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)明涉及包括雙極晶體管的半導(dǎo)體器件，該雙極晶體管具有SiGe基極外延層，此外還涉及該半導(dǎo)體器件的制造方法。
為改善晶體管的高頻性能，已提出了自對(duì)準(zhǔn)選擇生長SiGe基極(SSSB)雙極晶體管，該晶體管包括作為基極層的由SiGe合金制成的外延層。


圖1A到1C是這種SSSB雙極晶體管基區(qū)的剖視圖，說明了制造該晶體管基區(qū)的方法的各步驟。如圖1A所示，二氧化硅膜2和多晶硅膜3依次形成在用作集電極的單晶硅襯底1上。然后，對(duì)用作基區(qū)的多晶硅層3進(jìn)行腐蝕，以由此形成穿過它的第二開口3a。此后，在多晶硅層3的露出的表面上，即多晶硅層3的上表面和第二開口3a的內(nèi)表面上形成氮化硅膜4。
然后，通過第二開口3a對(duì)二氧化硅膜2進(jìn)行濕法腐蝕，以由此在基區(qū)去除二氧化硅膜2的一部分。這樣，二氧化硅膜就形成有與第二開口3a相連的第一開口2a。通過對(duì)二氧化硅膜2進(jìn)行濕法腐蝕，二氧化硅膜2被側(cè)面腐蝕，結(jié)果在第一開口2a周圍形成了隧道部分2b。
然后，如圖1B所示，在第二開口3a和第一開口2a，及隧道部分2b中露出的單晶硅襯底1的表面上選擇生長用作基極層的SiGe外延膜5。
例如在F.Sato等人的“用冷壁型UHV/CVD技術(shù)制造超自對(duì)準(zhǔn)選擇生長SiGe基極(SSSB)雙極晶體管”，IEEE Transactions on ElectronDevices,Vol.41,No.8,PP.1373-1378中討論了SiGe外延膜5的生長。在所提出的方法中，乙硅烷和鍺被用作用于生長的處理氣體，而氯氣被用作用于選擇生長的腐蝕氣體。
此外，在T.Aoyama等人的“Cl2對(duì)用于高速雙極晶體管的Si1-XGeX基極外延層生長的影響”，Extended Abstracts of the 1997 InernationalConference on Solid State Devices and Materials,pp.528-529中討論了氯氣對(duì)SiGe外延層生長的影響。
再參看圖1B,SiGe外延膜5是利用冷壁型UHV-CVD設(shè)備形成的，在其中本底壓強(qiáng)等于或小于1.5×10-9乇，3sccm的乙硅烷和2sccm的鍺被用作生長氣體，0.03sccm的氯氣被用作腐蝕氣體，生長溫度設(shè)定在攝氏605度。
這樣，在第一開口2a和隧道部分2b中的單晶硅襯底1的表面上都形成了SiGe外延層5。與此同時(shí)，在于隧道部分2b中露出的多晶硅膜3的下表面上形成SiGe多晶硅膜6。
這樣，如圖1C所示，在隧道部分2b中，SiGe外延膜5向上生長，而SiGe多晶硅膜6向下生長，直到SiGe膜5和6相互接觸為止。這樣，由SiGe外延膜5構(gòu)成的基極層與SiGe多晶硅膜6電接觸，而該多晶硅膜6與用作基極電極層的多晶硅膜3電接觸。盡管未示出，但在這樣形成的基極層5的表面上將通過二氧化硅膜2的第一開口2a形成發(fā)射極層和發(fā)射極電極。
具有如上所述這種結(jié)構(gòu)的雙極晶體管可有最大為15GHz的截止頻率。
在已參照?qǐng)D1A到1C說明的常規(guī)晶體管中，由于SiGe外延膜5比SiGe外延膜6的生長速度大得多，因此當(dāng)它們相互接觸時(shí)，SiGe外延膜5比SiGe外延膜6具有更大的厚度，如圖1C中所示的那樣。因此，形成具有小厚度的SiGe外延膜5非常困難或者說幾乎不可能。
具體地說，按照上述常規(guī)的外延生長方法，SiGe外延膜5占據(jù)隧道部分2b高度的大約80％。
