專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及包括雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管在內(nèi)的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
使用III-V族化合物半導(dǎo)體的普通異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管已有過(guò)描述，例如，在National Technical Report Vo1.39 No.6(Dec.1993)，pp.729-735中(第一先前技術(shù))。其剖面結(jié)構(gòu)表示在圖2(a)中。在GaAs襯底1上形成重?fù)诫s的n-型GaAs輔助收集極層2、n-型GaAs收集極層3、重?fù)诫s的p-型GaAs基極層4、n-型AlGaAs發(fā)射極層5，用于形成歐姆接觸的重?fù)诫sn-型InGaAs覆蓋層6，以及重?fù)诫sn-型InGaAs層7。在裸露的發(fā)射區(qū)、基區(qū)和輔助收集區(qū)分別形成發(fā)射極電極8、基極電極10和收集極電極16。標(biāo)識(shí)號(hào)38表示采用質(zhì)子注入形成的高阻區(qū)。根據(jù)這種器件結(jié)構(gòu)，發(fā)射極電極面積大于由SiN層39形成的、用來(lái)與引線金屬20相連的發(fā)射區(qū)接觸孔面積。
在IEEE Electron Device Letters EDL-8(1987)，pp.246-248中描述了使用III-V族化合物半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的另一例子(第二先前技術(shù))。其剖面結(jié)構(gòu)示于圖2(b)。在GaAs襯底1上形成重?fù)诫s的n-型GaAs輔助收集極層2、n-型GaAs收集極層3、重?fù)诫s的p-型GaAs基極層4、未摻雜的GaAs基極間隔層4、n-型AlGaAs發(fā)射極層5以及用于形成歐姆接觸的重?fù)诫sn-型GaAs覆蓋層6。在裸露的發(fā)射區(qū)、基區(qū)和輔助收集區(qū)分別形成發(fā)射極電極8、基極電極10和收集極電極16。標(biāo)識(shí)號(hào)9表示SiO2側(cè)墻，標(biāo)識(shí)號(hào)38表示用質(zhì)子注入變成的高阻區(qū)，標(biāo)識(shí)號(hào)40表示SiO2薄膜。在該器件中，基區(qū)4和收集區(qū)3臺(tái)面區(qū)域的外周邊與基區(qū)電極10的外周邊結(jié)構(gòu)相同。
另外，例如，在日本專利公開(kāi)No.283433/93中介紹了常規(guī)的異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(第三先前技術(shù))。異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管表明一種在溝道和肖特基柵電極之間夾有一層其能帶寬度大于溝道層的柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。其剖面結(jié)構(gòu)示于圖9。在這個(gè)圖中，標(biāo)識(shí)號(hào)26表示單晶體半導(dǎo)體襯底，標(biāo)識(shí)號(hào)31表示重?fù)诫sn-型GaAs，標(biāo)識(shí)號(hào)28表示含n-型GaAs、未摻雜AlGaAs層和未摻雜GaAs層的溝道層，而標(biāo)識(shí)號(hào)24表示SiO2層之間的絕緣層。在這種器件中，將低阻金屬37層迭在由WSi形成的柵電極29上，以減小柵電阻。
為了得到高速異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，就要有效地減小基區(qū)電阻、發(fā)射區(qū)-基區(qū)電容和基區(qū)-收集區(qū)電容。每種電容與結(jié)面積成正比地增大。為減小電容，減小發(fā)射區(qū)等每個(gè)圖形本身的尺寸以及縮短相鄰圖形之間的間距是很有效的。
然而，在上述第一先前技術(shù)中，發(fā)現(xiàn)如果發(fā)射極電極8的面積做得比發(fā)射極電極接觸孔的面積更小，在形成發(fā)射極接觸孔時(shí)基極電極10會(huì)因腐蝕而暴露，而且會(huì)由引線金屬20引起發(fā)射極和基極之間的短路。于是，通過(guò)減小器件尺寸來(lái)減小發(fā)射區(qū)-基區(qū)以及基區(qū)-收集區(qū)寄生電容受到限制。
在上述第二先前技術(shù)中，發(fā)現(xiàn)如果基區(qū)4和收集區(qū)3臺(tái)面區(qū)域的外周邊做小時(shí)，則基區(qū)電極面積也要求做小，于是引起基極電極電阻的增大。
在有關(guān)上面的第三先前技術(shù)中，發(fā)現(xiàn)在為露出柵電極29而腐蝕SiO2層之間的絕緣層24時(shí)，絕緣層24的腐蝕得過(guò)度并到達(dá)源區(qū)和漏區(qū)，因而當(dāng)在柵電極29上形成低阻金屬層37時(shí)，源或漏區(qū)與柵電極29被短路。
本發(fā)明的第一目標(biāo)是解決上述條件下一般半導(dǎo)體器件的短路問(wèn)題，而不限于含異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管及異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體器件。更具體地說(shuō)，本發(fā)明的第一個(gè)目標(biāo)是提供一種其結(jié)構(gòu)包含第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的半導(dǎo)體器件，在單晶半導(dǎo)體層中形成第一導(dǎo)電層，在第一導(dǎo)電層的每一側(cè)面形成第一絕緣Si合金層，而在第一導(dǎo)電層周?chē)牡谝唤^緣Si合金層上形成并與之接觸的第二導(dǎo)電層。由此而試圖避免第二導(dǎo)電層與單晶半導(dǎo)體層之間的電短路。
