CN100583447C - 具有双极晶体管的半导体器件和制造这种器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有衬底和包含双极晶体管的硅半导体主体的半导体器件(10)，该双极晶体管具有发射极区(1)、基极区(2)和集电极区(3)，所述各区通过提供适当的掺杂原子而分别是N型导电性的、P型导电性的和N型导电性的，其中所述基极区(2)包括硅和锗的混合晶体，一个硅的中间区(22)把所述基极区(2)与所述发射极区分开，所述中间区具有比所述发射极区(1)的掺杂浓度低的掺杂浓度，并且其厚度小于发射极区(1)的厚度，并且所述发射极区(1)包括一个含有硅和锗的混合晶体的子区域，其位于发射极区(1)中的远离所述中间区(22)的一侧。根据本发明，所述含有硅和锗的混合晶体的子区域基本上穿过整个发射极区(1)延伸直到与中间区(22)接触，并且发射极区(1)的掺杂原子是砷原子。这种器件在中间区(22)处或在其内部具有非常陡峭的N型掺杂分布图(50)和非常陡峭的P型掺杂分布图(20)，并且由此具有较高截止频率(fr)的高频性能。优选地，发射极区(1)在其上半部被掺杂有砷注入，最后的掺杂分布图是在RTA之后形成的。本发明还包括一种制造根据本发明的器件(10)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有衬底和包含双极晶体管的硅半导体主体的半导体器件，该双极晶体管具有发射极区、基极区和集电极区，所述各区域通过提供适当的掺杂原子而分别是n型导电性的、P型导电性的和n型导电性的，其中所述基极区包括硅和锗的混合晶体，一个硅的中间区把所述基极区与所述发射极区分隔开，所述硅的中间区具有比所述发射极层的掺杂浓度低的掺杂浓度并且其厚度小于发射极区的厚度，并且所述发射极区包括一个含有硅和锗的混合晶体的子区域，所述子区域位于所述发射极区的远离所述中间区的一侧。这种其中的发射极包括单晶区域的器件适合于高频应用。本发明还涉及一种制造这种器件的方法。通过在外延生长处理中形成发射极区能够容易地获得单晶发射极区。
背景技术
这种器件和方法从2004年7月6日公开的美国专利US6,759,696中是已知的。在所述文献中，披露了基极区和发射极区被原位掺杂，即在它们的外延生长期间分别通过硼和磷原子进行掺杂。所述基极区提供有硅和锗的混合晶体以便改进速度。所述(单晶)发射极区的表面部分提供有硅和锗的混合晶体，后一材料具有比包括硅的其余发射极区高的本征载流子浓度，并且所述硅-锗区域位于耗尽区域外侧并且被掺杂以便发生俄歇(Auger)复合。这样，就可获得允许通过基极电流非常精确地调节电流放大的快速双极晶体管。所述已知器件的缺点是对于需要很高fT(＝截止频率)的一些应用需要改进其速度。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种开头段落中所述种类的器件，其具有改进的高频性能。
为了实现这一目的，根据本发明，一种在开头段落中提及类型的器件的特征在于：所述包括硅和锗的混合晶体的子区域基本上穿过整个发射极区延伸直到与中间区接触，并且所述发射极区的掺杂原子是砷原子。本发明是基于下面的意外的察觉。首先，与在硅中的扩散速度相比，N型掺杂剂的更具体地扩散在包括硅和锗的混合晶体的材料中好象是被提高了。因此，通过将硅-锗子区域定位直到所述中间区，就可获得所述N型掺杂的陡峭截面分布。这种陡峭截面分布允许晶体管的更加快速的响应速度，因此允许改进高频性能。上面的效果对于砷原子比对于磷看来似乎是大得多的。因此在根据本发明的器件中能够可观地增加fT。
