CN108400163B - 一种自对准异质结双极型晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自对准异质结双极型晶体管及其制造方法，能够避免E‑B短路，提升射频特性。一种自对准异质结双极型晶体管，包括：基区层；第一发射区层，形成于基区层上表面；发射极结构，形成于第一发射区层上表面，发射极结构包括上下设置的发射极阻挡层及发射极接触层；及基极金属层；自对准异质结双极性晶体管还包括：发射极钝化边沿结构，形成于发射极结构侧部及第一发射区层的上表面，发射极钝化边沿结构环绕发射极结构设置；基极金属层包括形成于基区层上表面的第一基极金属层和形成于发射极结构上表面的第二基极金属层，第一基极金属层设于发射极钝化边沿结构的侧方以通过发射极钝化边沿结构将发射极接触层和第一基极金属层间隔。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种自对准异质结双极型晶体管及其制造方法。
背景技术
异质结双极型晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor, HBT），如砷化镓与磷化铟异质结双极型晶体管等，具有高频率、高效率、高线性度、高功率密度、单电源工作等优点，广泛应用于无线通信、卫星、雷达、电子战等领域。为了提高异质结双极型晶体管的射频特性，发射极金属-基极金属（以下简称E-B）自对准结构通常用来降低基区寄生电阻与集电区寄生电容。传统E-B自对准结构由于发射极金属周边存在毛刺，基极金属的厚度必须控制在非常薄的程度，以防止较厚的基极金属与发射极金属电极间形成短路通道，否则自对准异质结双极型晶体管的制造良率将大幅度下降。然而，功率型砷化镓与磷化铟异质结双极型晶体管需要采用较厚的基极金属来降低基极电阻，从而获得优秀的射频输出功率与转换效率。由于传统方法制造的自对准异质结双极型晶体管存在E-B短路问题，目前商用功率型异质结双极型晶体管主要采用非自对准结构，发射极金属与基极金属的采用较大的间距（通常大于1微米），限制了异质结双极型晶体管射频特性的进一步提升。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术中存在的不足和问题，提出了一种自对准异质结双极型晶体管及其制造方法，避免E-B短路，提升了射频特性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种自对准异质结双极型晶体管，包括：
基区层；
第一发射区层，形成于所述基区层上表面；
发射极结构，形成于所述第一发射区层上表面，所述发射极结构包括上下设置的发射极阻挡层及发射极接触层；及
基极金属层；
所述自对准异质结双极性晶体管还包括：
发射极钝化边沿结构，形成于所述第一发射区层的与所述基区层的外基区相对应的区域上，所述发射极钝化边沿结构位于所述发射极结构侧部及所述第一发射区层的上表面，所述发射极钝化边沿结构环绕所述发射极结构设置；
所述基极金属层包括形成于所述基区层上表面的第一基极金属层和形成于所述发射极结构上表面的第二基极金属层，所述第一基极金属层设于所述发射极钝化边沿结构的侧方以通过所述发射极钝化边沿结构将所述发射极接触层和所述第一基极金属层间隔。
在一实施例中，所述发射极结构还包括设于所述第一发射区层和所述发射极接触层之间的第二发射区层；
所述发射极钝化边沿结构包括第一侧墙及第二侧墙，所述第一侧墙覆盖形成在所述发射极接触层的侧表面，所述第二侧墙形成于所述发射极阻挡层侧表面、所述第一侧墙、所述第二发射区层侧表面及所述第一发射区层上表面上。
在一实施例中，所述第二发射区层下部的侧表面自上至下逐渐向内倾斜。
在一实施例总，所述第二发射区层的下表面与所述第一基极金属层的下表面的水平间距（即所述第二发射区侧表面下端到所述基极金属层内沿下端的距离在水平方向上的投影）为0.1-1微米。
在一实施例中，所述发射极阻挡层的宽度大于所述发射极接触层及所述第二发射区层的宽度。