本發(fā)明第二個(gè)目標(biāo)是減小并質(zhì)結(jié)雙極型晶體管半導(dǎo)體器件中基區(qū)臺(tái)面區(qū)域的面積而不增大基區(qū)電極電阻。
上述第一個(gè)目標(biāo)可通過(guò)在第一絕緣Si合金層上形成多晶或非晶未摻雜的III-V族化合物半導(dǎo)體或其合金、開(kāi)一個(gè)通孔至少部分露出第一導(dǎo)電層和位于第一導(dǎo)電層周?chē)牡谝唤^緣Si合金層、然后在通孔內(nèi)形成第二導(dǎo)電層來(lái)實(shí)現(xiàn)。
第一個(gè)目標(biāo)也可借助一種半導(dǎo)體器件制造方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括在單晶半導(dǎo)體層上形成第一導(dǎo)電層；在第一導(dǎo)電層的每一側(cè)面形成第一絕緣Si合金層而使第一導(dǎo)電層的上表面露出；在第一絕緣Si合金層和第一導(dǎo)電層上形成多晶或非晶未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體或其合金的第一半導(dǎo)體層以及依次形成第二絕緣Si合金層；用反應(yīng)氣體按照相對(duì)第一半導(dǎo)體層的選擇型干腐蝕法在第二絕緣Si合金層中形成直達(dá)第一半導(dǎo)體層的第一通孔；用反應(yīng)氣體并用具有第一通孔的第二絕緣Si合金層作刻蝕掩膜，按照相對(duì)第一導(dǎo)電層和第一絕緣Si合金層的選擇型干腐蝕法在第一半導(dǎo)體層中形成第二通孔，該通孔至少伸到部分第一導(dǎo)電層和在第一導(dǎo)電層周?chē)牡谝唤^緣Si合金層；以及在由第一和第二通孔構(gòu)成的通孔中形成第二導(dǎo)電層，使之與第一導(dǎo)電層相接觸。
本發(fā)明的前述第二目標(biāo)可用一種具有雙極型晶體管結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中輔助收集區(qū)、收集區(qū)和發(fā)射區(qū)依次層疊，收集區(qū)和基區(qū)小于輔助收集區(qū)，發(fā)射區(qū)小于收集區(qū)和基區(qū)，還具有在輔助收集區(qū)、收集區(qū)和基區(qū)上形成并在基區(qū)開(kāi)有通孔的絕緣層，導(dǎo)電類型與基區(qū)相同的基區(qū)引出線半導(dǎo)體層(該基區(qū)引出線半導(dǎo)體層的形成要與絕緣層通孔中的基區(qū)相接觸)，以及與基區(qū)引出線半導(dǎo)體層形成接觸并延伸到絕緣層的基區(qū)電極。
多晶或非晶未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體或其合金的第一半導(dǎo)體層(它是為實(shí)現(xiàn)前述第一目標(biāo)而引進(jìn)的)可能經(jīng)受一次在它與第一絕緣Si合金層之間的選擇性干法腐蝕，因此，當(dāng)在第一半導(dǎo)體層中形成通孔時(shí)，第一絕緣Si合金層不會(huì)被腐蝕。于是，有可能避免第二導(dǎo)電層與單晶半導(dǎo)體層之間的電短路。
通過(guò)引進(jìn)第二絕緣Si合金層，可能從結(jié)構(gòu)上使引線電容減小，而從制造的觀點(diǎn)來(lái)看，可使器件表面上的臺(tái)階高度降低，因而容易形成引線。
第一半導(dǎo)體層變成多晶或非晶層或其合金層，取決于該層形成溫度。形成溫度從低到高，依次出現(xiàn)非晶、混合晶體和多晶體。在零下溫度也可能形成第一半導(dǎo)體層。層形成溫度越低，第一半導(dǎo)體層的電阻率越高。從這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)看，在低溫下的層形成是可取的。然而，在低溫形成中，薄膜的水含量變大，因而當(dāng)考慮薄膜質(zhì)量時(shí)，這就決定了層形成溫度的下限。至于層形成溫度的上限，考慮器件特性的惡化，希望在400℃左右。
另外，利用多晶或非晶層或III-V族化合物半導(dǎo)體或其合金層與絕緣Si合金層之間的腐蝕選擇性，可能以很高的可控性來(lái)實(shí)現(xiàn)一種在絕緣Si合金層上形成具有通孔的半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。
帶有在基區(qū)電極下形成絕緣層的結(jié)構(gòu)(它是為實(shí)現(xiàn)第二目標(biāo)而引進(jìn)的)允許減小基區(qū)臺(tái)面的面積而不增大基區(qū)電極電阻，因?yàn)榧词巩?dāng)基區(qū)臺(tái)面做小時(shí)，并不要求減小基區(qū)電極面積。此外，還有可能減小基區(qū)-收集區(qū)電容。


圖1是本發(fā)明實(shí)例1的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2(a)和2(b)是普通異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是實(shí)例1的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的制造過(guò)程圖；圖4是本發(fā)明實(shí)例2的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管制造過(guò)程圖；圖5是本發(fā)明實(shí)例3的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管制造過(guò)程圖；圖6是本發(fā)明實(shí)例4的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管制造過(guò)程圖；圖7是本發(fā)明實(shí)例5微分放大器電路圖；圖8是實(shí)例5微分放大器的電路布局圖；圖9是普通異質(zhì)結(jié)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)剖面圖；圖10是本發(fā)明實(shí)例6的異質(zhì)結(jié)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管制造過(guò)程圖；圖11是本發(fā)明實(shí)例7的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)單元的電路圖；圖12是本發(fā)明實(shí)例8的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)單元的電路圖。
