積方法的常規(guī)淀積方法形成包括氧化 物層32和氮化物層34的<^質(zhì)疊層30。例如，圖6中示出了包括^h質(zhì)疊層 30的結(jié)構(gòu)。介質(zhì)疊層30的氧化物層32具有通常小于上覆的氮化物層34 的厚度的厚度。典型地，氧化物層32具有約10到約20nm的厚度，而氮 化物層34具有約100到約200nm的厚度。
在形成^h質(zhì)疊層30之后，在氮化物層34的表面的頂上形成第二構(gòu)圖 的光致抗蝕劑36，以提供圖7中所示的結(jié)構(gòu)。如圖所示，第二構(gòu)圖的光致 抗蝕劑作為掩模以保護介質(zhì)疊層30和下面的有源區(qū)域16中的基極層26 的部分。利用上述光刻形成笫二構(gòu)圖的光致抗蝕劑36。
然后，^_用在介質(zhì)疊層30的頂部上的構(gòu)圖的光致抗蝕劑30進^f亍千法 蝕刻方法例如反應(yīng)離子蝕刻以提供構(gòu)圖的氮化物層34，，該干法蝕刻方法 相比于氧化物選擇性地去除氮化物。在蝕刻工藝之后，利用常規(guī)抗蝕劑剝 離方法去除笫二光致抗蝕劑30，然后，利用選擇性去除氧化物的蝕刻方法 去除未被構(gòu)圖的氮化物層34，所保護的氧化物層32的暴露的部分。例如， 使用緩沖的HF蝕刻。形成構(gòu)圖的氧化物32，。本發(fā)明的這些步驟提供了在 圖8中示出的結(jié)構(gòu)。具體而言，這些步驟在有源區(qū)域16的頂部上提供了構(gòu) 圖的介質(zhì)疊層30，。
然后，對圖8中所示的結(jié)構(gòu)實施選擇性去除半導(dǎo)體材料的反應(yīng)離子蝕 刻工藝。該反應(yīng)離子蝕刻步驟去除了未被構(gòu)圖的介質(zhì)疊層30，所保護的基 極層26的暴露的部分。注意，通過監(jiān)視蝕刻劑流中存在的摻雜劑，以在掩 埋區(qū)域18的表面的頂上停止該蝕刻步驟。圖9示出了在進行了該反應(yīng)離子 蝕刻步驟之后形成的產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。
然后，在構(gòu)圖的介質(zhì)疊層30，的暴露的側(cè)壁上和基極覆層28、單晶層 (在此之后僅將該單晶部分標(biāo)記為26)和襯底12的上部的蝕刻的表面上形成隔離物38。通過淀積和蝕刻形成隔離物38，該隔離物38包括氧化物、 氮化物或其組合和多層。在本發(fā)明中采用隔離物38以在隨后的底切步驟期 間保護基極層26。圖10示出了包括隔離物38的產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。
圖11示出了在底切位于構(gòu)圖的介質(zhì)疊層30，之下的半導(dǎo)體襯底12的 一部分之后形成的結(jié)構(gòu)。通過橫向去除預(yù)先形成到半導(dǎo)體襯底12中的掩埋 區(qū)域18的一部分來實施該底切。反應(yīng)離子蝕刻和濕法蝕刻的任何組合可以 用于形成底切區(qū)域。圖11中用參考標(biāo)號40標(biāo)記的底切區(qū)域作為用于形成 第二溝槽隔離區(qū)域的溝槽。由于第二溝槽隔離區(qū)域?qū)⑴c第一淺溝槽隔離區(qū) 域14接觸，因此可將其看作第一淺溝槽隔離區(qū)域14的擴展。
根據(jù)本申請，底切區(qū)域40具有在基極層26的單晶部分之下的內(nèi)部側(cè) 壁表面45，該內(nèi)部側(cè)壁表面45是傾斜的，即，錐形的。傾斜的側(cè)壁是存 在于掩埋區(qū)域18中的梯度摻雜劑分布的直接結(jié)果。傾斜的側(cè)壁具有從底切 區(qū)域的上表面測量至傾斜的側(cè)壁的角度oc,其中a小于卯。，典型地小于 70° 。
具有這樣的傾斜側(cè)壁的淺溝槽隔離區(qū)域的有益效果為該幾何形狀提供 了鄰近集電M極結(jié)的最大Ccb，而保持集電極區(qū)域是寬的。寬的集電極 有助于保持低的集電極電阻。
還應(yīng)注意，在本發(fā)明中，半導(dǎo)體襯底層保持在基極區(qū)域之下。半導(dǎo)體
基極聯(lián)系在一起。
圖12示出了本發(fā)明的一個實施例，而圖13示出了本發(fā)明的另一實施 例。在圖12中示出的實施例中，實施保形(conformal)氧化物淀積方法 以使用氧化物42完全填充底切區(qū)域40。如所示，氧化物42在半導(dǎo)體襯底 12的表面之上和構(gòu)圖的介質(zhì)30，之上延伸。在本申請中所采用的氧化物42 具有低介電常數(shù)。在一個實施例中，氧化物為氧化硅，其具有僅為硅的33 %的介電常數(shù)。在本發(fā)明的進一步的處理步驟之后留下在底切區(qū)域40中的 氧化物作為了笫二淺溝槽隔離區(qū)域。