在这方面的最佳结果是对于发射极区的锗含量位于大约20到100at.％(原子百分比，以下用“原子％”表示)之间而获得的。实际上，适当的锗含量在于大约40原子％。应当注意对于本发明的效果并不需要锗含量在贯穿整个发射极区的范围内都是同样较高的。然而，均匀的锗含量不仅有效而且容易实现，因为在外延生长期间的气相条件最容易被保持恒定。
在原位掺杂发射极区，即硅和锗的混合晶体区域在气体类似PH3的条件下被外延生长的情况下，可获得本发明的效果。然而，在一个最佳实施例中通过离子注入将砷原子提供在发射极区中。如果注入的砷原子被置于更加远离与所述中间区接触的接面的区域中，则可获得在与在包含中间区的硅中的扩散延迟结合的在硅-锗区域中的扩散增强的整体效果，即在与中间区的接面处或在中间区内部的接面处获得砷原子的非常陡峭的截面分布。
此外，以这种方法，砷注入的范围缺陷的末端被保持在距基极-发射极结的安全距离之外。优选的是，所述范围损害的末端被保持在距所述基极-发射极结例如20nm的距离。这允许硅-锗区域应力的最佳缓和，接着允许较高的锗含量。后者意味着砷原子的扩散的增强是最大的。此外，范围损害的末端还提高了砷原子的扩散。在适当的热处理(例如快速热退火处理)之后，在发射极区中就可获得最后非常陡峭的砷截面分布，其直到会达到与中间区接触的接面或者直到略微在中间区内部。
本发明还认识到，与在中间区的硼在硅中的扩散相比，掺杂有硼的P型区域中的硅-锗会延迟硼扩散。因此，在根据本发明的器件中，不仅发射极的N型截面分布具有非常陡峭的变化，而且基极区的P型截面分布也具有非常陡峭的变化。后者还促成了所述高频性能，并且因此促成较高的fT。在一个有利实施例中，所述基极区被掺杂有硼并且提供有碳原子，其中碳原子的浓度至少与硼原子的浓度相当。已经发现碳原子的存在也会延迟硼扩散，因此还有助于提高硼迁移的陡度并因此有助于晶体管的速度。此外，在所述浓度范围中的碳原子不会不利地影响双极晶体管的任何其它性能。
优选的是，基极区中的锗包含区域的宽度和碳包含区域的宽度稍微宽于包括硼原子的区域的宽度。这样阻滞效应是最佳的。对于碳原子，这通过例如用碳来对与基极区临界的中间区的一部分(例如一半)进行掺杂也能够有利地实现。比这大的部分是不适当的，因为碳会增强砷扩散，并且发射极区的砷截面分布将会少量扩展到中间区中。
所述中间区可以是N型导电性的或者P型导电性的，只要其掺杂浓度足够低。它也可以是本征区。优选的是，薄的牺牲硅区域被形成在发射极区的顶部。其优点是能够降低结构中的应变，并且通过与金属反应而能够将所述区域转换成作为用于所述发射极的接触区的金属硅化物区。
根据本发明还提供一种制造具有衬底和包含双极晶体管的硅半导体主体的半导体器件的方法，所述双极晶体管具有发射极区、基极区和集电极区，所述各区域通过提供适当的掺杂原子而分别是N型导电性的、P型导电性的和N型导电性的，其中所述基极区提供有硅和锗的混合晶体，一个硅的中间区把所述基极区与所述发射极区分开，所述硅的中间区具有比所述发射极区的掺杂浓度低的掺杂浓度并且其厚度小于发射极区的厚度，并且所述发射极区提供有一个包含硅和锗的混合晶体的子区域，所述子区域位于发射极区的远离所述中间区的一侧，该方法的特征在于：所述包括硅和锗的混合晶体的子区域基本上穿过整个发射极区延伸直到与中间区接触，并且选择砷原子作为发射极区的掺杂原子。这样，就以简单的方式获得了根据本发明的半导体器件。
优选的是，发射极区的锗含量被选择在大约20到100原子％之间。在锗含量为大约40原子％的情况下能够得到最佳的结果。在一个最佳实施例中，通过离子注入将砷原子提供在发射极区中。优选的是，选择离子注入的能量以使得注入的砷原子被置于远离中间区的发射极区中。优选的是，在所述硅-锗发射极区的顶端生长一个薄的硅区域，随后其被转换成金属硅化物接触区。
