DE10038955A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors

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Abstract

Auf einer horizontalen Oberfläche einer Grundschicht (G) aus monokristallinem Halbleitermaterial wird eine erste isolierende Schicht (I1), daüber eine Basisanschlußschicht (BA) aus Polysilizium und darüber eine zweite isolierende Schicht (I2) erzeugt. Zur Erzeugung einer Vertiefung (V) werden die zweite isolierende Schicht (I2) und die Basisanschlußschicht (BA) strukturiert, bis ein Teil der ersten isolierenden Schicht (I1) freigelegt wird, so daß seitliche Flächen der Basisanschlußschicht (BA) gebildet werden. Der freigelegte Teil der ersten isolierenden Schicht (I1) wird geätzt, bis die Grundschicht (G) freigelegt wird. Zur Erzeugung einer Basisschicht (B) wird eine selektive Epitaxie durchgeführt, bis die Basisschicht (B) dicker als die erste isolierende Schicht (I1) ist. Da monokristalline Teile, die auf der Grundschicht (G) aufwachsen, und polykristalline Teile, die auf den seitlichen Flächen der Basisanschlußschicht (BA) aufwachsen, zumindest teilweise in Kontakt miteinander aufwachsen, ist der elektrische Widerstand zwischen diesen Teilen sehr gering.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors.
Ein Bipolartransistor weist einen Emitter, einen Kollektor und eine dazwischen geschaltete Basis auf, die zusammen einen pnp- oder einen npn-Übergang bilden. Jedes der drei genannten Elemente wird separat angeschlossen. Der Strom, der zwischen dem Kollektor und dem Emitter durch den Bipolartransistor fließt, wird durch die Spannung an der Basis gesteuert.
In der Halbleitertechnologie ist es z. B. aus W. Klein und B. U. H. Klepser "75 GHz Bipolar Production Technology for the 21st Century", ESSDERC'99, Seiten 88 bis 94 bekannt, einen Bipolartransistor herzustellen, indem auf einer monokristal­ linen Grundschicht aus Silizium, die teilweise als Kollektor wirkt, eine Oxidschicht und darüber eine Schicht aus Polysi­ lizium abgeschieden werden. Die Schicht aus Polysilizium wird im Bereich einer zu erzeugenden Basis entfernt, bis die Oxid­ schicht freigelegt wird. Dabei entstehen seitliche Flächen der Schicht aus Polysilizium. Anschließend wird eine Schicht aus Siliziumnitrid abgeschieden und so strukturiert, daß die seitlichen Flächen der Schicht aus Polysilizium bedeckt sind, aber die Oxidschicht teilweise freigelegt ist. Die Oxid­ schicht wird isotrop geätzt, bis die Grundschicht teilweise freigelegt wird. Dabei werden untere horizontale Flächen der Schicht aus Polysilizium ebenfalls freigelegt. Zur Erzeugung der Basis wird eine selektive Epitaxie durchgeführt, wobei eine leitende Verbindung zwischen der Basis und der Schicht aus Polysilizium entsteht. Bei einer selektiven Epitaxie fin­ det eine Materialabscheidung lediglich auf offenen Halblei­ termaterialflächen jedoch nicht auf dielektrischen Materia­ lien statt. Über der Basis wird zur Erzeugung eines Emitters ein weiteres Polysilizium abgeschieden. Anschließend wird ein Zwischenoxid erzeugt, und es werden Kontakte zum Emitter, zum Kollektor und zur Schicht aus Polysilizium, die als Basi­ sanschluß wirkt, erzeugt. Das Siliziumnitrid an den Seiten­ flächen der Schicht aus Polysilizium schützt vor Kurzschlüs­ sen zwischen dem Basisanschluß und dem Emitter. Insbesondere wenn der Emitter aus Polysilizium besteht und/oder der Basi­ sanschluß hochdotiert ist, würden bei einer Berührung der beiden Elemente starke Leckströme fließen.