圖13中描述的實施例中，實施非保形氧化物淀積方法以使用氧化物42僅僅部分填充底切區(qū)域40。底切區(qū)域的未填充的部分為空隙(或真空) 44?？障?4具有比氧化物低的介電常數(shù)?？障?4與在本申請的隨后的處 理步驟器件未去除的剩下的氧化物42 —起作為本發(fā)明的該特定實施例中 的第二淺溝槽隔離區(qū)域。
然后，對圖12和13中所示的結(jié)構(gòu)實施平坦化方法例如化學(xué)機械拋光 和凹進(recess)蝕刻步驟例如反應(yīng)離子蝕刻。
圖14示出了在對圖12中所示的結(jié)構(gòu)實施平坦化和凹進蝕刻步驟之后 形成的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意，雖然示出了底切區(qū)域40為完全^f吏用氧化物填充， 4旦是可以具有與其中底切區(qū)域包括空隙44和氧化物42的圖14中所示結(jié)構(gòu) 相似的結(jié)構(gòu)。
圖15示出了在從圖14中所示結(jié)構(gòu)去除了構(gòu)圖的氮化物層34，之后形 成的結(jié)構(gòu)。通過利用選擇性去除氮化物的剝離方法進行構(gòu)圖的氮化物層34， 的去除。例如，可以使用熱磷酸蝕刻方法從結(jié)構(gòu)中去除構(gòu)圖的氮化物36，。
然后，在圖15中所示的結(jié)構(gòu)上形成另一構(gòu)圖的氮化物層46，以提供 圖16中所示的結(jié)構(gòu)。如圖所示，使用構(gòu)圖的氮化物層46的一部分例如發(fā) 射極芯(mandrel) 46a限定突出的外部基極區(qū)域，而將剩下的構(gòu)圖的氮化 物層46稱作場氮化物。然后，實施氧化物剝離以去除未凈id射極芯46a 保護的暴露的構(gòu)圖的氧化物層34，。通過淀積、光刻和蝕刻形成發(fā)射極芯 46a。
現(xiàn)在，在圖16中所示的結(jié)構(gòu)上形成突出的外部基極48。在本發(fā)明的 一個實施例中，突出的外部基極48是通過淀積、平坦化和凹進形成的多晶 半導(dǎo)體材料。在另一實施例中，突出的外部基極48為通過選擇性外延生長 形成的晶體半導(dǎo)體材料。突出的外部基極48包括摻雜的多晶或晶體半導(dǎo)體 材料，其包括，例如，多晶Si、 Si、 SiGe或其多層。優(yōu)選但非必須地，突 出的外部基極48包括摻雜的多晶Si?？梢岳美鏑VD、 PECVD、蒸發(fā) 或PVD的常規(guī)淀積方法實施突出的外部基極48的淀積。平坦化步驟包括 化學(xué)機械拋光、研磨或其組合，而蝕刻步驟典型地包括定時的反應(yīng)離子蝕 刻方法。利用本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員//^p的工藝實施選擇性外延。然后淀積、平坦化、和凹進隔離氧化物50,以提供圖18中所示的結(jié) 構(gòu)。淀積、平坦化和凹進包括與上述用于形成突出的外部基極48的技術(shù)相 同的1^出技術(shù)。
然后，利用選擇性去除氮化物的例如反應(yīng)離子蝕刻或熱磷酸蝕刻的蝕 刻方法從結(jié)構(gòu)去除包括發(fā)射極芯46a的構(gòu)圖的氮化物46。然后，通過淀積 和蝕刻形成氮化物隔離物52，以提供圖19中所示的結(jié)構(gòu)。如圖所示，氮 化物隔離物52位于隔離氧化物50和突出的外部 148的側(cè)壁上。
圖20示出了在進行了氧化物剝離方法之后和通過去除未被氮化物隔 離物52所保護的暴露的氧化物、淀積、光刻和蝕刻之后形成發(fā)射極54和 發(fā)射極覆層56之后所形成的結(jié)構(gòu)。去除在突出的外部基極的部分之間的氧 化物提供了到基極層的開口。在該開口內(nèi)并在突出的外部基極之上形成的 發(fā)射極54包括多晶Si、多晶SiGe、或其多層組。典型地，發(fā)射極54由多 晶Si構(gòu)成。發(fā)射極覆層56由氮化物構(gòu)成。