附图说明
本发明的这些和其它方面通过之后所述的实施例将是显而易见的并将参照这样的实施例对其进行说明。
在附图中：
图1至图6是在使用根据本发明的方法的制造中的连续阶段内，与厚度方向成直角的根据本发明的半导体器件的概略横剖面图；
图7至图9是在使用根据本发明的方法的制造中的连续相关阶段内，与厚度方向成直角的根据本发明的半导体器件的组成的概略横断面图。
具体实施方式
所述各附图是概略的并且不是按比例描绘的，特别是厚度方向上的尺寸为了清楚起见被放大了。相同导电性类型的半导体区域通常以相同方向的阴影线表示。相同的参考数字在任何可能的情况下都指代相同的区域。
图1至图6是在使用根据本发明的方法的制造中在连续阶段内，与厚度方向成直角的根据本发明的半导体器件的概略横剖面图。本示例的几乎完全完成的器件10(参见图6)包括具有N型硅衬底12的半导体主体11和在其上沉积有双极晶体管的半导体层状结构。在本示例中为离散型的晶体管具有N型发射极区1、P型基极区2和N型集电极区3，所述区域1、2、3被提供有第一、第二、和第三连接导体区域100、200、300。一个中间区22位于基极2和发射极1之间。基极区2包括锗含量为大约20原子％的硅和锗的混合晶体，并且在本示例中具有硼尖峰(boron spike)形式的浓度为大约1×1018at/cm3(每立方厘米中的原子数)至5×1019at/cm3的掺杂。中间区22包括硅并且是未掺杂的或者本征的，其掺杂浓度可以在1×1017at/cm3至1×1018at/cm3的范围内。这同样适用位于基极区2和集电极区域3之间的过渡层21，其在此处位于衬底12内部。所述发射极区1和基极区2的连接导体100、200在此处包括例如钴或者镍的硅化物，而集电极区3的连接导体300在此处包括铝。发射极区1在此处包括通过外延获得的单晶区域1，其借助于隔离物4与基极连接区域2A分开并且在二氧化硅的隔离区5上面是多晶的。器件10在此处还包括由二氧化硅组成的下沉隔离区16、17。
根据本发明，发射极区1基本上贯穿其整个厚度包括硅和锗的混合晶体，其中锗浓度在20到100原子％之间，在本示例中为40原子％。此外，发射极区1被掺杂有砷原子。由于这些条件，掺杂分布图在发射极1和中间区22之间的边界附近显示出非常陡峭的截面分布，其会促成晶体管的高频性能。优选地，发射极区1的掺杂在本示例中是通过离子注入获得的，如此注入的砷原子的截面分布位于发射极区1的上半部，而在热退火处理之后，不仅使砷原子是电活跃的，而且砷原子会到达靠近或者略微在中间区22内部的位置，这里通过区域1A表示。
在本示例中，基极连接区域2A除多晶硅区域2AA之外还包括在这里由氮化钽构成的另一个导电区2B，其位于聚-硅区域2AA下面并且朝向它可以对后者进行选择性地蚀刻。发射极区1在本示例中具有一个T形横截面，并且已经用作用于借助离子注入在基极区2形成高度掺杂区域2C的掩模。
本示例的器件的横向尺寸是1μm×10μm。发射极区具有1020at/cm3的掺杂浓度和30nm的厚度。基极区2具有大约20nm的厚度，边界层21、22具有同样的厚度。可以如下使用根据本发明的方法来制造本示例的器件10。基极区2除了硅-锗混合晶体和硼掺杂之外还包括大约1020at/cm3的碳掺杂。所述硅-锗和碳原子都会延迟硼原子的扩散。由于那个缘故，在有中间区22的边界处的硼截面分布也是非常陡峭的，其会促成晶体管的高速性能。
所述起始点(参见图1)是由N型硅衬底12形成的，在所述N型硅衬底12中形成有所谓的STI(浅沟槽绝缘)区域16、17。为了简化起见，图中已经省略了位于这些区域16、17下面的衬底12部分。在其上使用外延来沉积外延层21、2、22，由此如上所指出的通过在生长反应器中调整适合的气体流来选择所述厚度、组成和掺杂浓度。