Nachteilig an einem solchen Verfahren ist, daß der erzeugte Bipolartransistor einen sehr hohen elektrischen Widerstand zwischen der Basis und dem polykristallinen Basisanschluß aufweist. Der Grund dafür liegt darin, daß bei der selektiven Epitaxie das Silizium auf der Grundschicht monokristallin und auf den unteren Flächen der Schicht aus Polysilizium polykri­ stallin aufwächst, bis der monokristalline Bereich und der polykristalline Bereich aufeinander stoßen. An der Grenzflä­ che zwischen diesen beiden Bereichen bildet sich eine Korn­ grenze aus, die zum hohen elektrischen Widerstand zwischen der Basis und dem Basisanschluß führt.
Ebenfalls bekannt ist z. B. aus U. König und H. Dämbkes "SiGe HBTs and HFETs", Solid State Electronics, Vol. 38, No. 9, pp 1595-1596, 1995 ein Verfahren zur Herstellung eines Bipo­ lartransistors, bei dem die Bildung von Korngrenzen verrin­ gert wird, indem zunächst nach Erzeugung der Oxidschicht die­ se im Bereich der zu erzeugenden Basis geöffnet wird, so daß die Grundschicht freigelegt wird. Anschließend wird eine dif­ ferentielle Epitaxie durchgeführt, bei der ganzflächig eine durchgehende Schicht aus Silizium erzeugt wird, die auf der Grundschicht monokristallin und auf der Oxidschicht polykri­ stallin aufwächst. Die polykristallinen und monokristallinen Teile wachsen also in Verbindung miteinander auf, so daß sich ein guter elektrischer Kontakt zwischen diesen Teilen bildet. Anschließend wird der polykristalline Teil der epitak­ tisch aufgewachsenen Schicht strukturiert und dient als Basisanschluß, während der monokristalline Teil der Schicht als Basis dient.
Auch dieses Verfahren weist Nachteile auf, die darauf zurück­ zuführen sind, daß der Basisanschluß und die Basis als Teile einer einzigen Schicht erzeugt werden. Zum einen ist die Di­ cke des Basisanschlusses auf die Dicke der Basis beschränkt. Die Dicke des Basisanschlusses kann zur Optimierung des e­ lektrischen Widerstandes des Basisanschlusses nicht unabhän­ gig von der Dicke der Basis gewählt werden. Zum anderen ist der elektrische Widerstand des Basisanschlusses hoch, da der Basisanschluß dieselbe niedrige Dotierstoffkonzentration wie die Basis aufweist. Eine Erhöhung der Dotierstoffkonzentrati­ on der epitaktisch aufgewachsenen Schicht würde zu erhöhten Sperrströmen zwischen der Basis und dem Emitter führen.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren anzugeben, durch das ein Bipolartransistor erzeugt wird, der bei zugleich guter Leitfähigkeit des Basisanschlus­ ses einen geringen elektrischen Widerstand zwischen dem Basi­ sanschluß und der Basis aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors, bei dem auf einer horizontalen O­ berfläche einer Grundschicht aus monokristallinem Halbleiter­ material eine erste isolierende Schicht, darüber eine Basi­ sanschlußschicht aus Polysilizium und darüber eine zweite i­ solierende Schicht erzeugt werden. Zur Erzeugung einer Ver­ tiefung werden die zweite isolierende Schicht und die Basi­ sanschlußschicht strukturiert, bis ein Teil der ersten iso­ lierenden Schicht freigelegt wird, so daß seitliche Flächen der Basisanschlußschicht und seitliche Flächen der zweiten isolierenden Schicht gebildet werden. Der freigelegte Teil der ersten isolierenden Schicht wird geätzt, bis die Grund­ schicht freigelegt wird. Zur Erzeugung einer Basisschicht wird eine selektive Epitaxie derart durchgeführt, daß die Ba­ sisschicht auf der Grundschicht monokristallin und auf den seitlichen Flächen der Basisanschlußschicht polykristallin aufwächst, und daß die Basisschicht dicker als die erste iso­ lierende Schicht ist.