接下來，實施氧化物剝離方法以從結(jié)構(gòu)去除過量的氧化物42和構(gòu)圖的 硬掩模15。然后，在發(fā)射極區(qū)域周圍形成氮化物隔離58，并通過利用常規(guī) 珪化方法將硅化物區(qū)域60形成到暴露的半導(dǎo)體襯底12和突出的外部基極 48中。珪化方法包括淀積能夠與硅反應(yīng)形成硅化物的金屬、退火、去除任 何未反應(yīng)的金屬、以及可選地實施第二次退火。在形成硅化物時使用的金 屬包括Ti、 Co和Ni中的一種，典型地優(yōu)選Co。本申請的這些步驟提供 了圖1中示出的結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該注意，在氧化物剝離期間，去除在村底12的表面之上延伸的氧化 物42限定了本結(jié)構(gòu)的第二淺溝槽隔離區(qū)域42，?？梢允褂醚趸锿耆畛?第二淺溝槽隔離區(qū)域42，，或者可以在第二淺溝槽隔離區(qū)域42，中存在空隙。 第二淺溝槽隔離區(qū)域42，與第一淺溝槽隔離區(qū)域14中的一個的邊緣直接接 觸。此外，第二淺溝槽隔離區(qū)域42，從第一淺溝槽隔離區(qū)域向內(nèi)朝集電極 24延伸。第二淺溝槽隔離區(qū)域42，具有傾斜的內(nèi)部側(cè)壁表面45。
在這里需要強調(diào)地是，在本發(fā)明中，在生長集電極和基極之后形成第 二淺溝槽隔離。與^f吏用上述現(xiàn)有方法的情況相比，該方法序列提供的結(jié)構(gòu)的Ccb具有較大下降。此外，該方法序列消除了固有結(jié)電容和集電極注入 所引起的電容。
圖21示出了本發(fā)明的實施例，其中提供了圖1中所示的結(jié)構(gòu)而突出的 外部基極48由晶體半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。在利用與圖l-20相關(guān)聯(lián)的上述基 礎(chǔ)處理步驟形成圖1中所示的結(jié)構(gòu)之后，在圖1中所示的結(jié)構(gòu)之上形成壓 縮或拉伸應(yīng)力材料70和層內(nèi)介質(zhì)72。壓縮或拉伸應(yīng)力材料70典型地為由 例如氮化珪的氮化物。通過常規(guī)淀積方法形成應(yīng)力材料70。應(yīng)該注意，應(yīng) 力材料70將應(yīng)力引入到突出的外部基極48，由此提供了應(yīng)變的突出的外 部基極48，。 應(yīng)變的突出的外部基極48，具有比無應(yīng)變的突出的外部基極 增大的栽流子遷移率。發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變的晶體半導(dǎo)體具有增加的遷移率，而在 多晶半導(dǎo)體材料卻幾乎看不到遷移率的增加。層內(nèi)介質(zhì)72包括常規(guī)介質(zhì)例 如Si02、硅酸鹽玻璃等。
雖然關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選實施例具體地顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng) 域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下在 形式和細節(jié)上^t出上述和其它的改變。因此旨在本發(fā)明并不局限于描述和 示例的確切的形式和細節(jié)，但要落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底，具有在其中設(shè)置的至少一對相鄰的第一淺溝槽隔離(STI)區(qū)域，所述相鄰的第一STI區(qū)域?qū)υ谒鲆r底中限定了有源區(qū)域；集電極，設(shè)置在所述襯底的所述有源區(qū)域中的掩埋區(qū)域中，所述掩埋區(qū)域具有梯度分布的摻雜劑；基極層，設(shè)置在所述有源區(qū)域中的所述半導(dǎo)體襯底的表面的頂上；突出的外部基極，設(shè)置在所述基極層上，所述突出的外部基極具有到所述基極層的一部分的開口；發(fā)射極，位于所述開口中并在所述突出的外部基極的一部分之上延伸，所述發(fā)射極與所述突出的外部基極分開并與其隔離；以及第二淺溝槽隔離(STI)區(qū)域，在所述半導(dǎo)體襯底中從每對所述第一淺溝槽隔離區(qū)域向內(nèi)朝向所述集電極延伸，其中所述第二STI區(qū)域具有鄰近所述集電極的傾斜的內(nèi)部側(cè)壁表面，以及其中所述半導(dǎo)體襯底的上部被保留在所述基極層之下。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二 STI區(qū)域被用氧化 物完全填充。