如果基極層有較小的厚度，就可以使電子穿過基極層的時(shí)間更短。即，具有較小厚度的基極層保證雙極晶體管的更高工作速度。但是如至此為止所述的，由于形成較薄的SiGe外延層5相當(dāng)困難或幾乎不可能，因此提出了利用較薄的基極層來增大雙極晶體管工作速度的難題。
為形成較薄的SiGe外延層或基極層5，可形成較薄的二氧化硅膜2，以由此減小隧道部分2b的高度。但是，如果形成的二氧化硅膜2較薄，則在用作集電極的單晶硅襯底1和多晶硅膜或基極電極層3之間形成的寄生電容將增大。這樣，需要多晶硅膜2具有最小約為1000埃的厚度。這意味著圖1A到1C中所示的基極層5將具有最小800埃的厚度，這一厚度防礙了雙極晶體管工作在更高的速度。
鑒于常規(guī)雙極晶體管的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種包括雙極晶體管的半導(dǎo)體器件，該雙極晶體管具有更薄的基極層和更小的寄生電容，并能夠工作在更高速度，而不需減小形成在集電極或襯底和基極電極層之間的絕緣膜厚度。本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供制造這種半導(dǎo)體器件的方法。
在本發(fā)明的一個(gè)方案中，提供一種半導(dǎo)體器件，它包括(a)硅襯底，(b)形成在硅襯底上的Si1-XGeX基極外延層，(c)形成在硅襯底上的絕緣膜，Si1-XGeX基極外延層在其相對(duì)端部與該絕緣膜接觸，(d)形成在絕緣膜上的基極電極層，Si1-XGeX基極外延層在其相對(duì)端部并通過相對(duì)端部的上表面與基極電極層接觸，其特征在于，Si1-XGeX基極外延層在其相對(duì)端部的厚度大于其在中心部分的厚度。
在本發(fā)明另一方案中，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，它包括步驟(a)在硅襯底上形成絕緣膜和導(dǎo)電膜，(b)在絕緣膜中形成第一開口，并在導(dǎo)電膜中形成第二開口，第二開口的長度小于第一開口，從而在導(dǎo)電膜下面在絕緣膜中形成隧道部分，和(c)在硅襯底上絕緣膜的第一開口中形成Si1-XGeX基極外延層，其中用于生長Si1-XGeX基極外延層的處理氣體包括乙硅烷，腐蝕氣體包括氯氣，氯氣與乙硅烷之比等于或大于1/50，而生長溫度等于或小于攝氏640度。
根據(jù)上述方法，利用UHV-CVD形成作為SSSB雙極晶體管基極層的SiGe外延層，其中乙硅烷與氯氣之比設(shè)定為等于或大于1/50，而生長溫度設(shè)定為等于或小于攝氏640度。所獲得的SiGe基極外延膜在其相對(duì)端部的厚度大于其在中心的厚度。因此，即使為了與基極電極層電接觸，使形成的SiGe基極外延膜在其相對(duì)端部具有大的厚度，也可使用作基極的SiGe外延層的中心部分具有較小的厚度。
結(jié)果，盡管在常規(guī)半導(dǎo)體器件中SiGe基極外延層占據(jù)了形成在基極電極層和襯底之間的絕緣膜厚度的約80％，而按照上述方法形成的SiGe基極外延層卻僅占據(jù)絕緣膜厚度的約60-30％。這樣形成較薄的SiGe基極外延層，這保證了雙極晶體管更高的工作速度。
還有可能增大基極電極層和襯底之間的間距，這可確保其間將形成的寄生電容減小，從而對(duì)在更高速度下工作的雙極晶體管非常有利。
圖1A到1C是常規(guī)晶體管的剖視圖，說明了制造該晶體管的各步驟。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的剖視圖。
圖3是展示在圖2中所示半導(dǎo)體器件的SiGe外延膜的生長溫度，生長速度和氯氣量之間關(guān)系的曲線圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的剖視圖。