在一实施例中，所述第一侧墙和/或所述第二侧墙的材料为氧化硅、氮化硅或氧化铝。
在一实施例中，所述发射极接触层的材料为钨、钼、钛、钨硅合金、钼硅合金、钨钛合金、钼钛合金、钼铜合金中的一种或多种的组合；和/或，所述发射极阻挡层的材料为铬、铝、金、铂、氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或多种的组合。
在一实施例中，所述发射极结构上部的宽度大于下部的宽度。
在一实施例中，所述自对准异质结双极型晶体管为InGaP/GaAs、InGaP/GaAsSb、InGaP/InGaAsSb、InP/InGaAs、InP/GaAsSb或InP/InGaAsSb异质结双极型晶体管。
本发明还采用如下技术方案：
一种所述的自对准异质结双极性晶体管的制造方法，包括如下步骤：
提供自下至上层叠的基区层、第一发射区层及第二发射区层；
在第二发射区层上沉积发射极接触层；
将图形化的发射极阻挡层形成于发射极接触层上；
以所述发射极阻挡层为掩膜对所述发射极接触层进行刻蚀，使发射极接触层的宽度小于发射极阻挡层的宽度；
在所述发射极接触层的侧表面沉积并刻蚀形成第一侧墙；
选择性去除第二发射区层的部分半导体材料，露出所述第一发射区；
沉积所述二次侧墙介质材料，采用光刻工艺形成对应基极金属层的图形区域；
刻蚀形成所述二次侧墙，选择性去除所述对应基极金属层的图形区域中的第二发射区层材料以形成暴露出所述基区层的窗口；
沉积基极金属，形成位于所述发射极阻挡层上和所述窗口上的基极金属层。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
通过利用发射极接触层与发射极阻挡层的刻蚀选择性形成发射极结构，并形成发射极钝化边沿结构（Ledge结构）与自对准基极金属层，能有效防止传统方法制造的自对准异质结双极型晶体管存在E-B短路问题，并能有效提高异质结双极型晶体管制造工艺的一致性与良率，同时采用本专利制造的自对准异质结双极型晶体管的射频特性获得大幅度提升，具有显著的技术进步与经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的一种自对准异质结双极性晶体管的剖面示意图；
图2是根据本发明的一种自对准异质结双极性晶体管的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。本发明对方位的定义是根据本领域人员的惯常观察视角和为了叙述方便而定义的，不限定具体的方向。
本实施例提供一种自对准异质结双极性晶体管，包括：
基区层；
第一发射区层，形成于基区层上表面；
发射极结构，形成于第一发射区层上表面，所述发射极结构包括上下设置的发射极阻挡层及发射极接触层，所述发射极接触层的材料包括但不限于钨、钼、钛、钨硅合金、钼硅合金、钨钛合金、钼钛合金、钼铜合金中的一种或多种的组合，发射极接触层可以为单层或多层结构，所述发射极阻挡层的材料组分包括但不限于铬、铝、金、铂、氧化硅、氮化硅、氧化铝等以及它们的多层任意组合；
基极金属层；及
发射极钝化边沿结构，形成于发射极结构侧部及第一发射区层的上表面，发射极钝化边沿结构环绕发射极结构设置；
其中，所述基极金属层包括形成于基区层上表面的第一基极金属层和形成于发射极结构上表面的第二基极金属层，第一基极金属层设于发射极钝化边沿结构的侧方以通过发射极钝化边沿结构将发射极接触层和第一基极金属层间隔。所述发射极结构还包括设于所述第一发射区层和所述发射极接触层之间的第二发射区层，所述发射极接触层形成于所述第二发射区层上构成发射极欧姆接触，利用发射极欧姆接触与发射极阻挡层的刻蚀选择性形成T型发射极结构，采用双侧墙工艺形成所述发射极钝化边沿结构（Ledge结构）与自对准基极金属层，发射极阻挡层形成于发射极欧姆接触之上，干法刻蚀发射极欧姆接触的刻蚀速率远高于刻蚀发射极阻挡层，刻蚀形成的T型发射极结构具有顶部宽度大于底部宽度的特点。