下面通過(guò)其制造例子對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)討論。例1下面參考圖1和圖3來(lái)描述本發(fā)明實(shí)例1中的AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。在此例中，在絕緣夾層區(qū)域形成非晶態(tài)未摻雜的GaAs層15。
首先，在GaAs(100)襯底1上外延生長(zhǎng)重?fù)诫sn型GaAs的副收集極層2(濃度為5×1018/cm3的Si，厚500nm)、n型GaAs收集極層3(濃度為5×1016/cm3的硅，厚150nm)，重?fù)诫sp型GaAs基極層4(濃度為4×1019/cm3的碳，厚50nm)、n型AlGaAs發(fā)射極層5(AlAs模爾比為0.3，濃度為1×1018/cm3的硅，厚50nm)、用于形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸的重?fù)诫sn型GaAs覆蓋層6(濃度為5×1018/cm3的硅，厚150nm)以及重?fù)诫sn型InGaAs覆蓋層7(濃度為5×1018/cm3的硅，厚50nm)。隨后，淀積600nm的鎢W，并通過(guò)相移掩膜光刻和含氟氣體ECR干法腐蝕形成0.3μm寬的鎢發(fā)射極電極8。接著，以發(fā)射極電極8為掩膜，采用ECR方法(氣體比Cl2/CH4＝7/3 sccm，腐蝕壓強(qiáng)36mPa，微波功率700W ,射頻功率50W，襯底溫度25℃)對(duì)InGaAs復(fù)蓋層7、GaAs復(fù)蓋層6以及發(fā)射極層5進(jìn)行各向同性腐蝕，以便將基區(qū)4暴露出來(lái)?！矆D3(a)〕然后，通過(guò)淀積SiO2和干法腐蝕形成SiO2側(cè)墻9(側(cè)墻長(zhǎng)0.1μm)。接著，采用直接蒸發(fā)依次淀積Pt、Ti、Mo、Ti、P1和Au作為基極電極10的材料300nm，再淀積SiO2薄膜11，涂光刻膠12a并平面化。〔圖3(b)〕此后，對(duì)光刻膠12a和SiO2薄膜11進(jìn)行腐蝕以暴露出在發(fā)射極電極8上形成的基極電極10的材料薄膜?！矆D3(c)〕接下來(lái)，通過(guò)離子刻蝕將被暴露的基極電極10的材料薄膜(包括淀積在SiO2側(cè)墻9側(cè)面上的部分區(qū)域)腐蝕掉?！矆D3(d)〕然后，通過(guò)淀積SiO2和采用掩膜光刻膠的干法腐蝕形成SiO2薄膜圖形13。再以SiO2薄膜圖形13作掩膜，對(duì)基極電極10、基區(qū)4和收集區(qū)3進(jìn)行離子刻蝕而暴露出輔助收集區(qū)2?！矆D3(e)〕接著，通過(guò)淀積SiO2和干法腐蝕形成覆蓋暴露的基極電極10的SiO2側(cè)墻14。然后，在分子束外延系統(tǒng)內(nèi)，在120℃的襯底加熱溫度下淀積50nm厚的未摻雜GaAs。該產(chǎn)生層15的晶體結(jié)構(gòu)是非晶態(tài)。〔圖3(f)〕接下來(lái)，對(duì)輔助收集區(qū)2進(jìn)行干法腐蝕，以使器件間相互隔離。接著，通過(guò)lift-off法形成AuGe收集極電極16。
此后，相繼淀積SiO2薄膜17、18和19以形成絕緣夾層區(qū)域，其中SiO2薄膜18用來(lái)減薄臺(tái)階高度且用涂敷法形成。SiO2薄膜17、19用來(lái)防止水氣進(jìn)入SiO2薄膜18。接著，制作用以形成發(fā)射極電極接觸孔的光刻膠掩膜12b?！矆D3(g)〕然后，采用HF和H2O混合腐蝕液對(duì)SiO2薄膜19進(jìn)行各向同性腐蝕。接著，通過(guò)采用C2F2和CHE3氣體的RIE法對(duì)SiO2薄膜19、涂敷的SiO2薄膜18和SiO2膜17進(jìn)行選擇性的各向同性干法腐蝕，達(dá)到未摻雜的GaAs層15?！矆D3(h)〕下面，通過(guò)采用SiCl4氣體的RIE法對(duì)未摻雜的GaAs層15進(jìn)行選擇性的各向同性干法腐蝕，達(dá)到SiO2薄膜14和發(fā)射極電極8，以暴露發(fā)射極電極8的上表面。圖3(i)〕同樣，形成接觸孔后，也在基極電極10和收集極電極16上淀積引線金屬20，然后，通過(guò)刻蝕形成引線而制作成異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。(圖1)根據(jù)這個(gè)例子，可能以高的成品率生產(chǎn)發(fā)射極區(qū)寬為0.3μm的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。因此，與發(fā)射區(qū)線寬為1μm的器件相比，可將發(fā)射極-基極寄生電容減小到約三分之一，而基極-收集極寄生電容可減小到約三分之二，以便而有可能制造出最高振蕩頻率為常規(guī)器件1.2倍的超高速異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。例2現(xiàn)在參照?qǐng)D4來(lái)描述本發(fā)明例2中的AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。在這個(gè)例子中，在介質(zhì)夾層區(qū)形成非晶態(tài)未摻雜層15。在基區(qū)層和基極電極之間形成重?fù)诫sP型GaAs層23用來(lái)抑制電極接觸電阻的增大，在收集區(qū)中的附加收集區(qū)內(nèi)形成SiO2層22用來(lái)減小基極-收集極電容。