圖2根據(jù)第一實(shí)施例示出包括雙極晶體管的半導(dǎo)體器件。
首先，二氧化硅膜2和多晶硅膜3依次形成在用作集電極的單晶硅襯底1上。然后，對(duì)用作基區(qū)的多晶硅層3進(jìn)行腐蝕，以由此形成穿過它的第二開口3a。此后，在多晶硅層3的露出的表面上，即多晶硅層3的上表面和第二開口3a的內(nèi)表面上形成氮化硅膜4。
然后，通過第二開口3a對(duì)二氧化硅膜2進(jìn)行濕法腐蝕，以由此去除在第二開口3a下面的二氧化硅膜2的一部分。這樣，二氧化硅膜就形成有與第二開口3a相連的第一開口2a。通過對(duì)二氧化硅膜2進(jìn)行濕法腐蝕，二氧化硅膜2被側(cè)面腐蝕，結(jié)果在第一開口2a周圍形成了隧道部分2b。
然后，在第二開口3a和第一開口2a，及隧道部分2b中露出的單晶硅襯底1的表面上選擇生長用作基極層的SiGe外延膜5。
這樣，在第一開口2a和隧道部分2b中的單晶硅襯底1的表面上都形成了SiGe外延層5。與此同時(shí)，在于隧道部分2b中露出的多晶硅膜3的下表面上形成SiGe多晶硅膜6。
這樣，如圖2所示，在隧道部分2b中，SiGe外延膜5向上生長，而SiGe多晶硅膜6向下生長，直到SiGe膜5和6相互接觸為止。這樣，由SiGe外延膜5構(gòu)成的基極層與SiGe多晶硅膜6電接觸，而該多晶硅膜6與用作基極電極層的多晶硅膜3電接觸。盡管未示出，但在這樣形成的基極層5的表面上將通過二氧化硅膜2的第一開口2a形成發(fā)射極層和發(fā)射極電極。
在這樣制造的根據(jù)第一實(shí)施例的雙極晶體管中，將根據(jù)本發(fā)明的方法用于SiGe外延膜5的生長。在圖2所示的雙極晶體管中，SiGe外延膜5被設(shè)計(jì)為在位于隧道部分2b中的相對(duì)端部5b處的厚度大于面對(duì)第二開口3a的中心部分5a的厚度。SiGe外延膜5在其相對(duì)端部5b處與SiGe外延膜6接觸。
由于SiGe外延層或基極層5被設(shè)計(jì)為具有較薄的中心部分5a和較厚的相對(duì)端部5b，因此即使SiGe外延層5在相對(duì)端部5b處與基極電極層3接觸，由于SiGe外延膜5的較薄的中心部分5a，仍使最大截止頻率從15GHz被提高到50GHz。
下面說明形成SiGe外延膜5的方法，該SiGe外延膜5用作圖2中所示雙極晶體管的基極層。
為生長SiGe外延膜5，使用冷壁型UHV-CVD設(shè)備。SiGe外延膜5在下面條件下形成用于生長的處理氣體乙硅烷和鍺用于選擇生長的處理氣體氯氣鍺的濃度15％生長溫度攝氏640度二氧化硅膜2的厚度1000埃如果氯氣的量被設(shè)定為0.2sccm，則面對(duì)第一開口2a的SiGe外延膜5的中心部分5a將具有600埃的厚度，而位于隧道部分2b中的SiGe外延膜5的相對(duì)端部5b將具有900埃的厚度。因此，隨著SiGe多晶硅膜6從多晶硅膜3開始生長，當(dāng)基極層5達(dá)到600埃厚度時(shí)，基極層5可與基極電極層3接觸。這樣，制造包括有薄的中心部分5a，具體地說是600埃厚的基極層5的雙極晶體管是可能的。結(jié)果，最大截止頻率可從15GHz提高到50GHz。
在UHV-CVD設(shè)備中，在SiGe外延膜5生長時(shí)，當(dāng)將壓強(qiáng)設(shè)定為等于或小于5×10-3乇時(shí)，分子很少相互碰撞。因此，乙硅烷分子、氯分子和其它分子可到達(dá)單晶硅襯底1而不被分解。然后，這些分子與處于比它們更高溫度下的單晶硅襯底1碰撞，結(jié)果這些分子因碰撞而分解。這里如圖2所示，可通過用加熱器7對(duì)襯底1進(jìn)行加熱來促進(jìn)分子的分解。