发射极钝化边沿结构包括第一侧墙及第二侧墙，第一侧墙覆盖形成在发射极接触层的侧表面，第二侧墙形成于发射极阻挡层侧表面、第一侧墙、第二发射区层侧表面及第一发射区层上表面上，且第二侧墙覆盖发射极阻挡层侧表面、第一侧墙及第二发射区层侧表面。第一侧墙形成于所述发射极接触层的侧壁之上，所述第一侧墙的材料组分包括但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝等。第二侧墙形成于第一侧墙以及半导体发射区（第二发射区层）侧壁之上，并覆盖于宽禁带半导体发射区薄层（第一发射区层）之上，采用干法刻蚀工艺形成所述的自对准发射极钝化边沿结构，所述第二侧墙的材料组分包括但不限于氧化硅、氮化硅、氧化铝等。所述自对准发射极钝化边沿的宽度由半导体发射区侧向腐蚀的内切深度所决定，其最佳宽度范围为0.1微米至1微米。自对准基极金属层直接形成于重掺杂基区层之上，通过合金工艺形成良好的欧姆接触，所述自对准基极金属层到第二发射区层侧边缘的距离由所述自对准发射极钝化边沿的宽度所决定。
图1示出了本发明提供的一种自对准异质结双极性晶体管的剖面示意图，自对准异质结双极型晶体管为InGaP/GaAs、InGaP/GaAsSb、InGaP/InGaAsSb、InP/InGaAs、InP/GaAsSb或InP/InGaAsSb异质结双极型晶体管，图1所示实施例以InGaP/GaAs HBT为例进行具体说明。图1所示的自对准异质结双极性晶体管中，所述基区层具体为重掺杂P型GaAs基区层107，所述第一发射区层具体为InGaP宽禁带发射区层109，所述第二发射区层具体为GaAs发射区层110，所述发射极接触层具体为WSi发射极接触层111，所述发射极阻挡层具体为TiAu发射极阻挡层112；P型GaAs基区层107、InGaP宽禁带发射区层109、GaAs发射区层110、WSi发射极接触层111及TiAu发射极阻挡层112自下至上依次层叠。基极金属层具体为PtTiPtAu基极金属层108和113，位于TiAu发射极阻挡层112上表面上的PtTiPtAu基极金属构成所述第一基极金属层113，环绕所述发射极钝化边沿结构的位于P型GaAs基区层107上的PtTiPtAu基极金属构成所述第二基极金属层108。
TiAu发射极阻挡层112的宽度大于其下方的WSi发射极接触层111及GaAs发射区层110的宽度，使得发射极结构上部的宽度大于下部的宽度。进一步地，GaAs发射区层110下端的宽度小于其上端的宽度，优选地，GaAs发射区层110下部的侧表面自上至下逐渐向内倾斜，即GaAs发射区层110的下部呈截顶圆锥体状。第一侧墙114覆盖环绕形成在WSi发射极接触层111及GaAs发射区层110上部的侧表面上，第二侧墙115覆盖形成在第一侧墙114侧表面、GaAs发射区层110下部侧表面及InGaP宽禁带发射区层109上表面上，且覆盖形成在InGaP宽禁带发射区层109上表面的第二侧墙的宽度为0.1-1微米。本实施例中第一侧墙114具体选用SiO2，第二侧墙115具体选用为SiNx。
图1所示的自对准异质结双极性晶体管还包括GaAs半绝缘衬底101、形成在GaAs半绝缘衬底101上表面的重掺杂N型GaAs集电区102、形成在重掺杂N型GaAs集电区102上表面且间隔设置的NiGeAu集电极金属103及InGaP腐蚀阻挡层105、形成在InGaP腐蚀阻挡层105上表面的轻掺杂N型GaAs集电区106、形成在GaAs半绝缘衬底101及重掺杂N型GaAs集电区102中并和NiGeAu集电极金属103接触的B注入隔离区104。所述的重掺杂P型GaAs基区层即形成在轻掺杂N型GaAs集电区106上表面。