Die seitlichen Flächen der Basisanschlußschicht sind nicht durch eine dielektrische Schicht geschützt.
Da die Basisschicht dicker als die erste isolierende Schicht ist, wachsen die polykristallinen Teile und die monokristal­ linen Teile der Basisschicht zumindest teilweise in Kontakt miteinander auf, so daß an den entsprechenden Stellen der e­ lektrische Widerstand zwischen den polykristallinen und mono­ kristallinen Teilen und damit der elektrische Widerstand zwi­ schen der Basis und dem Basisanschluß gering ist.
Der monokristalline Teil der Basisschicht wirkt zumindest teilweise als Basis. Das Dotierprofil in der Basisschicht kann so eingestellt werden, daß untere oder obere Teile des monokristallinen Teils der Basisschicht als Kollektor oder als Emitter wirken. Der polykristalline Teil der Basisschicht und die Basisanschlußschicht wirken als Basisanschluß.
Da die Basis und die Basisanschlußschicht nicht gleichzeitig erzeugt werden, sondern zwei verschiedene Schichten sind, kann die Basis niedrigdotiert sein und zugleich die Basi­ sanschlußschicht eine hohe Dotierstoffkonzentration aufwei­ sen. Die Basisanschlußschicht kann folglich eine hohe Leitfä­ higkeit aufweisen.
Beispielsweise weist die Basisschicht eine Dotierstoffkon­ zentration zwischen 5 . 1018 und 1019 cm-3 auf, während die Basi­ sanschlußschicht eine Dotierstoffkonzentration von etwa 1020 cm-3 aufweist.
Da die Basis und die Basisanschlußschicht nicht Teile dersel­ ben Schicht sind, können die Dicken der Schichten unabhängig voneinander gewählt werden. Beispielsweise weist die Basisanschlußschicht zur Erniedrigung seines elektrischen Wider­ stands eine Dicke zwischen 150 nm und 250 nm auf. Zugleich kann die Dicke der Basisschicht im Bereich von etwa 50 nm liegen.
Je größer die seitliche Grenzfläche zwischen der Basisschicht und der Basisanschlußschicht ist, um so kleiner ist der e­ lektrische Widerstand zwischen der Basis und dem Basi­ sanschluß.
Der Emitter wird so erzeugt, daß er vom ersten Leitfähig­ keitstyp dotiert ist, während die Basisschicht und die Basi­ sanschlußschicht so erzeugt werden, daß sie von einem zwei­ ten, zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfä­ higkeitstyp dotiert sind. Um einen Kurzschluß zwischen den polykristallinen Teilen der Basisschicht und dem Emitter zu vermeiden, ist es vorteilhaft, eine isolierende Struktur zu erzeugen, die mindestens den polykristallinen Teil der Basis­ schicht bedeckt. Der vom ersten Leitfähigkeitstyp dotierte Emitter wird über der mit der isolierenden Struktur versehe­ nen Basisschicht erzeugt. Der Emitter steht elektrisch mit dem monokristallinen Teil der Basisschicht in Kontakt und bildet einen pn-Übergang.
Der Emitter kann beispielsweise aus Polysilizium erzeugt wer­ den.
Die isolierende Struktur kann beispielsweise in Form eines Spacers, der an die seitlichen Flächen der zweiten isolieren­ den Schicht angrenzt, erzeugt werden, indem isolierendes Ma­ terial im wesentlichen konform abgeschieden und rückgeätzt wird, bis die Basisschicht teilweise freigelegt wird und so­ mit den polykristallinen Teil der Basisschicht bedeckt.
Damit dabei die zweite isolierende Schicht nicht angegriffen wird, ist die isolierende Struktur vorzugsweise selektiv zur zweiten isolierenden Schicht ätzbar. Beispielsweise besteht die zweite isolierende Schicht aus SiO2 und die isolierende Struktur aus Siliziumnitrid oder umgekehrt.