首先，在GaAs(100)襯底1外延生長(zhǎng)重?fù)诫sn型GaAs副收集極層2(濃度為5×1018/cm3的Si，厚500nm)、n型GaAs收集極層3(濃度為5×1016/cm3的硅，厚150nm)、重?fù)诫sp型GaAs基極層4(濃度為4×1019/cm3的碳，厚50nm)、n型AlGaAs發(fā)射極層5(AlAs模爾比為0.3，濃度為1×1018/cm3的硅，厚50nm)、用于形成發(fā)射區(qū)歐姆接觸的n型GaAs復(fù)蓋層6(濃度為5×1018/cm3的硅，厚150nm)以及重?fù)诫sn型InGaAs層7(濃度為5×1018/cm3的硅，厚50nm)。隨后，淀積600nm的鎢，并通過(guò)相移掩膜光刻和含氟氣體ECR干法腐蝕形成寬0.3μm的鎢發(fā)射極電極8。接著，以發(fā)射極電極8為掩膜，采用ECR法(氣體比Cl2，/CH4＝7/3sccm，腐蝕壓強(qiáng)36mPa，微波功率700W，射頻功率50W，襯底溫度25℃)對(duì)InGaAs復(fù)蓋層7、GaAs復(fù)蓋層6以及發(fā)射極層5進(jìn)行各向同性腐蝕，以暴露出基區(qū)4來(lái)?！矆D4(a)〕然后，通過(guò)淀積SiN和干法腐蝕形成SiN側(cè)墻21(側(cè)墻長(zhǎng)0.5μm)。接著，以發(fā)射極電極8和SiN側(cè)墻21作掩膜對(duì)基極區(qū)4和收集區(qū)3各向同性地進(jìn)行ECR干法腐蝕而暴露出輔助收集區(qū)2。此后，淀積形成SiO2薄膜22，接著涂敷光刻膠12c并平面化。〔圖4(b)〕此后，對(duì)光刻膠12c和SiO2薄膜22進(jìn)行腐蝕，直到SiO2薄膜22厚度為300nm。此時(shí)基極層4并未暴露?！矆D4(c)〕然后，借助等離子腐蝕系統(tǒng)并采用含氟氣體腐蝕SiN側(cè)墻21而暴露基極層4。此后，通過(guò)淀積SiO2和干法腐蝕在發(fā)射區(qū)5、6、7、8和SiO2薄膜22的側(cè)面形成SiO2側(cè)墻9。SiO2側(cè)墻9長(zhǎng)為0.1μm，充分暴露基區(qū)層4?！矆D4(d)〕然后，將基片引入到金屬-有機(jī)化學(xué)汽相淀積系統(tǒng)內(nèi)，使之選擇性地生長(zhǎng)重?fù)诫sP-GaAs層23(C濃度為4×1020/cm3，厚度150nm)。接著，通過(guò)直接蒸發(fā)依次將Pt、Ti、Mo、Ti、Pt和Au作為基極電極10的材料淀積300nm，繼而淀積SiO2薄膜11，涂敷光刻膠12a并平面化。
此后，對(duì)光刻膠12a和SiO2薄膜11進(jìn)行腐蝕，以暴露出在發(fā)射極電極8上形成的、用作基極電極10的材料薄膜。〔圖4(e)〕接著，通過(guò)離子刻蝕將暴露的基極電極10的材料薄膜(包括淀積在SiO2側(cè)墻9的側(cè)面的部分)腐蝕掉?！矆D4(f)〕然后，通過(guò)淀積SiO2和以光刻膠作掩膜干法腐蝕形成SiO2薄膜圖形13。再以SiO2薄膜圖形13作掩膜，對(duì)基極電極10進(jìn)行離子刻蝕。〔圖4(g)〕此后，通過(guò)淀積SiO2和干法腐蝕形成覆蓋暴露基極電極10的SiO2側(cè)墻14。然后，將基片引入到分子束外延系統(tǒng)內(nèi)，在基片不加熱的室溫下淀積50nm厚的未摻雜GaAs。生成層15的晶體結(jié)構(gòu)是非晶態(tài)?！矆D4(h)〕接下來(lái)，對(duì)輔助收集區(qū)2進(jìn)行干法腐蝕以實(shí)現(xiàn)器件之間的隔離，繼而用lift-off方法形成AuGe收集極電極16。接著淀積SiO2薄膜以形成絕緣夾層區(qū)域。該SiO2用來(lái)減薄臺(tái)階高度，且由涂敷法形成。該SiO2薄膜17和19是起防止水氣進(jìn)入SiO2薄膜的作用。然后，制作用來(lái)形成發(fā)射極電極接觸孔的光刻膠掩膜12b?！矆D4(i)〕然后，采用HF和H2O混合腐蝕液對(duì)SiO2薄膜19進(jìn)行各向同性腐蝕。接著，通過(guò)采用C2F2和CHE3氣體的RIE法對(duì)SiO2薄膜19、涂敷SiO2的薄膜18和SiO2薄膜17進(jìn)行選擇性各向同性干法腐蝕，達(dá)到未摻雜的GaAs層15?！矆D4(j)〕通過(guò)采用SiCl4氣體的RCR法對(duì)未摻雜的GaAs層15進(jìn)行選擇性各向同性干法腐蝕，達(dá)到SiO2薄膜14和發(fā)射極電極8?！矆D4(k)〕同樣，形成接觸孔后，在基極電極10和收集極電極16上淀積引線金屬20并刻蝕成引線而制作成異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管?！矆D4(1)〕根據(jù)這個(gè)例子，在基區(qū)引線端形成C濃度為4×1020/cm3的GaAs層23以抑制基極電極接觸電阻的增加，在附加收集區(qū)內(nèi)形成比感應(yīng)電容低的SiO2薄膜22以減小基極-收集結(jié)面積。因此，有可能制造出超高速異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，與例1的結(jié)構(gòu)相比，基極-收集極寄生電容減小到約三分之一，最高振蕩頻率比提高到約1.7倍。而且，在絕緣夾層區(qū)內(nèi)形成的非晶態(tài)未摻雜GaAs層15使得這種異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管能以高的成品率生產(chǎn)，而不會(huì)出現(xiàn)發(fā)射極-基極短路以及金屬引線擊穿的問(wèn)題。例3現(xiàn)在參照?qǐng)D4(a)、4(e)到4(k)以及圖5來(lái)描述本發(fā)明例3中的A1GaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。在這個(gè)例子中，在附加收集區(qū)內(nèi)形成比感應(yīng)電容較例2中采用的SiO2薄膜22更低的聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜25。