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二 STI區(qū)域^皮用氧化 物部分地填充并部分地包含空隙，所述空隙鄰近錐形的所述內(nèi)部側(cè)壁表面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二 STI區(qū)域位于所述 基極層之下，并且半導(dǎo)電層位于其間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二 STI區(qū)域位于所述 突出的外部基極的整個區(qū)域之下。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述基極層包括Si、 SiGe及 其組合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述突出的外部基極包括多晶 半導(dǎo)體材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述突出的外部基極包括晶體 半導(dǎo)體材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的壓縮 或拉伸應(yīng)力材料以增加在所述晶體半導(dǎo)體材料內(nèi)的載流子的遷移率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括位于所述突出的外部基極 和所述半導(dǎo)體襯底的表面部分中的硅化物區(qū)域。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述有源區(qū)域中的所述基極 層完全為單晶。
12. —種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底，具有在其中設(shè)置的至少一對相鄰的第一淺溝槽隔離 (STI)區(qū)域，所ii4目鄰的第一STI區(qū)域?qū)υ谒鲆r底中限定了有源區(qū)域；集電極，設(shè)置在所述村底的所述有源區(qū)域中的掩埋區(qū)域中，所述掩埋 區(qū)域具有梯度分布的摻雜劑；完全單晶的基極層，設(shè)置在所述有源區(qū)域中的所述半導(dǎo)體襯底的表面 的頂上；突出的外部基極，設(shè)置在所述基極層上，所述突出的外部基極具有到 所述基極層的一部分的開口 ；發(fā)射極,位于所述開口中并在所述突出的外部基極的一部分之上延伸， 所^C射極與所述突出的外部基極分開并與其隔離；以及第二淺溝槽隔離(STI)區(qū)域，在所述半導(dǎo)體襯底中從每對所述第一 淺溝槽隔離區(qū)域向內(nèi)朝向所述集電極延伸，其中所述第二STI區(qū)域具有鄰 近所述集電極的傾斜的內(nèi)部側(cè)壁表面，以及其中所述半導(dǎo)體襯底的上部被 保留在所述基極層之下。
13. 才艮據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二 STI區(qū)域^:用氧 化物完全填充。
14. 才艮據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二 STI區(qū)域被用氧 化物部分地填充并部分地包含空隙，所迷空隙鄰近錐形的所述內(nèi)部側(cè)壁表 面。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二 STI區(qū)域位于所 述基極層之下，并且半導(dǎo)電層位于其間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述第二 STI區(qū)域位于所 述突出的外部基極的整個區(qū)域之下。
17. 才艮據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述基極層包括Si、 SiGe 及其組合。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述突出的外部基極包括晶 體半導(dǎo)體材料。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的壓 縮或拉伸應(yīng)力材料以增加在所述晶體半導(dǎo)體材料內(nèi)的載流子的遷移率。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括位于所述突出的外部基極 和所述半導(dǎo)體襯底的表面部分中的硅化物區(qū)域。