接下来，在本示例中，沉积另一个层结构，其随后包括氮化钽的导电层2AB、多晶硅层2AA和二氧化硅的绝缘层5。第一层2AB是例如通过溅射形成的，而其他层2AA、5是通过CVD(化学汽相淀积)形成的，所述厚度分别是10、100和50nm。
随后(参见图2)使用照相平版印刷掩模M，例如利用干式蚀刻处理在层5、2AA中形成一个开口6，层2AB用作蚀刻停止层。
然后(参见图3)，使用另一个例如湿式蚀刻处理在开口6中蚀刻层2AB，层22的硅用作蚀刻停止层。
在除去掩模M之后(参见图4)，形成包括两个薄层的隔离物4，下面的薄层是氧化物，上面的薄层是氮化物，它们的厚度分别是10和50-100nm。这些层被均匀地沉积，随后通过各向异性蚀刻处理除去水平部分。
接着(参见图5)，使用非选择性的(或者差别)外延生长处理来沉积未掺杂的(至少不是有意掺杂的)层1，其包括硅和锗的混合晶体，其中锗含量为40原子％。优选的是，薄的牺牲硅区域99被形成在发射极区1的顶部。
在开口6内部，层1(和层99，如果存在)变成是单晶的，在所述开口6外部和在二氧化硅层5上面，层1变成是多晶的。然后使用1keV的能量和利用1×1015at/cm2的剂量(流量)执行砷的离子注入I。这些条件如此：注入的As截面分布在层1的上半部范围之内。在退火处理之后，这里为在1050℃下的瞬间退火形式的RTA(＝快速热退火)，砷原子扩散，通过发射极层1的整个厚度所述扩散通过层1的SiGe混合晶体被增强并且通过层22的硅被延迟，从而会产生薄的向外扩散的区域1A并且具有非常陡峭的截面分布。
随后(参见图6)，借助于光刻法和蚀刻摹制发射极层1。发射极1的宽度在其底部大约为200nm，而在其顶部大约为500nm。接着，借助于离子注入形成高掺杂区域2C，发射极1仍然提供有图中未示出的掩模并且用作掩模。
最后，例如通过淀积镍或者钴层形成连接导体100、200，所述镍或者钴层被强迫进行反应用于硅化物形成，所述未反应的镍或者钴通过蚀刻除去。还形成连接导体300。应当注意还可以在器件10的顶面接触集电极3。如果器件10是分立器件，但特别地，如果器件10形成一个IC(＝集成电路)，例如双极或BiMOS或者BiCMOS IC，则能够这么做。在应用类似锯或者蚀刻的分离技术之后，能够获得适合于安装的单独器件10。
图7至图9是在使用根据本发明的方法的制造中处于连续相应阶段的根据本发明的半导体器件的组成的与厚度方向成直角的概略横断面图。在这些图中，C代表组成(用于混合晶体区域)或者浓度(用于掺杂原子或者添加剂)，而D代表厚度方向，分隔区域1、2、22沿D轴用它们的参考数字表示。曲线30表示在D方向上的锗含量，曲线20表示硼浓度，曲线40表示碳的浓度，而曲线50表示砷浓度。
图7表示与图5对应的但在离子注入I之前的制造阶段和如上所述的锗含量30、硼浓度20和碳浓度40。
图8表示就在图5的离子注入I之后的器件10和由此注入的砷截面分布50。
图9表示在上述的RTA步骤之后获得的非常陡峭的砷截面分布50。这些图尤其是图9示出了在中间区22的位置处的发射极1中的砷和基极2中的硼的非常陡峭的截面分布和由此如何获得具有优秀的高频性能的具有双极晶体管的器件。
本发明并不限于上述的示例，在本发明的范围内，本领域技术人员能够做出许多修改和变化。例如，可以选择用于不同(半导体)层或者区域的组成和厚度，使它们不同于在所述示例中提及的那些组成和厚度。还能够使用不同的淀积技术，例如MBE(＝分子束外延)或者PVD(物理汽相淀积)的溅射。