PECVD沉积的SiO2第一侧墙114形成于发射极接触层111侧壁之上，SiO2第一侧墙114的作用在于防止发射极接触层111的侧壁在进行GaAs发射区层110湿法腐蚀时被酸腐蚀，并抑制电化学增强效应的发生；PECVD沉积的SiNx第二侧墙115形成于第一侧墙114以及GaAs发射区层110上部侧壁之上，并覆盖于InGaP宽禁带发射区层109薄层之上，采用干法刻蚀工艺形成发射极钝化边沿结构（Ledge结构），SiNx第二侧墙115形成对InGaP Ledge结构的表面钝化（在本实施例中，自对准InGaP Ledge结构的最佳宽度为0.5微米）；自对准PtTiPtAu基极金属层直接形成于重掺杂P型GaAs基区107之上形成环绕钝化边沿结构的第一基极金属层108，基极金属层同时覆盖于发射极阻挡层112之上并形成发射极顶层的第二基极金属层113；TiPtAu一次布线金属116形成于NiGeAu集电极金属103之上，采用旋涂工艺在金属电极上方形成Polyimide或者BCB介质层117，并填充金属电极间的空隙使芯片表片平坦化；采用电镀金工艺形成二次布线金属，分别形成发射极引线电极118、集电极引线电极119。
本实施例还提供一种自对准异质结双极性晶体管的制造方法，下面参照图2a-2i以InGaP/GaAs HBT对该制造方法的步骤进行详细说明。
如图2a所示，提供自下至上层叠的基区层、第一发射区层及第二发射区层，具体地，P型GaAs基区层202形成于N型GaAs集电区201之上，InGaP宽禁带发射区层203（即所述第一发射区层）形成于P型GaAs基区202之上，GaAs发射区层204（即所述第二发射区层）形成于InGaP宽禁带发射区203之上；采用溅射方法沉积WSi发射极接触层205（即所述发射极接触层）于GaAs发射区204表面，WSi发射极接触层的厚度为300纳米；采用金属剥离工艺沉积100纳米TiAu刻蚀发射极阻挡层206（即所述发射极阻挡层）于WSi发射极接触层205之上，形成图形化的发射极阻挡层206。
如图2b所示，以TiAu刻蚀发射极阻挡层206为掩膜，采用低压SF6气体在ICP腔体中刻蚀WSi发射极接触层205和GaAs发射区层204的部分表层，待到WSi金属完全刻蚀后增大ICP反应腔内SF6气压继续过刻蚀，通过调节刻蚀时间获得侧向内切深度可控的T型发射极结构，使得TiAu发射极阻挡层206的宽度大于其下方的WSi发射极接触层205。
如图2c所示，采用PECVD方法沉积50纳米厚度SiO2介质207，介质均匀覆盖TiAu发射极阻挡层206顶部及WSi发射极接触层205和GaAs发射区层204上部的侧壁。
如图2d所示，采用低压CF4气体在ICP腔体中各向异性刻蚀SiO2介质形成第一侧墙207。
如图2e所示，采用H3PO4+H2O2水溶液选择性腐蚀GaAs发射区层204，露出InGaP宽禁带发射区层203表面。
如图2f所示，采用PECVD方法沉积50纳米厚度SiNx介质208，SiNx介质对GaAs发射区层204的侧壁与InGaP宽禁带发射区层203的表面形成良好钝化。
如图2g所示，利用深紫外光刻技术形成对应基极金属层的图形区域，采用低压SF6气体在ICP腔体中各向异性刻蚀SiNx介质形成第二侧墙208。
如图2h所示，采用H3PO4+HCl水溶液选择性腐蚀InGaP宽禁带发射区层203，露出重掺杂P型GaAs基区层202的表面形成窗口，然后采用电子束蒸发200纳米厚的自对准PtTiPtAu基极金属，形成位于所述发射极阻挡层上和所述窗口上的基极金属层。
如图2i所示，采用丙酮浸泡剥离光刻胶上的PtTiPtAu金属，完成自对准基极金属层210的制作。
2微米发射极非自对准InGaP/GaAs HBT商业化功率器件的最大振荡频率FMAX为105GHz（FT=47 GHz），而采用本发明提供的2微米发射极自对准InGaP/GaAs HBT功率器件，其最大振荡频率FMAX提高至152 GHz（FT=48 GHz），远高于非自对准InGaP/GaAs HBT结构，表明本发明具有显著的技术优势，将在下一代射频功率放大器应用中产生巨大的经济效应与市场价值。