Vorzugsweise wird der obengenannte Teil der ersten isolieren­ den Schicht durch isotropes Ätzen entfernt, so daß untere ho­ rizontale Flächen der Basisanschlußschicht freigelegt werden. Im Vergleich zu anisotropem Ätzen entstehen bei einem solchen Verfahren weniger Kristalldefekte in der Grundschicht, die in diesem Bereich als Kollektor wirkt.
Die Basisschicht kann insitu dotiert aufgewachsen werden. Al­ ternativ wird die Basisschicht nach deren Erzeugung nachträg­ lich implantiert.
Vorzugsweise wird die Basisschicht so aufgewachsen, daß sie im wesentlichen so dick ist wie die Summe der Dicken der ers­ ten isolierenden Schicht und der Basisanschlußschicht.
Zur Erhöhung der Performance des Bipolartransistors ist es vorteilhaft, die Basisschicht im wesentlichen aus SiGe zu er­ zeugen. Dabei können der Emitter und/oder der Kollektor im wesentlichen aus Silizium und/oder aus Polysilizium bestehen.
Als Material der Basisschicht ist jedoch auch Silizium oder ein Verbindungshalbleiter geeignet.
Der Bipolartransistor kann mit sehr wenigen Masken herge­ stellt werden. Die Vertiefung wird mit Hilfe einer Maske er­ zeugt. Zur Erzeugung der isolierenden Struktur in Form eines Spacers und zur Erzeugung der Basisschicht sind keine Masken erforderlich. Zur Strukturierung der Basisanschlußschicht kann dieselbe Maske wie zur Erzeugung der Vertiefung verwen­ det werden. Eine weitere Maske kann zur Strukturierung des Emitters verwendet werden. Kontakte zur Basis, zum Emitter und zur Kollektor können ebenfalls mit einer Maske erzeugt werden. Zur Abdeckung eines Gebiets der Grundschicht während der selektiven Epitaxie, auf dem zu einem späteren Zeitpunkt ein Kollektorkontakt erzeugt wird, kann eine Schutzschicht verwendet werden, die durch maskiertes Ätzen strukturiert werden kann.
Das Halbleitermaterial, aus dem die Grundschicht besteht, ist vorzugsweise Silizium. Alternativ besteht die Grundschicht aus einem Verbindungshalbleiter, wie z. B. GaAs.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Substrat mit einer dotierten Schicht, nachdem eine Grundschicht, eine I­ solation, ein dotiertes Gebiet, eine erste isolieren­ de Schicht, eine Basisanschlußschicht, eine zweite i­ solierende Schicht, eine Vertiefung und eine Schutz­ schicht erzeugt wurden.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt aus Fig. 1, nachdem eine Ba­ sisschicht, eine isolierende Struktur, ein Emitter, ein Zwischenoxid, ein Basiskontakt, ein Emitterkon­ takt und ein Kollektorkontakt erzeugt wurden.
Im Ausführungsbeispiel ist als Ausgangsmaterial ein Substrat 1 aus monokristallinem Silizium vorgesehen. Durch Implantati­ on wird eine an eine horizontale Oberfläche des Substrats 1 angrenzende hoch n-dotierte Schicht S erzeugt.
Durch insitu dotierte Epitaxie wird eine ca. 500 nm dicke niedrig n-dotierte Grundschicht G erzeugt. Durch maskierte thermische Oxidation wird eine Isolation IS erzeugt, die ei­ nen Bereich seitlich umgibt, in dem eine Basis B erzeugt wer­ den soll, und die einen Bereich umgibt, auf dem ein Kollek­ torkontakt K erzeugt werden soll (s. Fig. 1). In letzterem Bereich wird durch maskierte Implantation ein hoch n- dotiertes Gebiet GE erzeugt, das bis zur dotierten Schicht S reicht.