根据本发明的方法可以非常好的应用于比单个双极晶体管更加复杂的器件。所述器件可以包括许多不同的有源或者无源电子或者半导体元件。所述晶体管也可以形成BI(C)MOS IC(＝双极(互补)金属氧化物半导体集成电路)的一部分。
Claims (12)
1.一种半导体器件(10)，其具有衬底(12)和包含双极晶体管的硅半导体主体(11)，该双极晶体管具有发射极区(1)、基极区(2)和集电极区(3)，所述各区通过提供适当的掺杂原子而分别是N型导电性的、P型导电性的和N型导电性的，其中所述基极区(2)包括硅和锗的混合晶体，一个硅的中间区(22)把所述基极区(2)与所述发射极区(1)分开，所述硅的中间区具有比所述发射极区(1)的掺杂浓度低的掺杂浓度并且其厚度小于发射极区(1)的厚度，并且所述发射极区(1)包括一个含有硅和锗的混合晶体的子区域，该子区域位于发射极区(1)中的远离所述中间区(22)的一侧，其特征在于所述含有硅和锗的混合晶体的子区域穿过整个发射极区(1)延伸直到与中间区(22)接触，并且发射极区(1)的掺杂原子是砷原子。
2.根据权利要求1所述的半导体器件(10)，其特征在于所述发射极区(1)的锗含量在20到100原子％之间。
3.根据权利要求2所述的半导体器件(10)，其特征在于所述发射极区的锗含量为40原子％。
4.根据权利要求1、2或者3所述的半导体器件(10)，其特征在于通过离子注入将砷原子提供在发射极区(1)中。
5.根据权利要求4所述的半导体器件(10)，其特征在于离子注入的能量被选择以使得注入的砷离子位于发射极区(1)中远离中间区(22)。
6.如权利要求1所述的半导体器件(10)，其特征在于所述基极区(2)被掺有硼原子并且被提供有碳原子，所述碳原子的浓度至少与硼原子的浓度相当。
7.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于发射极区(1)通过由发射极区(1)顶上的牺牲硅层(99)形成的金属硅化物来接触。
8.一种制造半导体器件(10)的方法，所述半导体器件(10)具有衬底(12)和包含双极晶体管的硅半导体主体(11)，所述双极晶体管具有发射极区(1)、基极区(2)和集电极区(3)，所述各区通过提供适当的掺杂原子而分别是N型导电性的、P型导电性的和N型导电性的，其中所述基极区(2)提供有硅和锗的混合晶体，一个硅的中间区(22)把所述基极区(2)与所述发射极区(1)分开，所述硅的中间区具有比所述发射极区(1)的掺杂浓度低的掺杂浓度并且其厚度小于发射极区(1)的厚度，并且所述发射极区(1)提供有一个含有硅和锗的混合晶体的子区域，所述子区域位于发射极区(1)中的远离所述中间区(22)的一侧，该方法的特征在于所述含有硅和锗的混合晶体的子区域穿过整个发射极区(1)延伸直到与中间区(22)接触，并且选择砷原子作为发射极区(1)的掺杂原子。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于发射极区(1)的锗含量被选择在20到100原子％之间。
10.根据权利要求8或者9所述的方法，其特征在于通过离子注入(I)将砷原子提供于所述发射极区(1)中。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于离子注入(I)的能量被选择以使得注入的砷原子位于发射极区(1)中远离中间区(22)。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于在发射极区(1)的上面生长薄牺牲硅区域(99)，利用金属把所述硅区域(99)转换成金属硅化物接触区(100)。
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