這個(gè)例子的制造方法與例2的方法基本相同(圖4)，其差別是圖4(b)到4(d)由圖5(a)到5(c)所代替。
首先，在圖4(a)所示結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面上淀積SiO2，并用干法腐蝕形成SiO2側(cè)墻24(側(cè)墻長(zhǎng)0.5μm)。接著，用SiO2側(cè)墻24和發(fā)射極電極8作掩膜，采用ECR方法對(duì)基區(qū)層4和收集極層3進(jìn)行各向異性干法腐蝕以暴露出輔助收集區(qū)2。然后，將聚酰亞胺樹(shù)脂涂敷到整個(gè)表面直至表面變平，得到聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜25?！矆D5(a)〕接著，將聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜25腐蝕到300nm厚。此時(shí)基極層4未暴露?！矆D5(b)〕然后，用HF和H2O混合腐蝕液將SiO2側(cè)墻24腐蝕掉以暴露出基極層4。此后，通過(guò)淀積SiO2和干法腐蝕在發(fā)射區(qū)5、6、7、8、和聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜25的側(cè)面形成SiO2側(cè)墻9。SiO2側(cè)墻9為0.1μm長(zhǎng)，且基區(qū)4充分暴露。 〔圖5(c)〕然后，按如圖4(e)-4(k)中的同樣步驟制造出異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，其完成的狀況如圖5(d)所示。
根據(jù)這個(gè)例子，既然在附加收集區(qū)內(nèi)形成比感應(yīng)電容較SiO2薄膜22更低的聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜25，有可能制造出超高速異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，與例2的結(jié)構(gòu)比較，基極-收集極寄生電容減小到約九分之七，最高振蕩頻率提高到約1.1倍。而且，在絕緣夾層區(qū)內(nèi)形成的非晶態(tài)未摻雜GaAs層15使得這種異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管能以高的成品率生產(chǎn)，而不會(huì)出現(xiàn)發(fā)射極-基極短路以及金屬引線擊穿的問(wèn)題。例4現(xiàn)在參照?qǐng)D4(a)、4(e)到4(k)、5(a)到5(c)和6(a)、6(b)來(lái)描述本發(fā)明例4中的AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
這個(gè)例子的特征是在與例3有關(guān)的圖5(a)所示的聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜25的涂敷步驟之前，引入從基極電極10形成區(qū)域去除附加收集層2的步驟。更具體地說(shuō)，這個(gè)實(shí)施例的特征在于按例3的相同方法，在圖4(a)的結(jié)構(gòu)上形成SiO2側(cè)墻24(SiO2側(cè)墻長(zhǎng)0.5μm)、基極層4和收集極層3，繼而部分地形成抗蝕掩膜12d并去除附加收集極層2，讓襯底1露出。
通過(guò)圖5(a)到5(c)同樣的步驟和圖4(e)到4(k)后續(xù)同樣的步驟完成如圖6(b)所示的AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管。
然而，在這個(gè)例子中，圖4(i)的器件間相互隔離步驟是不必要的，因?yàn)楦郊邮占瘶O層2的去除也起了內(nèi)部器件隔離步驟的作用。
根據(jù)這個(gè)例子，由于比感應(yīng)電容較SiO2薄膜22更低的聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜25不僅在附加收集區(qū)內(nèi)形成，而且也在輔助收集區(qū)內(nèi)形成，有可能制造出超高速異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，與例3的結(jié)構(gòu)比較，其基極-收集極寄生電容減少到約七分之五，最高振蕩頻率提高到約1.2倍。而且，在絕緣夾層區(qū)內(nèi)形成的非晶態(tài)未摻雜GaAs層15使得這種異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管能以高的成品率生產(chǎn)，而不會(huì)出現(xiàn)發(fā)射極-基極短路及金屬引線擊穿問(wèn)題。
雖然在例1-例4中非晶態(tài)未摻雜GaAs層15在絕緣夾層區(qū)域形成，同樣層并不總是要求是非晶態(tài)，而可以是多晶或非晶和多晶物質(zhì)的混合物。而且，所討論的層可以是其他材料的多晶或非晶化合物半導(dǎo)體，如AlGaAs。
盡管在例1到例4中所涉及的是關(guān)于AlGaAs/GaAs系統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的制造方法，但也可以采用其他III-V族化合物半導(dǎo)體，例如GaAs/InGaAs和InP/InGaAs。在這種情況下，基區(qū)結(jié)構(gòu)可以利用二維電子氣。作為基區(qū)雜質(zhì)，C可以用Be代替。發(fā)射區(qū)的AlAs的模爾比可以在0到1的范圍內(nèi)任意選擇。雖然發(fā)射區(qū)和收集區(qū)是做成n型，而基區(qū)做成p型，但也可將發(fā)射區(qū)和收集區(qū)做成p型，而基區(qū)做成n型。雖然收集區(qū)在襯底側(cè)形成，發(fā)射區(qū)在襯底上方形成，但也可在襯底側(cè)形成發(fā)射區(qū)，而在襯底上方形成收集區(qū)。雖然在附加收集區(qū)內(nèi)用的是SiO2薄膜和聚酰亞胺樹(shù)脂薄膜，但也可采用其他絕緣薄膜，例如Si3N4薄膜。而且，雖然采用GaAs(100)面作襯底，當(dāng)然也可采用任何其他材料和晶向。例5下面將參照?qǐng)D7到8來(lái)描述使用例1到例4中所述任何AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管的微分放大電路。圖7是電路圖，而圖8是電路版圖。