本发明提供的一种新型自对准异质结双极型晶体管结构及其制造方法，通过利用发射极接触层与发射极阻挡层的刻蚀选择性形成T型发射极结构，采用双侧墙技术形成发射极钝化边沿结构（Ledge结构）与自对准基极金属层，能有效防止传统方法制造的自对准异质结双极型晶体管存在E-B短路问题，并能有效提高异质结双极型晶体管制造工艺的一致性与良率，同时采用本专利制造的自对准异质结双极型晶体管的射频特性获得大幅度提升，具有显著的技术进步与经济效益。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自对准异质结双极型晶体管，包括：
基区层；
第一发射区层，形成于所述基区层上表面；
发射极结构，形成于所述第一发射区层上表面，所述发射极结构包括发射极接触层及设置于所述发射极接触层上的发射极阻挡层；及
基极金属层；
其特征在于，所述自对准异质结双极型 晶体管还包括：
发射极钝化边沿结构，形成于所述第一发射区层的与所述基区层的外基区相对应的区域上，所述发射极钝化边沿结构位于所述发射极结构侧部及所述第一发射区层的上表面，所述发射极钝化边沿结构环绕所述发射极结构设置；
所述基极金属层包括形成于所述基区层上表面的第一基极金属层和形成于所述发射极结构上表面的第二基极金属层，所述第一基极金属层设于所述发射极钝化边沿结构的侧方以通过所述发射极钝化边沿结构将所述发射极接触层和所述第一基极金属层间隔；
所述发射极结构还包括设于所述第一发射区层和所述发射极接触层之间的第二发射区层；
所述发射极钝化边沿结构包括第一侧墙及第二侧墙，所述第一侧墙覆盖形成在所述发射极接触层的侧表面，所述第二侧墙形成于所述发射极阻挡层侧表面、所述第一侧墙与所述第二发射区层侧表面及所述第一发射区层上表面。
2.根据权利要求1所述的自对准异质结双极型晶体管，其特征在于：所述第二发射区层下部的侧表面自上至下逐渐向内倾斜。
3.根据权利要求2所述的自对准异质结双极型晶体管，其特征在于：所述第二发射区层的下表面与所述第一基极金属层的下表面的水平间距为0.1-1微米。
4.根据权利要求1所述的自对准异质结双极型晶体管，其特征在于：所述发射极阻挡层的宽度大于所述发射极接触层及所述第二发射区层的宽度。
5.根据权利要求1所述的自对准异质结双极型晶体管，其特征在于：所述第一侧墙和/或所述第二侧墙的材料为氧化硅、氮化硅或氧化铝。
6.根据权利要求1所述的自对准异质结双极型晶体管，其特征在于：所述发射极接触层的材料为钨、钼、钛、钨硅合金、钼硅合金、钨钛合金、钼钛合金、钼铜合金中的一种或多种的组合；和/或，所述发射极阻挡层的材料为铬、铝、金、铂、氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1所述的自对准异质结双极型晶体管，其特征在于：所述发射极结构上部的宽度大于下部的宽度。
8.根据权利要求1所述的自对准异质结双极型晶体管，其特征在于：所述自对准异质结双极型晶体管为InGaP/GaAs、InGaP/GaAsSb、InGaP/InGaAsSb、InP/InGaAs、InP/GaAsSb或InP/InGaAsSb异质结双极型晶体管。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的自对准异质结双极型晶体管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供自下至上层叠的基区层、第一发射区层及第二发射区层；
在第二发射区层上沉积发射极接触层；
将图形化的发射极阻挡层形成于发射极接触层上；
以所述发射极阻挡层为掩膜对所述发射极接触层进行刻蚀，使发射极接触层的宽度小于发射极阻挡层的宽度；
在所述发射极接触层的侧表面沉积并刻蚀形成第一侧墙；
选择性去除第二发射区层的部分半导体材料，露出所述第一发射区；
沉积第二侧墙介质材料，采用光刻工艺形成对应基极金属层的图形区域；
刻蚀形成所述第二侧墙，选择性去除所述对应基极金属层的图形区域中的第二发射区层材料以形成暴露出所述基区层的窗口；
沉积基极金属，形成位于所述发射极阻挡层上和所述窗口上的基极金属层。
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