特別是，由于在隧道部分2b中襯底1和多晶硅膜3之間的空間相當(dāng)小，因此分子會(huì)與隧道部分2b的內(nèi)壁碰撞多次。由于氯分子有很高的活性，因此每次氯分子與襯底1碰撞，氯分子就會(huì)與其它氣體反應(yīng)，從而被消耗。結(jié)果氯分子不能到達(dá)隧道部分2b的內(nèi)部。
因此，即使將氯氣與其它處理氣體一起引入到UHV-CVD設(shè)備中，SiGe外延膜5也象沒有引入氯氣那樣在隧道部分2b中生長。在一定條件下，為選擇生長而引入的氯氣可抑制SiGe外延膜5的生長速度。因此，如果將氯氣引入U(xiǎn)HV-CVD設(shè)備中，使SiGe外延膜5的生長速度適當(dāng)降低，則SiGe外延膜5將具有這樣的結(jié)構(gòu)，即位于隧道部分2b中的相對(duì)端部5b的厚度大于在第一開口2a中露出的中心部分5a的厚度。這是因?yàn)樵诿鎸?duì)第一開口2a的中心部分5a處，SiGe外延膜5的生長速度被降低，而在位于隧道部分2b中的相對(duì)端部5b處SiGe外延膜5的生長速度卻沒有被減低。
圖3示出了對(duì)于每種氯氣量包括15％Ge的SiGe外延膜5的生長速度和生長溫度之間的關(guān)系。乙硅烷的流量為10sccm。如圖3所示，當(dāng)氯流量被設(shè)定為0.1sccm時(shí)，即氯流量與乙硅烷流量之比為1/100，與沒有加入氯時(shí)所達(dá)到的生長速度相比，即使生長溫度降低到攝氏600度，生長速度也仍然保持不變。
另一方面，當(dāng)氯流量被設(shè)定為0.2sccm或更大時(shí)，即氯流量與乙硅烷流量之比為1/50或更大，與沒有加入氯時(shí)所達(dá)到的生長速度相比，在等于或小于攝氏640度的溫度下生長速度顯著降低。例如，在生長溫度為攝氏640度，并且氯流量被設(shè)定為0.2sccm時(shí)，生長速度下降到?jīng)]有加入氯時(shí)達(dá)到的生長速度的三分之二。生長速度的降低依賴于鍺的濃度。即，在較低的鍺濃度下生長速度的降低更明顯。
圖4示出包括根據(jù)第二實(shí)施例的雙極晶體管的半導(dǎo)體器件。與圖2中所示根據(jù)第一實(shí)施例的雙極晶體管的部分或元件相應(yīng)的部分或元件被賦以相同的參考標(biāo)號(hào)。
在第二實(shí)施例中，使用與第一實(shí)施例中相同的UHV-CVD設(shè)備和處理氣體。在第二實(shí)施例中，二氧化硅膜2被設(shè)計(jì)為具有1500埃的厚度，這一厚度大于第一實(shí)施例中二氧化硅膜2的厚度。在攝氏600度的生長溫度和氯流量與乙硅烷流量之比等于3/100條件下，通過生長含12％鍺的SiGe外延層來形成SiGe外延層或基極層5。
在本實(shí)施例中，生長速度下降到?jīng)]有加入氯時(shí)達(dá)到的生長速度的三分之一。在隧道部分2b中的SiGe外延層5的相對(duì)端部5b處，生長速度是面對(duì)第一開口2a的SiGe外延層5的中心部分5a處的生長速度的三倍。即，可使SiGe外延層5在面對(duì)第一開口2a的中心部分5a處具有減小的500埃的厚度，而在位于隧道部分2b中的相對(duì)端部5b處SiGe外延層5具有1500埃的厚度。
此外，可將多晶硅膜或基極電極層3和單晶硅襯底或集電極1之間的空間從1000埃增大到1500埃，以由此減小集電極1和基極層5之間的電容，從而可將截止頻率從15GHz提高到60GHz。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體器件，包括(a)硅襯底(1)；(b)形成在硅襯底(1)上的Si1-XGeX基極外延層(5)；(c)形成在硅襯底(1)上的絕緣膜(2)，Si1-XGeX基極外延層(5)在其相對(duì)端部(5b)與所述絕緣膜(2)接觸；以及(d)形成在絕緣膜(2)上的基極電極層(3)，Si1-XGeX基極外延層(5)在其相對(duì)端部(5b)，并通過所述相對(duì)端部(5b)的上表面與基極電極層(3)接觸，其特征在于，Si1-XGeX基極外延層(5)在其相對(duì)端部(5b)的厚度大于其在中心部分(5a)的厚度。