Anschließend wird eine ca. 5 nm dicke erste isolierende Schicht I1 aus SiO2, darüber eine ca. 200 nm dicke Basi­ sanschlußschicht BA aus Polysilizium und darüber eine zweite isolierende Schicht I2 aus SiN erzeugt (s. Fig. 1). Die Ba­ sisanschlußschicht BA wird insitu p-dotiert abgeschieden und weist eine Dotierstoffkonzentration von ca. 1020 cm-3 auf.
Durch maskiertem Trockenätzen wird eine Vertiefung V erzeugt, indem die zweite isolierende Schicht I2 und die Basi­ sanschlußschicht BA strukturiert werden, bis ein Teil der ersten isolierenden Schicht I1 freigelegt wird, so daß seit­ liche Flächen der Basisanschlußschicht BA und seitliche Flä­ chen der zweiten isolierenden Schicht I2 gebildet werden. Da­ bei werden die Basisanschlußschicht BA und die zweite isolie­ rende Struktur I2 im Bereich eines zu erzeugenden Kollektor­ kontakts KK entfernt.
Durch maskiertes Ätzen wird die erste isolierende Schicht I1 im Bereich des zu erzeugenden Kollektorkontakts KK entfernt (s. Fig. 1).
Zur Erzeugung einer Schutzschicht SS wird SiN abgeschieden und mit Hilfe einer Maske (nicht dargestellt) so struktu­ riert, daß sie die zweite isolierende Schicht I2 nicht be­ deckt. Mit derselben Maske wird zur Erhöhung der Dotierstoff­ konzentration eines zu erzeugenden Kollektors K eine Implan­ tation mit n-dotierenden Ionen durchgeführt.
Der freigelegte Teil der ersten isolierenden Schicht I1 wird naßchemisch isotrop selektiv zur zweiten isolierenden Schicht I2 entfernt, so daß ein unterätzter Bereich entsteht und un­ tere horizontale Flächen der Basisanschlußschicht BA teilwei­ se freigelegt werden.
Zur Erzeugung einer Basisschicht B wird eine selektive Epita­ xie durchgeführt. Das Dotierprofil wird dabei insitu einge­ stellt. Die Basisschicht B weist im wesentlichen eine Dotierstoffkonzentration von ca. 5 . 1018 cm-3 auf. Die Basisschicht B wächst auf der Grundschicht G monokristallin und auf den seitlichen Flächen der Basisanschlußschicht BA polykristallin auf. Im unterätzten Bereich stoßen ein kristalliner Teil und ein polykristalliner Teil der Basisschicht B aufeinander und bilden eine Korngrenze. Nachdem die Basisschicht B etwa die Höhe der unteren Flächen der Basisanschlußschicht BA erreicht hat, wachsen kristalline Teile und polykristalline Teile der Basisschicht B in Kontakt miteinander auf, so daß zwischen diesen Teilen ein guter elektrischer Kontakt erzeugt wird. Die Dicke der Basisschicht B beträgt ca. 50 nm. Es entsteht ein vertikaler elektrischer Anschluß zwischen dem einkristal­ linen und dem polykristallinen Teil der Basisschicht B.
Zur Erzeugung einer spacerförmigen isolierenden Struktur I wird SiO2 abgeschieden und rückgeätzt, bis die Basisschicht B freigelegt wird. Anschließend wird zur Erzeugung eines Emit­ ters E insitu n-dotiertes Polysilizium abgeschieden und durch maskiertem Ätzen strukturiert (siehe Fig. 2).
Anschließend wird ein Zwischenoxid Z erzeugt, indem SiO2 ab­ geschieden und durch chemisch-mechanisches Polieren planari­ siert wird.
Durch maskiertem Ätzen werden Kontaktlöcher zur Basi­ sanschlußschicht BA, zum Emitter E und zum dotierten Gebiet GE erzeugt. Anschließend wird Wolfram abgeschieden, so daß die Kontaktlöcher gefüllt werden, und durch chemisch- mechanisches Polieren planarisiert, bis das Zwischenoxid Z freigelegt wird. Dadurch entstehen in den Kontaktlöchern ein Basiskontakt BK, ein Emitterkontakt EK und ein Kollektorkon­ takt KK (siehe Fig. 2).