21. —種制造半導(dǎo)體襯底的方法，包括以下步驟 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有在其中設(shè)置的至少 一對相鄰的第一淺溝槽隔離(STI)區(qū)域，所勤目鄰的第一 STI區(qū)域?qū)υ谒鲆r底中 限定了有源區(qū)域；在所述半導(dǎo)體襯底的所述有源區(qū)域中形成具有梯度分布的摻雜劑的掩 埋區(qū)域；在包括所述掩埋區(qū)域的所述半導(dǎo)體襯底的所述有源區(qū)域中形成集電極；在所述有源區(qū)域中的所述半導(dǎo)體襯底的表面的頂上形成基極層；在所述半導(dǎo)體襯底中形成底切，所述底切從每對所述第一淺溝槽隔離 區(qū)域向內(nèi)朝向所述集電極延伸，其中所述底切具有鄰近所述集電極的傾斜的內(nèi)部側(cè)壁表面；在所述底切內(nèi)至少部分地形成氧化物；在所述基極層上形成突出的外部基極，所迷突出的外部基極具有到所 述基極層的 一部分的開口 ；在所述開口中形成發(fā)射極，所U射極在所述突出的外部基極的一部分之上延伸，所M射極與所述突出的外部基極分開并與其隔離；以及剝離在所述半導(dǎo)體村底之上延伸的所述氧化物而在所述底切中至少部 分地留下所述氧化物，由此形成從每對所述第一STI區(qū)域向內(nèi)朝向所述集 電to^伸的第二淺溝槽隔離。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中形成所述氧化物包括使用所述氧化 物完全填充所述底切。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中形成所述氧化物包括使用所述氧化 物部分地填充所述底切并在其中留下空隙，所述空隙鄰近傾斜的所述內(nèi)部 側(cè)壁表面。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中形成所述底切包括這樣的蝕刻方法，頂部。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包括在剝離所迷氧化物之后進行自對 準(zhǔn)的硅化方法。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中形成所述突出的外部基極包括淀積 多晶半導(dǎo)體材料。
27. 根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中形成所述突出的外部基極包括選擇 性外延生長晶體半導(dǎo)體材料。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，還包括在所述結(jié)構(gòu)上形成應(yīng)力材料。
全文摘要
一種雙極晶體管結(jié)構(gòu)包括具有在其中設(shè)置的至少一對相鄰的第一淺溝槽隔離(STI)區(qū)域(14)的半導(dǎo)體襯底(12)。所述相鄰的第一STI區(qū)域?qū)υ谒鲆r底中限定有源區(qū)域(16)。所述結(jié)構(gòu)還包括在所述襯底的所述有源區(qū)域中設(shè)置的集電極(24)、在所述有源區(qū)域中的所述半導(dǎo)體襯底的表面的頂上設(shè)置的基極層(26)、以及在所述基極層上設(shè)置的突出的外部基極(48)。根據(jù)本發(fā)明，所述突出的外部基極具有到所述基極層的一部分的開口。發(fā)射極(54)位于所述開口中并在所述構(gòu)圖的突出的外部基極的一部分上延伸；所述發(fā)射極與所述突出的外部基極分開并與其隔離。此外，除了所述第一STI區(qū)域之外，在所述半導(dǎo)體襯底中還存在第二淺溝槽隔離(STI)區(qū)域(42’)，其從每對所述第一淺溝槽隔離區(qū)域向內(nèi)朝向所述集電極延伸。所述第二STI區(qū)域具有傾斜的內(nèi)部側(cè)壁表面。
文檔編號H01L29/737GK101410959SQ200780011019
公開日2009年4月15日 申請日期2007年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月21日
發(fā)明者A·斯特里克, B·奧爾納, M·哈提爾, M·達爾斯特倫 申請人:國際商業(yè)機器公司