2．如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其特征在于，絕緣膜(2)形成有第一開口(2a)，而基極電極層(3)在第一開口(2a)上形成有長度小于第一開口(2a)的第二開口(3a)，從而在基極電極層(3)下面的絕緣膜(2)中形成隧道部分(2b)，并且Si1-XGeX基極外延層(5)在隧道部分(2b)中的厚度大于在第二開口(3a)下面的厚度。
3．如權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其特征在于，還包括形成在隧道部分(2b)中的基極電極層(3)下表面上的第二Si1-XGeX層(6)，Si1-XGeX基極外延層(5)在隧道部分(2b)中與第二Si1-XGeX層(6)電接觸。
4．如權(quán)利要求1到3中的任意一個(gè)的半導(dǎo)體器件，其特征在于，絕緣膜(2)具有等于或大于1000埃的厚度。
5．如權(quán)利要求1到3中的任意一個(gè)的半導(dǎo)體器件，其特征在于，還包括用于加熱硅襯底(1)的加熱器(7)。
6．如權(quán)利要求1到3中的任意一個(gè)的半導(dǎo)體器件，其特征在于，Si1-XGeX基極外延層(5)中的X在0到15％范圍內(nèi)，包括0和15％。
7．一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括下列步驟(a)在硅襯底(1)上形成絕緣膜(2)和導(dǎo)電膜(3)；(b)在絕緣膜(2)中形成第一開口(2a)，并在導(dǎo)電膜(3)中形成第二開口(3a)，第二開口(3a)的長度小于第一開口(2a)，從而在導(dǎo)電膜(3)下面在絕緣膜(2)中形成隧道部分(2b)；和(c)在硅襯底(1)上絕緣膜(2)的第一開口(2a)中形成Si1-XGeX基極外延層(5)，其中，用于生長Si1-XGeX基極外延層(5)的處理氣體包括乙硅烷，腐蝕氣體包括氯氣，氯氣與乙硅烷之比等于或大于1/50，而生長溫度等于或小于攝氏640度。
8．如權(quán)利要求7的方法，其特征在于步驟(c)是利用超高真空CVD設(shè)備進(jìn)行的。
9．如權(quán)利要求7的方法，其特征在于步驟(c)是在等于或小于5×10-3乇的壓強(qiáng)下進(jìn)行的。
10．如權(quán)利要求7的方法，其特征在于，Si1-XGeX基極外延層(5)中的X在0到15％范圍內(nèi)，包括0和15％。
全文摘要
提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法,包括下列步驟:在硅襯底(1)上形成絕緣膜(2)和導(dǎo)電膜(3);在絕緣膜(2)中形成第一開口(2a),并在導(dǎo)電膜(3)中形成第二開口(3a),第二開口(3a)的長度小于第一開口(2a),從而在導(dǎo)電膜(3)下面在絕緣膜(2)中形成了隧道部分(2b);和在硅襯底(1)上第一開口(2a)中形成Si
文檔編號(hào)H01L21/331GK1215928SQ98120198
公開日1999年5月5日 申請(qǐng)日期1998年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月24日
發(fā)明者青山亨 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社