在這些圖中，Q1到Q7表示異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，E、B和C分別表示發(fā)射極、基極和收集極，R1到R5表示電阻，Vi表示輸入電壓，V01和V02表示輸出電壓，VCC表示電源電壓，VEE表示地電位，VR表示參考電壓，Vccb表示恒定電壓。
依據(jù)這個(gè)例子，可能以很高度集成度實(shí)現(xiàn)能執(zhí)行超高速運(yùn)作的微分放大電路。而且，有可能采用這樣的微分放大器電路作為基本單元來(lái)實(shí)現(xiàn)電子電路系統(tǒng)。
雖然本例的微分放大器電路使用AlGaAs/GaAs系統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，但也可以使用其他III-V族化合物半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，例如InAlAs/InGaAs和InP/lnGaAs系統(tǒng)。例6下面，將參照?qǐng)D10來(lái)描述本發(fā)明實(shí)施例6中的異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
首先，在GaAs(100)襯底26上采用外延生長(zhǎng)依次形成p型GaAs層27(Be濃度為3×1016/cm3，厚300nm)、重?fù)诫sn型GaAs溝道層28(Si濃度為4×1019/cm3，厚20nm)、未摻雜型AlGaAs層28(AlAs模爾比為0.3，厚50nm)以及未摻雜型GaAs層28(厚5nm)。隨后，通過(guò)光刻和腐蝕露出襯底26，以使器件互相隔離。接著，形成厚度為700nm的WSi柵電極29?！矆D10(a)〕下面，在整個(gè)表面上淀積SiO2，并通過(guò)光刻和干法腐蝕，允許部分保留所得到的SiO2薄膜，包括側(cè)墻30(側(cè)墻長(zhǎng)0.3μm)。以這些SiO2區(qū)作為掩膜，將外延晶體表面腐蝕90nm以露出溝道層28的側(cè)面。隨后，采用選擇性金屬-有機(jī)物化學(xué)汽相淀積方法在這腐蝕區(qū)域選擇性形成重?fù)诫s的n型GaAs層31(Si濃度為4×1018/cm3，厚250nm)，用來(lái)形成低阻的源和漏區(qū)。該重?fù)诫s的n型GaAs層31與溝道層28的側(cè)面相連。然后，在這些區(qū)域形成AuGe源電極32S和AuGe漏電極32D?！矆D10(b)〕接著，在整個(gè)表面上淀積SiO2，并通過(guò)干法腐蝕為柵電極29形成SiO2側(cè)墻33?！矆D10(c)〕然后，在分子束外延系統(tǒng)內(nèi)，在襯底加熱溫度350℃下淀積50nm厚的未摻雜的GaAs，得到多晶層34。〔圖10(d)〕接著，在整個(gè)表面上淀積SiO2薄膜35，用光刻法形成用來(lái)制作接觸孔的防腐蝕掩膜36?！矆D10(e)〕然后，采用C2F6和CHE3氣體的RIE法，對(duì)SiO2薄膜35進(jìn)行選擇性各向異性的干法腐蝕，得到多晶未摻雜GaAs層34。〔圖10(f)〕接著，采用SiCl4氣體的ECR法對(duì)多晶未摻雜GaAs層34進(jìn)行選擇性各向異性的干法腐蝕，得到柵電極29和SiO2側(cè)墻30、33，使柵電極29露出。同時(shí)，按同樣的方法形成源和漏電極的接觸孔?！矆D10(g)〕然后，淀積低阻金屬的引線金屬層37并進(jìn)行離子腐蝕形成引線來(lái)得到異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。〔圖10(h)〕根據(jù)這個(gè)例子，可能以高成品率生產(chǎn)異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即使在柵電極為0.3μm而柵電極和源漏區(qū)的間距為0.3μm的小尺寸器件結(jié)構(gòu)情況下，不會(huì)產(chǎn)生柵-源和柵-漏短路的問(wèn)題，在本例中，雖然在絕緣夾層區(qū)域采用多晶未摻雜GaAs層34，但這一層并不要求總是用多晶體。它可以是非晶態(tài)或非晶和多晶物質(zhì)的混合物。而且，所討論的層可以是其他材料的多晶體或非晶化合物半導(dǎo)體，如AlGaAs。雖然本例中涉及的是異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，本發(fā)明也適用于其他場(chǎng)效應(yīng)晶體管，如HEMT(高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，MESFET(金屬肖特基場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，以及MIS(金屬-絕緣層-半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。而且，作為襯底材料，可以采用各種其他材料，包括化合物半導(dǎo)體和單元素半導(dǎo)體，如Si半導(dǎo)體。例7下面將參照表示存儲(chǔ)單元電路圖的圖11來(lái)描述采用例6異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)單元。