Der Bereich der Grundschicht G unterhalb der Basisschicht B wirkt als Kollektor K. Die dotierte Schicht S und das dotier­ te Gebiet GE wirken als Kollektoranschluß. Der monokristalli­ ne Teil der Basisschicht B wirkt als Basis. Der polykristalline Teil der Basisschicht und die Basisanschlußschicht BA wirken als Basisanschluß. Die isolierende Struktur 1 verhin­ dert einen Kurzschluß zwischen dem Emitter E und dem polykri­ stallinen Teil der Basisschicht B sowie der hochdotierten Ba­ sisanschlußschicht BA.
Bezugszeichenliste
1
Substrat
B Basisschicht
BA Basisanschlußschicht
E Emitter
G Grundschicht
GE dotiertes Gebiet
I isolierende Struktur
IS Isolation
I1, I2 isolierende Schicht
K Kollektor
KB, KE, KK Kontakt
S dotierte Schicht
SS Schutzschicht
V Vertiefung
Z Zwischenoxid

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors
bei dem auf einer horizontalen Oberfläche einer Grund­ schicht (G) aus monokristallinem Halbleitermaterial eine erste isolierende Schicht (I1), darüber eine Basisanschluß­ schicht (BA) aus Polysilizium und darüber eine zweite iso­ lierende Schicht (I2) erzeugt werden,
bei dem eine Vertiefung (V) erzeugt wird, indem die zweite isolierende Schicht (I2) und die Basisanschlußschicht (BA) strukturiert werden, bis ein Teil der ersten isolierenden Schicht (I1) freigelegt wird, so daß seitliche Flächen der Basisanschlußschicht (BA) und seitliche Flächen der zweiten isolierenden Schicht (I2) gebildet werden,
bei den der freigelegte Teil der ersten isolierenden Schicht (I1) geätzt wird, bis die Grundschicht (G) freige­ legt wird,
bei dem zur Erzeugung einer Basisschicht (B) eine selektive Epitaxie derart durchgeführt wird, daß die Basisschicht (B) auf der Grundschicht (G) monokristallin und auf den seitli­ chen Flächen der Basisanschlußschicht (BA) polykristallin aufwächst, und daß die Basisschicht (B) dicker als die ers­ te isolierende Schicht (I1) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem eine isolierende Struktur (I) erzeugt wird, die mindestens den polykristallinen Teil der Basisschicht (B) bedeckt,
bei dem über der mit der isolierenden Struktur (I) versehe­ nen Basisschicht (B) ein von einem ersten Leitfähigkeitstyp dotierter Emitter (E) erzeugt wird, der elektrisch mit der Basisschicht (B) in Kontakt steht,
bei dem die Basisschicht (B) und die Basisanschlußschicht (BA) so erzeugt werden, daß sie von einem zweiten, zum ers­ ten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp dotiert sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die isolierende Struktur (I) in Form eines Spacers, der an die seitlichen Flächen der zweiten isolierenden Schicht (I2) angrenzt, erzeugt wird, indem isolierendes Ma­ terial im wesentlichen konform abgeschieden und rückgeätzt wird, bis die Basisschicht (B) freigelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 1 bei dem der Teil der ersten isolierenden Schicht (I1) durch isotropes Ätzen entfernt wird, so daß untere horizontale Flächen der Basisanschlußschicht (BA) freigelegt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem die Basisschicht (B) insitu dotiert aufgewachsen wird,
bei dem die Basisanschlußschicht (BA) so erzeugt wird, daß sie eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweist als die Basisschicht (B).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Basisschicht (B) so aufgewachsen wird, daß sie dünner als die Basisanschlußschicht (BA) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Basisschicht (B) im wesentlichen aus SiGe er­ zeugt wird.
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