T1到T6表示異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，Vcc表示電源電位，Vss表示地電位，W表示字線，而B(niǎo)1和B2表示位線。B1的電壓和B2的電壓極性相反。
根據(jù)這個(gè)實(shí)例，有可能以高集成度來(lái)制造一種高可靠的存儲(chǔ)單元電路，也可能采用這種存儲(chǔ)單元電路作基本單元來(lái)制造電路系統(tǒng)。例8下面將參照表示存儲(chǔ)單元電路圖的圖12來(lái)描述采用例6異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)單元。
T1表示異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，C1表示存儲(chǔ)電容，Vss表示地電位，W表示字線，而B(niǎo)表示位線。
根據(jù)這個(gè)實(shí)例，有可能以高集成度來(lái)制造一種高可靠的存儲(chǔ)單元電路，也可能采用這種存儲(chǔ)單元電路作基本單元來(lái)制造電路系統(tǒng)。
雖然在例7和例8中每個(gè)只是描述了使用異質(zhì)-絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的存儲(chǔ)單元電路，當(dāng)然也可以使用任何其他類型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
本發(fā)明也適用于其他半導(dǎo)體器件，例如光發(fā)射器件和光接收器件而不是上述例子所描述的器件，另外還適用于利用這種半導(dǎo)體器件的集成電路和電子線路。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件包括一單晶半導(dǎo)體層；在所述單晶半導(dǎo)體層上形成的第一導(dǎo)電層；在所述第一導(dǎo)電層每一邊形成的第一絕緣Si合金層；在第一絕緣Si合金層上形成的多晶態(tài)、或非晶態(tài)未摻雜的III-V族化合物半導(dǎo)體的第一半導(dǎo)體層或其合金，且具有至少使所述第一導(dǎo)電層和所述第一絕緣Si合金層部分露出的通孔；以及在所述通孔內(nèi)與所述第一導(dǎo)電層接觸而形成的第二導(dǎo)電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述III-V族化合物半導(dǎo)體是GaAs。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述單晶半導(dǎo)體層包括雙極型晶體管的收集區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)，所述第一導(dǎo)電層是收集極電極或發(fā)射極電極。所述半導(dǎo)體器件還包括在所述第一半導(dǎo)體層上形成的第二絕緣Si合金層，所述第二絕緣Si合金層有一個(gè)通孔，該通孔的邊界形狀與所述第一半導(dǎo)體層上形成的通孔形狀基本相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中所述III-V族化合物半導(dǎo)體是GaAs。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中所述第一導(dǎo)電層是發(fā)射極電極，所述單晶半導(dǎo)體層還包括在所述收集區(qū)上與所述基區(qū)相對(duì)的一側(cè)形成的輔助收集區(qū)，該收集區(qū)和基區(qū)小于輔助收集區(qū)，所述發(fā)射區(qū)小于收集區(qū)和基區(qū)。所述半導(dǎo)體器件還包括在所述輔助收集區(qū)、收集區(qū)和基區(qū)上形成且在所述基區(qū)上有一個(gè)通孔的絕緣層、與所述基區(qū)相同導(dǎo)電型的基區(qū)引出線半導(dǎo)體層(所述基區(qū)引出線半導(dǎo)體層與所述絕緣層的通孔中的基區(qū)相接觸)，以及與所述基區(qū)引出線半導(dǎo)體層相接觸并延伸到所述絕緣層而形成的基區(qū)電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中所述III-V族化合物半導(dǎo)體是GaAs。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中所述雙極型晶體管是一種由化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，且其發(fā)射極-基極結(jié)是一個(gè)異質(zhì)結(jié)，而所述基區(qū)引出線半導(dǎo)體層由化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中所述III-V族化合物半導(dǎo)體是GaAs。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述單晶半導(dǎo)體層包括一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)，所述第一導(dǎo)電層是一個(gè)柵電極。所述半導(dǎo)體器件還包括在第一半導(dǎo)體層上形成的第二絕緣Si合金層，所述第二絕緣Si合金層有一個(gè)通孔，其內(nèi)周邊形狀與在所述第一半導(dǎo)體層上形成的通孔形狀相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件，其中所述III-V族化合物半導(dǎo)體是GaAs。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件，其中所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管有化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的半導(dǎo)體器件，其中所述III-V族化合物半導(dǎo)體是GaAs。
13.一種具有雙極型晶體管結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其中輔助收集區(qū)、收集區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)依次層疊，所述收集區(qū)和所述基區(qū)小于所述輔助收集區(qū)，所述發(fā)射區(qū)小于所述收集區(qū)和所述基區(qū)。所述半導(dǎo)體器件還包括在輔助收集區(qū)、收集區(qū)和基區(qū)上形成且在所述基區(qū)上有一個(gè)通孔的絕緣層、與所述基區(qū)相同導(dǎo)電型的基區(qū)引出線半導(dǎo)體層(所述基區(qū)引出線半導(dǎo)體層與所述絕緣層的通孔中的基區(qū)相接觸)以及與所述基區(qū)引出線半導(dǎo)體層相接觸并延伸到所述絕緣層而形成的基區(qū)電極。
14.一種包含絕緣Si合金層和多晶或非晶未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體或其合金、帶有在所述半導(dǎo)體層中形成的通孔的半導(dǎo)體器件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體器件，其中所述III-V族化合物半導(dǎo)體是GaAs。
16.一種用來(lái)制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下屬步驟在單晶半導(dǎo)體層上形成第一導(dǎo)電層；在所述第一導(dǎo)電層的每一側(cè)面形成第一絕緣Si合金層，使第一導(dǎo)電層的上表面露出；在所述第一絕緣Si合金層和所述第一導(dǎo)電層上形成多晶或非晶未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體或其合金的第一半導(dǎo)體層；在所述第一半導(dǎo)體層上形成第二絕緣Si合金層；采用反應(yīng)氣體按照相對(duì)第一半導(dǎo)體層的選擇性干腐蝕法在所述第二絕緣Si合金層中形成第一通孔，使之達(dá)到第一半導(dǎo)體層；采用反應(yīng)氣體并用具有所述第一通孔的所述第二絕緣Si合金層作刻蝕掩膜，按照相對(duì)第一導(dǎo)電層和第一絕緣Si合金層的選擇性干腐蝕法，在所述第一半導(dǎo)體層中形成第二通孔，使之至少部分達(dá)到所述第一導(dǎo)電層和在第一導(dǎo)電層周?chē)乃龅谝唤^緣Si合金層；形成第二導(dǎo)電層，使之與由第一和第二通孔構(gòu)成的的通孔中所述第一導(dǎo)電層相接觸。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中GaAs用作所述III-V族化合物半導(dǎo)體。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述第一半導(dǎo)體層是在不超過(guò)400℃的溫度下將襯底加熱，按照從分子束外延法、金屬-有機(jī)化學(xué)蒸汽沉積法、金屬-有機(jī)化學(xué)分子束外延法以及濺射法選擇的薄膜形成方法形成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中GaAs用作所述III-V族化合物半導(dǎo)體。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述單晶半導(dǎo)體層包括含In的化合物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體層，還包括在壓強(qiáng)不超過(guò)40mPa的Cl2和CH4混合氣氛中按照微波刻蝕法對(duì)所述半導(dǎo)體層進(jìn)行腐蝕的步驟。
21.一種用來(lái)制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在絕緣Si合金層上形成多晶或非晶未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體或其合金的半導(dǎo)體層；以及采用反應(yīng)氣體按照相對(duì)所述絕緣Si合金層的選擇性干腐蝕法在所述半導(dǎo)體層中形成通孔。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中GaAs用作所述III-V族化合物半導(dǎo)體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種接觸結(jié)構(gòu),不僅適合異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管或異質(zhì)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,也適用于普通半導(dǎo)體器件。在多晶或非晶未摻雜Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體或其合金的半導(dǎo)體層中形成一個(gè)接觸通孔,其尺寸允許至少部分露出第一導(dǎo)電層和在第一導(dǎo)電層周?chē)慕^緣Si合金層,在通孔中形成第二導(dǎo)電層,使之與第一導(dǎo)電層相接觸。既然可將半導(dǎo)體層相對(duì)于絕緣Si合金層進(jìn)行選擇性干法腐蝕,則在半導(dǎo)體層中形成上述通孔時(shí)絕緣Si合金層不會(huì)被腐蝕,因而可避免第二導(dǎo)電層與位于絕緣Si合金層之下的單晶半導(dǎo)體層的電短路。
文檔編號(hào)H01L29/66GK1181844SQ95197819
公開(kāi)日1998年5月13日 申請(qǐng)日期1995年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月17日
發(fā)明者平田宏治, 田上知紀(jì), 增田宏, 內(nèi)山博幸, 望月和浩 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所, 日立超愛(ài)爾·愛(ài)斯·愛(ài)工程股份有限公司